Carbonio e carburi: un confronto completo

Il carbonio, un elemento fondamentale, costituisce la base di innumerevoli materiali, tra cui diamanti e grafite. La sua versatilità si estende alla formazione di carburi, composti con proprietà distinte.

Questo post del blog esplora le differenze tra il carbonio e i suoi vari allotropi e carburi. Ci addentreremo nelle loro caratteristiche, tra cui durezza, stabilità termica, conduttività elettrica, reattività chimica e proprietà magnetiche, fornendo un confronto completo per i professionisti del settore.

Che cosa è il carbonio?

Il carbonio è un elemento chimico non metallico con simbolo C e numero atomico 6. È il quarto elemento più abbondante nell'universo in termini di massa dopo idrogeno, elio e ossigeno. Il carbonio è altamente versatile grazie alla sua capacità di formare legami covalenti stabili con se stesso e altri elementi, dando origine a una vasta gamma di composti.

Allotropi del carbonio

Diamante

Il diamante è un allotropo metastabile del carbonio in cui ogni atomo di carbonio è legato covalentemente ad altri quattro in una disposizione reticolare a tetraedro, dando origine a una struttura cristallina altamente rigida.

Grafite

La grafite è la forma più stabile di carbonio in condizioni standard. Ha una struttura planare a strati in cui ogni atomo di carbonio è legato covalentemente ad altri tre in un reticolo esagonale, formando fogli chiamati grafene.

Fullereni e nanotubi

I fullereni sono allotropi composti da atomi di carbonio disposti in una maglia chiusa o parzialmente chiusa, tipicamente a forma di sfera cava, ellissoide o tubo. Il primo fullerene scoperto e più famoso è il buckminsterfullerene (C₆₀), una molecola sferica cava che ricorda un pallone da calcio.

I nanotubi di carbonio sono fullereni cilindrici con rapporti di aspetto spesso superiori a 1.000.000. Possono essere a parete singola con un diametro vicino a 1 nm o a parete multipla costituiti da più tubi concentrici.

Cosa sono i carburi

I carburi sono composti composti da carbonio e un elemento meno elettronegativo, in genere un metallo. Nei carburi, il carbonio generalmente presenta stati di ossidazione negativi, spesso -4. Le dimensioni relativamente piccole degli atomi di carbonio consentono un'ampia inserzione nei reticoli cristallini dei metalli.

I carburi sono caratterizzati da elevata durezza, elevati punti di fusione e buone conduttività termiche ed elettriche rispetto al metallo di origine. Queste proprietà derivano dal forte legame tra atomi di carbonio e metallo.

Tipi di carburi

In base alla natura del loro legame, i carburi possono essere classificati in tre categorie: ionici (simili al sale), covalenti e interstiziali (metallici).

Carburi ionici (simili al sale)

I carburi ionici o simili a sali si formano tra il carbonio e gli elementi altamente elettropositivi come i metalli alcalini e alcalino-terrosi. Il legame è caratterizzato dal trasferimento di elettroni dal metallo al carbonio, con conseguente ioni tenuti insieme da forze elettrostatiche. Esempi includono:

Carburo di calcio (CaC₂): utilizzato nella produzione di acetilene e calciocianammide. Reagisce con l'acqua per produrre gas acetilene.
Carburo di magnesio (Mg₂C₃): utilizzato anche nella produzione di acetilene. Reagisce con l'acqua in modo più vigoroso rispetto al CaC₂.

I carburi ionici sono tipicamente instabili e reattivi a causa dell'elevata carica negativa sugli atomi di carbonio. Si decompongono in acqua e diluiscono gli acidi per produrre idrocarburi.

Carburi covalenti

I carburi covalenti si formano tra il carbonio e gli elementi meno elettropositivi con elettronegatività simili, come silicio, boro e tungsteno. Il legame comporta la condivisione di elettroni in modo covalente, dando origine a composti con un alto grado di carattere covalente. Esempi sono:

Carburo di silicio (SiC): noto come carborundum, è utilizzato come abrasivo e nella ceramica ad alta temperatura grazie alla sua durezza e stabilità termica.
Carburo di boro (B₄C): uno dei materiali più duri conosciuti, utilizzato nelle corazze dei carri armati, nei giubbotti antiproiettile e negli abrasivi.
Carburo di tungsteno (WC): utilizzato negli utensili da taglio, negli abrasivi e nelle parti resistenti all'usura grazie alla sua elevata durezza e tenacità.

I carburi covalenti hanno generalmente punti di fusione, durezza e stabilità chimica elevati. Sono semiconduttori o isolanti a causa dell'assenza di elettroni liberi.

Carburi interstiziali (metallici)

I carburi interstiziali o metallici si formano quando gli atomi di carbonio si inseriscono negli interstizi di un reticolo metallico, spesso di metalli di transizione. Le piccole dimensioni del carbonio consentono un inserimento esteso senza disturbare significativamente il reticolo metallico. Esempi includono:

Il carburo di ferro (Fe₃C), noto come cementite, è un componente fondamentale degli acciai e delle ghise, a cui conferisce durezza.
Il carburo di titanio (TiC) viene utilizzato negli utensili da taglio e nei rivestimenti resistenti all'usura grazie alla sua elevata durezza e stabilità termica.
Anche il carburo di tungsteno (WC) è un carburo interstiziale, nonostante abbia caratteristiche di legame covalente.

I carburi interstiziali presentano legami misti, con una combinazione di componenti covalenti, ionici e metallici. Sono caratterizzati da elevata durezza, elevati punti di fusione e buone conduttività elettriche e termiche.

Quali sono le principali differenze tra carburi ionici, interstiziali e covalenti?

Le principali differenze tra carburi ionici, interstiziali e covalenti risiedono nella loro natura legante, che determina la loro struttura e le loro proprietà:

Legame

Nei carburi ionici avviene il trasferimento di elettroni dal metallo al carbonio, con conseguente attrazione elettrostatica tra gli ioni.
Nei carburi covalenti avviene la condivisione di elettroni tra il carbonio e l'altro elemento, formando legami covalenti direzionali.
I carburi interstiziali presentano una combinazione di legami covalenti, ionici e metallici, con atomi di carbonio inseriti nel reticolo metallico.

Struttura

I carburi ionici hanno una struttura simile al sale con cationi e anioni alternati.
I carburi covalenti hanno una struttura covalente a rete con forti legami direzionali.
I carburi interstiziali mantengono la struttura cristallina del metallo di origine con carbonio nei siti interstiziali.

Stabilità

I carburi ionici sono generalmente instabili e reattivi e si decompongono in acqua e acidi diluiti.
I carburi covalenti sono chimicamente stabili e inerti grazie al forte legame covalente.
I carburi interstiziali hanno una stabilità chimica da moderata a buona.

Proprietà elettroniche

I carburi ionici sono isolanti a causa dell'assenza di elettroni liberi.
I carburi covalenti sono semiconduttori o isolanti a seconda del loro bandgap.
I carburi interstiziali sono conduttori metallici grazie alla presenza di elettroni liberi.

Proprietà fisiche

I carburi ionici hanno durezza e punti di fusione inferiori rispetto ai carburi covalenti e interstiziali.
I carburi covalenti presentano un'elevata durezza, elevati punti di fusione e basse conduttività elettrica e termica.
I carburi interstiziali presentano elevata durezza, elevati punti di fusione e buone conduttività elettrica e termica.

Differenza tra carbonio e carburi

Durezza e resistenza all'usura

Il carbonio puro, sotto forma di grafite, ha una durezza relativamente bassa di 0,5-1 sulla scala di Mohs. Al contrario, i carburi mostrano generalmente valori di durezza molto più elevati. Ad esempio, il carburo di tungsteno (WC) ha una durezza di 9-9,5 sulla scala di Mohs, il che lo rende uno dei materiali più duri conosciuti.

Stabilità termica e punti di fusione

La grafite, la forma più stabile di carbonio in condizioni standard, sublima a 3.642 °C (6.588 °F) senza fondersi. D'altro canto, i carburi hanno generalmente punti di fusione elevati ma inferiori a quello della grafite. Ad esempio, il carburo di titanio (TiC) ha un punto di fusione di 3.160 °C (5.720 °F), mentre il carburo di silicio (SiC) fonde a 2.730 °C (4.946 °F).

Conduttività elettrica

La grafite è un eccellente conduttore elettrico grazie ai suoi elettroni π delocalizzati, che consentono un facile movimento degli elettroni. La sua conduttività elettrica è di circa 3 x 10^5 S/m. Al contrario, la maggior parte dei carburi sono semiconduttori o isolanti. Ad esempio, il carburo di silicio (SiC) ha una conduttività elettrica di circa 10^-6 a 10^3 S/m.

Reattività chimica

Il carbonio, in particolare sotto forma di grafite, è relativamente inerte e resistente all'attacco chimico a temperatura ambiente. Tuttavia, può ossidarsi ad alte temperature, formando anidride carbonica. I carburi, d'altro canto, hanno reattività chimiche variabili a seconda del tipo. I carburi simili al sale, come il carburo di calcio (CaC2), sono altamente reattivi con l'acqua, producendo gas acetilene infiammabile. I carburi covalenti, come il carburo di silicio (SiC), sono generalmente più inerti chimicamente e resistenti all'ossidazione a causa del forte legame covalente tra atomi di carbonio e silicio.

Proprietà magnetiche

Il carbonio puro, in tutte le sue forme allotropiche, è diamagnetico, ovvero mostra una debole repulsione in presenza di un campo magnetico esterno. Al contrario, alcuni carburi, in particolare i carburi di metalli di transizione, possono mostrare proprietà magnetiche. Ad esempio, il carburo di ferro (Fe3C), noto anche come cementite, è ferromagnetico, ovvero può essere magnetizzato e attratto dai magneti. Questa proprietà deriva dalla presenza di atomi di ferro nella struttura del carburo.

Domande frequenti

Come vengono sintetizzati i carburi?

I carburi sono in genere sintetizzati tramite reazioni ad alta temperatura. I metodi comuni includono la reazione diretta di un elemento con il carbonio, o la reazione di un ossido metallico con il carbonio in un forno ad arco elettrico, come nella produzione di carburo di calcio (CaC₂) da calce (CaO) e coke a circa 2000°C.

I carburi possono essere riciclati?

Sì, molti carburi possono essere riciclati. Il carburo di tungsteno, ad esempio, viene spesso riciclato a causa dell'elevato valore e della scarsità del tungsteno. Il processo di riciclaggio prevede trattamenti chimici o fusione dello zinco per recuperare tungsteno e cobalto da rottami di carburo cementato, con conseguente recupero di oltre 80% di materiale.

È possibile utilizzare insieme carbonio e carburi nella stessa applicazione?

Assolutamente. Nei materiali compositi, le fibre di carbonio sono spesso combinate con rivestimenti in carburo per migliorare le proprietà. Ad esempio, i compositi in carburo di silicio (C/SiC) rinforzati con fibra di carbonio sono utilizzati nei dischi freno ad alte prestazioni, beneficiando della resistenza del carbonio e della resistenza all'usura del carburo di silicio.