febbraio 2025
Ve lo presento subito il carbonio, un atomo che nel famoso tabellone della tavola periodica degli elementi chimici di Mendeleev, che abbiamo studiato in chimica a scuola, si colloca al sesto posto. I chimici lo indicano con il numero atomico di 6 perché il nucleo di questo atomo è formato da 6 neutroni e 6 protoni. Attorno al nucleo girano vorticosamente, con moto continuo, 6 elettroni. Un atomo pesa 2×10-26kg, un niente. Meglio non indagare su come abbiano fatto a pesarlo. I chimici giurano che nell’universo noto ci sono , oltre al carbonio, solo altri 97 tipi di atomi, alcuni di individuazione recente. Dicono che i protoni e i neutroni del nucleo non sono vere particelle elementari, perché sono composti a loro volta da particelle ancora più piccole, subatomiche, dette quark e i famosi bosoni. I chimici continuano imperterriti a scrutare dentro gli atomi con sperimentazioni e strumentazioni mostruose : poco tempo fa hanno individuato il famoso bosone di Higgs, la particella più piccola di materia, definita la particella di Dio.
Struttura dell’atomo di carbonio
Il carbonio, questo piccolo Calimero brutto e nero, è come il prezzemolo : si trova dappertutto, nei luoghi più impensabili. Si trova in abbondanza nel sole, nelle stelle, nelle comete, nei pianeti, nell’atmosfera della terra e nell’aria che respiriamo, negli oceani e nei mari, nelle rocce, dentro gli alberi e nelle foglie, nella frutta, nel corpo degli animali e nell’uomo.
E’ il quarto elemento più abbondante nell’universo, dopo idrogeno, elio e ossigeno. E’ il tredicesimo elemento più abbondante nella terra. Costituisce lo 0,025% della crosta terrestre. Nei vegetali forma una percentuale tra 11-54 %. Nei mammiferi costituisce circa il 22% del peso. In un uomo di 70 kg il C è presente con ben 14 kg. E’ la base di tutti i combustibili fossili : carbone, gas metano, petrolio.
Dicono gli astrofisici che il Carbonio si sia formato nel nucleo delle prime stelle, dove pressione e temperatura estremi alimentavano la fusione dei nuclei contenenti bosoni e quark, particelle elementari della materia provenienti dal famoso Big Bang. La fusione di atomi di elio creò i primi atomi di carbonio, circa 12 miliardi di anni fa, poco più poco meno. Così sta scritto nei sacri testi degli astrofisici. Discorsi difficili da capire per noi, esseri di poca cultura, ma pare che sia tutta verità.
La quasi totalità della massa dell’atomo di C, per oltre il 95% , è formata dal nucleo di protoni e neutroni. Il nucleo occupa uno spazio complessivo di 10-15m. Se si considerano le orbite degli elettroni, l’atomo di C occupa uno spazio molto più grande , pari a circa di 10-11m. Quindi in larghissima parte l’atomo di carbonio è composto da spazio vuoto. Ma non stupitevi più di tanto. Tutti gli atomi sono mezzi vuoti, come tutta la materia che compongono. Non ci credete? Eppure sembra che sia così. I chimici lo giurano.
L’atomo di C è capace di legarsi con se stesso e con molti altri atomi, producendo un elevatissimo numero di composti, di molecole. Dei 6 elettroni che gironzolano attorno al suo nucleo, 4 sono attivi e acchiappano altri atomo che passano nelle vicinanze. Se incontra H idrogeno, per esempio, forma il metano CH4 , gas che conosciamo bene come combustibile fossile, usatissimo per produrre energia elettrica. Con l’amico O ossigeno forma la CO2 , anidride carbonica, ben noto come gas serra e chiamato in causa per il surriscaldamento della terra. Se si lega con un solo atomo di O forma il monossido di carbonio, il CO famigerato gas velenoso emesso dalle nostre stufe a legna e a carbone.
Calcite
Catturando anche un atomo di calcio, Ca , assieme all’ossigeno forma la calcite CaCO3 , minerale componente fondamentale delle rocce calcaree che formano i massicci carsici delle Prealpi e della pedemontana triestina , il famoso Carso. Aggiungendo anche del magnesio, Mg, eccovi un altro minerale famoso, la dolomite, CaMg(CO3)2, che costituisce le note montagne Patrimonio dell’UNESCO, le Dolomiti.
Rocce carbonatiche ( calcari) formate da calcite
Il primo a riconoscere il C come elemento chimico fu il noto studioso francese Antoine-Lauren Lavoisier nella seconda metà del ‘700, mentre il chimico tedesco Friedrich August Kekulè nella seconda metà dell’800 ne stabilì la tetravalenza , le 4 cariche negative degli elettroni.
Tutto il carbonio degli organismi viventi, piante e animali, proviene direttamente o indirettamente da quello della CO2, anidride carbonica, dell’atmosfera : i vegetali attraverso la famosa funzione clorofilliana e gli animali attraverso l’alimentazione.
Rocce carbonatiche ( dolomie) formate da dolomite
Senza il C presente in atmosfera sotto forma di CO2 non ci sarebbe vegetazione sulla terra. Infatti attraverso il famoso processo di fotosintesi clorofilliana le piante assorbono il C atmosferico, assolutamente necessario per la crescita e lo sviluppo dei vegetali. La base di questo processo biochimico è la clorofilla, un pigmento verde presente soprattutto nelle cellule delle foglie. La clorofilla è in grado di catturare l’energia del sole e trasformarla (fotosintesi) in energia chimica, che serve per modificare la CO2 assorbita dall’aria in zuccheri e carboidrati, nutrimento fondamentale per l’alimentazione delle piante.
In sintesi : 6CO2 + 6H2O > C6H1206 + 6O2. In pratica le piante, durante il processo di fotosintesi clorofilliana , assorbono 6 molecole di anidride carbonica dall’aria e 6 molecole di acqua dal suolo, trasformandole in una molecola di carboidrati e 6 di ossigeno. L’ossigeno che viene liberato in atmosfera come scarto durante il processo è fondamentale per la vita di tutti gli esseri viventi sulla terra. E’ componente fondamentale , per circa il 30% del volume, dell’aria che respiriamo,
Si è calcolato che annualmente 80 miliardi di kg di CO2 vengono sottratti all’atmosfera dal processo clorofilliano. Dicono gli studiosi che un ettaro di foresta ne fissi 2000-3000 kg, un terreno coltivato 1400-2000 kg.
Sulla terra il C carbonio è coinvolto in un ciclo continuo di trasformazioni : il famoso ciclo del carbonio. Si tratta di un circuito importantissimo e vitale attraverso il quale , con processi chimici, fisici e biologici, il C viene scambiato continuamente tra la crosta terrestre ( sedimenti , rocce e combustibili fossili ) , le acque superficiali e sotterranee ( mari, oceani, fiumi e falde), le piante e gli animali e l’atmosfera che circonda la terra.
Per darvi una idea delle dimensioni di questo scambio , gli studiosi dicono che nella biosfera ( piante e animali) sono presenti circa 1500 miliardi di tonnellate di C. Il carbonio è parte essenziale della vita sulla terra, giocando un ruolo importantissimo nella nutrizione e nello sviluppo degli organismi. La CO2, importantissima nel ciclo del C, mette in connessione, con vari e differenti tipi di processi, tutti gli ambienti della terra : organismi viventi, le rocce della crosta terrestre, le acque superficiali e sotterranee, l’atmosfera. Passa continuamente con trasformazioni cicliche dal mondo minerale inorganico a quello degli esseri viventi. Il Carbonio lascia il mondo dei vegetali e animali con vari processi. Con la morte i vegetali e gli animali si accumulano in depositi , trasformandosi in sedimenti e rocce, portati a mare o rimossi in soluzione dalle acque. I mari contengono circa 36.000 miliardi di tonnellate di C, in gran parte sotto forma di bicarbonato a disposizione degli organismi marini o dei sedimenti.
Schema del ciclo del carbonio
Le velocità dei differenti processi chimici, fisici e biologici che agiscono all’interno del ciclo del carbonio sono diversissime, dalle decine di milioni di anni ( formazione delle rocce da sedimenti organici, formazione del petrolio e del gas metano) , alla decina di anni ( putrefazione dei vegetali e dei resti animali ) fino a reazioni veloci legate alle attività biologiche animali e vegetali. Sono processi talora complessi , differenti in funzione dei vari ambienti in cui si verificano.
I chimici hanno evidenziato che l’atomo di carbonio ha una enorme capacità di legarsi con atomi differenti e addirittura di attaccarsi a catena con altri atomi di carbonio, creando così una quantità notevolissima di molecole differenti. Le sostanze che contengono carbonio, in varie proporzioni , sono numerosissime.
Tuttavia in natura il carbonio si trova anche allo stato puro, non combinato con altri atomi. La forma più diffusa è il carbone fossile, una roccia sedimentaria nerastra costituita quasi interamente da carboniomicrocristallino, formatosi in tempi geologici passati , per trasformazione di accumuli di sostanze vegetali e animali in ambiente marino. Potenti giacimenti di carbone si trovano in Cina, India, U.S.A., Russia, Indonesia. Il 50% della produzione mondiale proviene dalla Cina, che nel 2019 ne ha estratto dal sottosuolo ben 4.000 milioni di tonnellate. Segue l’India con 800 milioni di tonn e l’Indonesia con 600 milioni di tonn. Viene usato come combustibile, soprattutto per la produzione di energia elettrica nelle centrali a carbone. Un tempo veniva largamente usato per il riscaldamento urbano. La combustione del carbone produce grandi quantità di CO2 che se ne vanno in atmosfera, rientrando nel ciclo del carbonio.
Miniera di carbone a cielo aperto
E’ ben noto che il Carbonio forma altre due curiose sostanze : il diamante e la grafite. Due sostanze diversissime , ma costituite tutte due da atomi di carbonio. Le differenzia la disposizione degli atomi nella strutura cristallina : nel diamante gli atomi si legano tra loro a formare un tetraedro, nella grafite il reticolo cristallino è esagonale a strati.
La trasformazione del carbonio in cristalli di diamante richiede temperature e pressioni elevatissime e tempi molto lunghi. Per tale ragione si trovano in rocce eruttive, soprattutto entro antichi camini vulcanici di esplosione, oppure entro materiali alluvionali provenienti dal disfacimento di queste rocce. Giacimenti di diamante sono presenti in molti paesi africani ( Angola, Congo, Sudafrica, Botswana, Namibia), ma anche in Russia, Canada, Australia.
La grafite, minerale tenero e sfaldabile a differenza del durissimo diamante, si trova in rocce scistose in molte parti del mondo. Proviene dal metamorfismo di resti organici carboniosi. Il maggior produttore è la Cina, che copre il 65% della estrazione mondiale con 850.000 tonn nel 2022, seguita dal Mozambico ( 170.000) e dal Madagascar (110.000). La sua utilizzazione è molteplice e la rende preziosa. Viene usata in elettrotecnica, in metallurgia, nell’industria meccanica e aerospaziale, nell’industria chimica, nella produzione di lubrificanti e vernici, in galvanoplatica, nella produzione dei conduttori. E anche nella punta delle vostre matite…
Diamanti grezzi Grafite
Miniera di diamanti in Sudafrica
L’atomo di carbonio in natura assume tre forme diverse, dicono i chimici, tre isotopi che si differenziano per un diverso numero di neutroni, mantenendo lo stesso numero di protoni : sono il 12C , il 13C e il 14C. I primi due isotopi sono stabili, non si trasformano. Il 14C è invece radiattivo, si trasforma e decade nel tempo. Occorre rilevare che il C12 costituisce il 99% del C esistente, il C13 è presente in < dell’1% e il C14, quello radiattivo, si trova in tracce. Il C14 costituisce 1 parte su 1000 miliardi di tutto il C presente sulla terra. Viene continuamente prodotto nell’atmosfera, dicono gli studiosi, per cattura di neutroni della radiazione cosmica da parte dei nuclei di Azoto N-4. Mah…sarà vero !!! Il C14 radiattivo prodotto si combina con l’ossigeno atmosferico formando CO2 radiattiva, che viene incorporata nelle piante mediante fotosintesi e negli animali che si cibano di vegetali. La quantità di questo isotopo radiattivo presente in atmosfera è costante e tutti gli organismi viventi che partecipano al ciclo del carbonio, vegetali e animali che assorbono o emettono CO2, contengono nei loro tessuti la medesima piccola quantità di C 14 radioattivo . Con la morte degli organismi questo ciclo si interrompe e quindi la quantità di C 14 in esso contenuta comincia a diminuire, dimezzandosi in 5.730 anni. Misurando la percentuale di C 14 ancora presente in un resto di origine organica ( legno, ossa, tessuti e altro ) è quindi possibile stimare il tempo intercorso dalla sua morte. Il metodo è molto usato dagli archeologi per la datazione di reperti antichi.
Il C è un elemento molto singolare per vari aspetti. Uno di questi, di importanza enorme, è la straordinaria proprietà dell’atomo di C di legarsi con altri atomi di C a formare catene stabili, sia chiuse ad anello che aperte e lunghissime, permettendo l’esistenza di un numero elevatissimo di composti. Ricordo che i composti del C rappresentano le basi di tutta la vita sulla terra . Dei composti del C fanno parte molecole di enorme importanza per la vita : vitamine, ormoni, acidi nucleici.
Le tecniche di sintesi in laboratorio, basandosi sulla possibilità del C di legarsi in catene, ha consentito di produrre oltre 10 milioni di composti artificiali del C, alcuni assai complessi, come gli steroidi, le tetracicline , ecc. Il progresso di tali ricerche ha offerto enormi possibilità soprattutto in campo farmacologico .
Nell’immenso e complicatissimo ciclo del carbonio, che coinvolge tutti gli ambienti della terra con processi chimici, fisici e biologici per tempi anche lunghissimi, un posto di grande rilievo rivestono gli idrocarburi. Sono combustibili fossili costituiti da catene di atomi di carbonio e idrogeno che oggi rivestono una importanza economica, sociale e politica enorme. Si tratta , come avrete capito, del petrolio e del gas naturale, che vengono estratti dal sottosuolo con pozzi profondi anche varie migliaia di metri, in molte parti del mondo da strutture geologiche particolari con funzione di trappole di accumulo. Il petrolio è normalmente costituito per l’85% da carbonio e per il 13% da idrogeno : il restante 2 % da altri elementi. Il gas naturale , che spesso è presente nei giacimenti di petrolio ma può trovarsi anche da solo , è formato per il 90% da metano, l’idrocarburo più piccolo e più semplice con formula CH4. Dal petrolio per distillazione si ottengono tutti i carburanti per i motori a scoppio, le nafte usate per la produzione di energia nelle centrali elettriche. E un numero elevatisso di altri derivati : asfalti, oli lubrificanti, paraffine, gomme sintetiche, bitumi, catrame.
Inoltre il petrolio è alla base dell’industria petrolchimica , che produce una miriade di prodotti : le materie plastiche, usatissime dai giocattoli alle auto, dagli imballaggi ai computer, dalle bottiglie agli occhiali; e poi concimi chimici , diserbanti, insetticidi, solventi, detergenti, prodotti farmaceutici, profumi, creme varie….
La produzione mondiale di petrolio si aggira attorno agli 80 – 100 milioni di barili al giorno, quantità variabile in funzione di fattori politici, commerciali e sociali. I maggiori produttori sono U.S.A. con 18 milioni circa, Arabia Saudita con 13 milioni circa e Russia con 12 milioni.
Trappola geologica ad anticlinale con giacimento di gas e petrolio
Gli idrocarburi sono derivati da lunghissimi processi chimici e biologici di decomposizione di organismi marini animali e vegetali nel corso di milioni di anni, accumulatisi in sedimenti fini ( roccia madre). Raggiunto lo stato liquido-gassoso sono migrati verso la superficie attraverso rocce porose fino ad essere catturati da trappole geologiche, strutture a tetto impermeabile che ne hanno sbarrato la strada verso l’alto provocando l’accumulo e la formazione del giacimento.
Il carbonio presente negli organismi marini diventa con la decomposizione parte fondamentali delle molecole successive di idrocarburi. Con la raffinazione il petrolio fornisce una varietà estesa di combustibili , il cui uso determina il ritorno del C nel suo immenso e bizzarro ciclo , sotto forma di scarto , dai gas di scarico dei motori e dalle ciminiere delle centrali elettriche e delle industrie : la famigerata CO2 scaricata in atmosfera, da dove continua il suo girotondo.
Dunque il carbonio continua a muoversi sulla terra seguendo un circuito dove i suoi composti molecolari si disfano e si rifanno in mille maniere, con reazioni chimiche, processi fisici e fenomeni geologici, dove entrano in gioco, piante e animali, acque superficiali e sotterranee, suolo e sottosuolo, sedimenti, rocce ed emissioni vulcaniche.
Questa macchina complessa e importantissima per la vita nel pianeta è stata gestita da Madre Natura fin dalla formazione della Terra , nata qualche miliardo di anni fa, precisamente poco più di quattro miliardi e mezzo, dicono gli astrofisici. Madre Natura, capricciosa, bizzarra e burlona ha spesso giocato con il ciclo del C , intromettendosi qua e là nei processi di scambio e causando variazioni anche importanti, per esempio nel clima, dei quali i geologi hanno rinvenuto le tracce nelle rocce studiando la storia della Terra. Poi ultimamente, alcune migliaia di anni fa, è arrivato l’Uomo, che negli ultimi cento anni ha voluto far da padrone, combinando guai a non finire, mosso dalla voglia di benessere e danaro , senza badare agli effetti negativi che stava provocando.
L’Uomo, cosiddetto Sapiens, si è messo forsennatamente a bruciare combustibili fossili: carbone, gas, petrolio. Deve produrre energia elettrica, deve fornire carburanti per i motori a scoppio di aerei, navi, auto, deve far funzionare i macchinari delle industrie, deve riscaldare le case, deve bruciare estensioni enormi di foreste pluviali per ottenere terra coltivabile. E l’uso incontenibile, irrefrenabile, smisurato di questi prodotti estratti dal sottosuolo, tutti a base di carbonio , determina come scarto una enorme quantità di CO2 che se ne va allegramente in atmosfera. E qui determina un accumulo abnorme che pare abbia scombussolato il ciclo del carbonio. Insomma in atmosfera l’Uomo ha scaricato e sta scaricando molta più CO2 di quella che serve per mantenere in equilibrio il sistema.
I climatologi, e a dire il vero quasi tutta la comunità scientifica attuale, sostengono che questo eccesso di CO2 in atmosfera ha provocato una specie di effetto serra, così lo chiamano, che impedisce ai raggi cosmici irradiati dal superficie terrestre di andarsene nello spazio. E la Terra, invece di raffreddarsi, si riscalda, come nelle serre dei fiori dei nostri giardinieri.
Infatti, dicono gli studiosi, negli ultimi cento anni, a causa dell’effetto serra, la temperatura dell’atmosfera terrestre a livello mondiale è aumentata di quasi 2 gradi, con effetti disastrosi : scioglimento del ghiaccio delle calotte polari e delle catene montuose e sollevamento del livello marino con pericolo per le città costiere, erosioni delle coste, aumento degli afflussi meteo con alluvioni ed esondazioni dei fiumi, frane e mareggiate. Le conseguenze per l’uomo e le sue attività cominciano ad essere molto pesanti e naturalmente in futuro sarà peggio.
Dicono che occorre porre rimedio, si fanno accordi internazionali, grandi convegni planetari, programmi sensazionali : occorre decarbonizzare, occorre arrivare ad una riconversione energetica. In altre parole, comprensibili a noi poveri mortali, occorre interrompere l’uso dei combustibili fossili, occorre smettere di bruciare carbone e di utilizzare gas e petrolio per i motori a scoppio. Molto facile a dirsi, molto difficile a farsi, anzi difficilissimo. Non abbiamo le fonti energetiche alternative. Almeno per ora, e secondo me ancora per qualche….secolo. E gli attuali combustibili fossili costano ancora pochino. Inoltre , sia ben chiaro, gli interessi economici , politici e sociali sulla produzione e sull’uso di queste materie prime sono enormi. E guai ad entrare nel pollaio….
E allora? Allora io non lo so. Non sono del mestiere, e in verità non ho neanche voglia di pensarci. Io credo che nel frattempo dobbiamo abituarci a convivere con la nuova condizione ambientale. Farà anche sempre più caldo….Ci metteremo a coltivare banane e papaie e ad allevare cammelli….
E credo anche che dobbiamo solo sperare in un benevolo e pietoso intervento di Madre Natura, che dia una risistemata al clima, disposta a perdonarci i terribili danni che abbiamo provocato.
I chimici mi perdoneranno se ho fatto invasione di campo nella loro disciplina…ma giuro che ho quasi tutto copiato dai loro scritti.
Industria petrolchimica per la lavorazione del petrolio