la grafite
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LA GRAFITE. GRAFITE…. non solo matite!. COSA E’. In natura il carbonio esiste in diverse forme, dette a llotropiche , di cui la più stabile è la GRAFITE. DOVE SI TROVA. Si trova comunemente in natura; è ampiamente distribuita nel mondo; - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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LA GRAFITE
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GRAFITE…
non solo matite!
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COSA E’In natura il carbonio esiste in diverse forme, dette allotropiche, di cui la più stabile è la GRAFITE
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DOVE SI TROVA• Si trova comunemente in natura;
• è ampiamente distribuita nel mondo;
• importanti giacimenti si trovano in Sri Lanka, in Madagascar, in India, in Russia, negli Stati Uniti, in Messico ed in Corea del Sud
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PRODUZIONE ARTIFICIALE
• Viene anche prodotta artificialmente riscaldando a lungo polvere di carbone e derivati del petrolio (pece e catrame) prima a 800°C e poi a 2500°C.
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SI USA SOPRATTUTTO …
• … per la produzione di mine per matite
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• … per la fabbricazione di elettrodi per pile a secco
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• … per la costruzione di oggetti che devono resistere alle alte temperature, ad esempio i crogiuoli impiegati nella fusione dei metalli
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• … come lubrificante solido di parti meccaniche, anche in aggiunta a grassi lubrificanti
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LE PROPRIETÀ DELLA GRAFITEL’utilizzo di un materiale è legato alle sue
proprietà macroscopiche e al suo comportamento in relazione alle
condizioni ambientali o di lavorazione.
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LE PROPRIETÀ DELLA GRAFITEA sua volta le caratteristiche di un materiale
sono l’espressione della struttura microscopica, cioè del modo in cui gli atomi
che lo costituiscono sono legati fra loro
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STUDIO DELLA STRUTTURA CRISTALLINA
La cristallografia studia la disposizione nello spazio degli atomi in un materiale.
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STUDIO DELLA STRUTTURA CRISTALLINA
• In particolare, utilizzando i raggi X per “bombardare” un cristallo si ottengono informazioni sulle distanze e sugli angoli del legame carbonio - carbonio
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LA STRUTTURA DELLA GRAFITE
Dagli studi di cristallografia a raggi X si è visto che nella grafite gli atomi di carbonio sono situati ai
vertici di esagoni regolari posti su “infiniti” piani paralleli.
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LA STRUTTURA DELLA GRAFITE
Si è visto anche che:• l’angolo formato da 3 atomi di
carbonio è 120°;• la distanza fra due atomi di carbonio
adiacenti è di 1,41 Å;• la distanza fra un piano e l’altro è di
3.40 Å (1 Å = 1x10-10m)
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3,40 Å
1,41 Å
Le linee verticali non sono legami, ma indicano le posizioni relative degli atomi nei diversi strati
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3,40 Å
1,41 Å
La grafite è un solido a reticolo
covalente
Ogni piano è una molecola
di grafite “infinitamente
estesa”
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L’ATOMO DI CARBONIO
• Diamo uno sguardo alla struttura elettronica del carbonio…per scoprire il modo con cui si formano i legami C-C
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-
+
CARBONIO
6
CCARBONIO
12
N° protoni + neutroni
N° protoni / elettroni
+
-
+
+ +
+ -
-
-
-
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I LIVELLI ELETTRONICI
Il carbonio ha 6 elettroni:
• 2 nel primo livello, che non partecipano alla formazione di legami
• 4 nel secondo livello
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GLI ORBITALI
Attorno a nucleo, le regioni di spazio in cui vi è la massima probabilità di trovare gli elettroni sono dette ORBITALI e hanno varie forme…
NUCLEO
1S2Spx
py
pz
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GLI ORBITALI
Con una configurazione di questo tipo il carbonio dovrebbe formare solo due legami a 90° fra loro 2S
px
py
pz
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IBRIDAZIONE
Per spiegare allora la struttura esagonale della grafite o, ad esempio, quella tetraedrica del diamante, bisogna ipotizzare che l’orbitale 2s e gli orbitali 2p si combinino insieme per dare vita a nuove forme di orbitali in un processo chiamato IBRIDAZIONE
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Situazione iniziale degli orbitali nel C
Orbitale 1S
(non impegnato in legami)
Orbitali 2s 2px 2py 2pz
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Distribuzione degli elettroni su tutti gli orbitali
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Ibridazione di 1 orbitale s e 2 orbitali p
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Formazione di 3 orbitali sp2 e 1 orbitale p
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Disposizione degli orbitali sp2 nel piano a 120° fra loro: è la configurazione migliore
per minimizzare la repulsione degli elettroni
120°
C
L’orbitale p è perpendicolare al piano
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Formazione del doppio legame covalente fra due atomi di carbonio
C C
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Doppio legame
C C
ORBITALE MOLECOLARE σ
ORBITALE MOLECOLARE π
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C
C
C
C
C
C
Formazione del doppio legame
nella grafite.
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C
C
C
C
C
C
Struttura alternativa di
risonanza
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C
C
C
C
C
C
Struttura alternativa di
risonanza
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Le strutture di risonanza sono equivalenti e quindi risulta una totale
delocalizzazione degli elettroni negli orbitali π sopra e sotto un piano
Questo spiega la distanza C-C nella grafite che è intermedia fra un legame semplice
(1,53 Å) e un legame doppio (1,34 Å)
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PERCHÈ LA MATITA LASCIA LA TRACCIA SUL FOGLIO?
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La mina delle matite e’ formata da grafite e argilla mescolati insieme
Una diversa proporzione tra argilla e grafite condiziona la durezza della mina
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I piani di grafite sono debolmente legati fra loro da forze di Van Der Waals.
Infatti la distanza fra i piani di 3,40 Å non è compatibile con la lunghezza di un legame covalente che è di circa la metà
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FORZE DI VAN DER WAALSLe forze di Van der Waals sono forze deboli attrattive che si determinano fra diverse molecole o parti diverse della stessa molecola e sono dovute ad una temporanea disomogeneità di carica.
Si creano cosi zone parzialmente positive e zone parzialmente negative
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Quando si scrive, i piani di grafite, essendo debolmente legati,
scivolano uno rispetto all’altro.
Gli stati inferiori aderiscono al foglio lasciando una traccia scura
La grafite è estremamente
sfaldabile
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PERCHE’ LA MINA DI UNA MATITA SI SPEZZA
FACILMENTE QUANDO VIENE PIEGATA?
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Gli atomi di carbonio sono fortemente legati fra loro con legami covalenti.
Quindi basta una piccola deformazione
per diminuire la sovrapposizione degli
orbitali e rompere i legami.
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PERCHÉ LA GRAFITE È UN BUON CONDUTTORE DI ELETTRICITÀ PUR NON
ESSENDO UN METALLO?
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SOMIGLIANZA CON IL LEGAME METALLICO
Gli elettroni delocalizzati sui piani di grafite provenienti dagli orbitali p sono simili al “mare di
elettroni” osservato nei metalli
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Quindi si ha elevata conduzione lungo i piani
… e bassissima conduzione fra un piano e l’altro
= Elettroni mobili π delocalizzati nel piano
\
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LA GRAFITE COME LUBRIFICANTE SOLIDO
Per rompere un legame C=C sono necessarie circa 150 Kcal /mole che è un’energia abbastanza elevata.
Ne risulta che la grafite ha un altissimo punto di fusione (3500 °C circa) e una bassissima volatilità.
Questo ne permette l’utilizzo come lubrificante di parti meccaniche in movimento soggette a riscaldamento.
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Le superfici metalliche a contatto, anche se
apparentemente lisce, hanno
in realtà delle asperità sulla superficie che provocano attrito
limitando lo scorrimento
![Page 47: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/47.jpg)
Aggiungendo della grafite, sia secca che in aggiunta
a composti grassi,
si diminuisce l’attrito fra le superfici
a causa dello scorrimento dei piani di grafite.
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N NN N
O=O
![Page 49: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/49.jpg)
N N
N N
N N
O=O
O=O
O=O
La funzione lubrificante della grafite è agevolata dalla relativamente lunga distanza (3,4 Å) fra i piani
che permette l’inglobamento di piccole molecole gassose come azoto e ossigeno che aumentano lo
scorrimento fra i piani.
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GRAFITE E DIAMANTE A CONFRONTO
Anche se grafite e diamante hanno la stessa formula, cioè sono costituiti
entrambi da carbonio hanno caratteristiche diverse.
Ciò si verifica perché hanno un diverso sistema cristallino
![Page 51: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/51.jpg)
SISTEMA CRISTALLINO
• GRAFITE• esagonale
• DIAMANTE• Cubico
Grafite e diamante sono un classico esempio di come la disposizione degli atomi all’interno di una struttura si
ripercuote fortemente sulle caratteristiche di un materiale
109°
Ibridazione sp3
Ibridazione sp2
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DIFFUSIONE IN NATURA
• GRAFITE• abbondante
• DIAMANTE• raro
Il diamante si forma solo a temperature e
pressioni elevatissime
Miniera di diamanti
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COLORE – OPACITA’GRAFITE• Grigio scuro opaco
(cristalli)• grigio metallico
(aggregati)• Lucentezza metallica
DIAMANTE• Trasparente / incolore; o
con venature rosate, verdi, giallognole
• Lucentezza adamantina
![Page 54: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/54.jpg)
DUREZZA
GRAFITE•1-1,5 (si scalfisce subito)
•DIAMANTE•10 È la sostanza più dura che esiste in natura
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DENSITA’
• GRAFITE• 2.09–2.23 g/cm³
• DIAMANTE• 3,51 - 3,55 g/cm³
La bassa densità della grafite si spiega con la relativamente grande distanza fra i piani.
La grafite è quindi una forma meno compatta del diamante
109°
Ibridazione sp3
![Page 56: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/56.jpg)
ALTRE FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO
![Page 57: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/57.jpg)
IL GRAFENE
• È il singolo foglio di grafite, spesso solo 0,35 nm
• È in grado di trasportare elettroni a notevole velocità, potrebbe sostituire il silicio nei dispositivi elettronici
• Può essere reso trasparente e si può utilizzare quindi nelle celle solari
1 nm = 10-9 m
![Page 58: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/58.jpg)
I NANOTUBI
• Sono fogli di grafene arrotolati su se stessi a formare tubi del diametro di 1 miliardesimo di metro
![Page 59: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/59.jpg)
I NANOTUBI
• Sono più resistenti dell'acciaio e hanno proprietà elettriche molto speciali.
• Si usano nelle “nanotecnologie” ad esempio come “nanomotori” o “nano-strumenti chirurgici)
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I FULLERENI
• Il fullerene (C60) a differenza del diamante e della grafite è un reticolo “finito”, cioè una molecola vera e propria.
• E simile ad un pallone da calcio formato da esagoni e pentagoni
![Page 61: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/61.jpg)
I FULLERENI
• Per la sua proprietà di essere cavo, all’interno può ospitare piccole molecole e atomi di metalli.
• È utilizzato ad esempio come superconduttore e in medicina per trasportare nelle cellule gli anticorpi e le sostanze radioattive per la cura del cancro
![Page 62: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/62.jpg)
RIFERIMENTISITOGRAFIA / IMMAGINI• flickr.com• math.ucr.edu• www.fossati.com• www.creareonline.it• www.giovannicovini.it• geology.about.com• eng.energoprom.ru• moterma.altervista.org• blogeko.libero.it• www.waybricolage.net• http://morgaan.moranocal.com• www.mpq.mpg.de• www.italianapplications.com/• http://www.stazioneceleste.it/• www.wikipedia.org• www.liceoberchet.it• www.geologIa.com
BIBLIOGRAFIA• B.H.Mahan Chimica, Casa Editrice
Ambrosiana, Milano• Morrison Boyd – Chimica Organica,
CEA• Ternay – Chimica Organica
Contemporanea, CEA • I. Polati - G. Sacco, Chimica, Juvenilia
![Page 63: LA GRAFITE](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062321/568141ff550346895dadde0b/html5/thumbnails/63.jpg)
Hanno partecipato
•Donato Cazzetta, Dory De Donno, Federica Gabrieli, Francesca Gigante, Silvia Mangione, Serena Piccinno, Mauro Romano, Raffaele Ruggero, Matteo Zezza
•Docente: Michelina Occhioni
•A.s. 2008 -2009
Gli alunni della 3A della Scuola Secondaria di primo grado di Palmariggi (Istituto Comprensivo Muro Leccese)