Elementi della Tavola periodica: Carbonio, C (seconda parte)

Rinaldo Cervellati

 

La prima parte di questo post è pubblicata qui.

Produzione

Grafite

Depositi naturali di grafite commercialmente utilizzabili si trovano in molte parti del mondo, ma le fonti economicamente più importanti sono in Cina, India, Brasile e Corea del Nord. I depositi di grafite sono di origine metamorfica, trovati in associazione con quarzo, mica e feldspati in scisti, e arenarie e anche calcare come vene, a volte di un metro o più di spessore.

Esistono tre tipi di grafite naturale: amorfa, in scaglie o in scaglie cristalline e in vena o nodulo. La grafite amorfa è la qualità più bassa e la più abbondante. Contrariamente al linguaggio scientifico, nell’industria “amorfo” si riferisce a dimensioni molto ridotte dei cristalli piuttosto che alla completa mancanza di struttura cristallina. La grafite amorfa è utilizzata per prodotti di basso valore e ha un prezzo contenuto. Grandi depositi di grafite amorfa si trovano in Cina, Europa, Messico e Stati Uniti.

La grafite in scaglie è meno comune e di qualità superiore a quella amorfa; si presenta come placche separate che si sono cristallizzate nella roccia metamorfica. La grafite a scaglie può avere un prezzo quattro volte quello dell’amorfa. Le scaglie di buona qualità possono essere trasformate in grafite espandibile per molti usi, come i ritardanti di fiamma. I depositi più importanti si trovano in Austria, Brasile, Canada, Cina, Germania e Madagascar.

La grafite venata o grumosa è il tipo di grafite naturale più rara, preziosa e di altissima qualità. Si trova nelle vene lungo i contatti intrusivi in ​​grumi solidi, e viene estratta per scopi commerciali solo in Sri Lanka.

In base i dati del Servizio Geologico degli Stati Uniti (USGS), la produzione mondiale di grafite naturale nel 2010 è stata di 1,1 milioni di tonnellate, cui la Cina ha contribuito con 800.000 t, l’India 130.000 t, il Brasile 76.000 t, la Corea del Nord 30.000 t e il Canada 25.000 t.

Diamante

Solo una frazione molto piccola del minerale contenente diamanti è costituita da essi. Il minerale viene frantumato, durante questo processo è necessario prestare attenzione per evitare che i diamanti più grandi vengano distrutti, successivamente le particelle vengono ordinate per densità. I diamanti si trovano nella frazione a densità più alta e vengono identificati con l’aiuto della fluorescenza a raggi X, dopodiché le fasi finali di smistamento vengono eseguite manualmente.

La produzione di diamanti da giacimenti primari (kimberliti e lamproiti) iniziò solo nel 1870 dopo la scoperta di questi minerali in Sud Africa. La produzione è aumentata nel tempo e ora da quella data sono stati estratti 4,5 miliardi di carati (una unità di misura di peso equivalente a 0,2 grammi). Solo negli ultimi 5 anni è stato estratto circa il 20% di tale importo, e negli ultimi dieci anni sono state avviate 9 nuove miniere mentre altre 4 sono in attesa di essere aperte a breve. La maggior parte di queste si trova in Canada, Zimbabwe, Angola e una in Russia.

Figura 11. Produzione mondiale di diamanti nel 2005

Oggi, la maggior parte dei depositi di diamanti commercialmente validi si trova in Russia, Botswana, Australia e Repubblica Democratica del Congo. Nel 2005, la Russia ha prodotto quasi un quinto della produzione mondiale di diamanti, come riportato dal British Geological Survey. Ci sono anche depositi commerciali attivamente usati nei Territori del Nordovest del Canada, in Siberia, in Brasile e nell’Australia settentrionale e occidentale.

Applicazioni

Il carbonio è essenziale per tutti i sistemi viventi conosciuti e senza di esso la vita come la conosciamo non potrebbe esistere. Il principale uso economico del carbonio diverso dal cibo e dal legno è sotto forma di idrocarburi liquidi e gassosi (combustibili fossili) ad esempio il gas metano  e il petrolio greggio. Il petrolio greggio viene distillato nelle raffinerie dall’industria petrolchimica per produrre benzina, cherosene e altri prodotti.

La cellulosa è un polimero naturale contenente carbonio prodotto dalle piante sotto forma di legno, cotone, lino e canapa. La cellulosa è utilizzata principalmente per mantenere la struttura nelle piante. I polimeri di carbonio di origine animale di valore commerciale includono lana, cashmere e seta. Le materie plastiche sono costituite da polimeri di carbonio sintetici, spesso con atomi di ossigeno e azoto inclusi a intervalli regolari nella catena polimerica principale. Le materie prime per molte di queste sostanze sintetiche provengono dal petrolio greggio.

Gli usi del carbonio e dei suoi composti sono estremamente vari. Può formare leghe con il ferro, di cui la più comune è l’acciaio al carbonio. La grafite è combinata con l’argilla per formare la mina utilizzata nelle matite.

Figura 12. Set di mine per matite

È anche usata come lubrificante e pigmento, come materiale di stampaggio nella fabbricazione del vetro, negli elettrodi per batterie a secco, nella galvanica ed elettroformatura, nelle spazzole per motori elettrici e come moderatore di neutroni nei reattori nucleari.

Il carbone di legna viene utilizzato come materiale da disegno in opere d’arte, nei barbecue, nella fusione del ferro e in molte altre applicazioni. Legno, carbone e petrolio sono usati come combustibili per la trasformazione in energia, anche sotto forma di riscaldamento.

I diamanti di qualità gemma vengono utilizzati in gioielleria, mentre quelli industriali sono utilizzati negli strumenti di perforazione, taglio e lucidatura per la lavorazione di pietre e metalli.

La plastica è composta da idrocarburi fossili e la fibra di carbonio, ottenuta dalla pirolisi di fibre sintetiche di poliestere, viene utilizzata per rinforzare la plastica per formare materiali compositi avanzati e leggeri.

La fibra di carbonio è prodotta dalla pirolisi di filamenti estrusi e stirati di poliacrilonitrile (PAN) e altre sostanze organiche. La struttura cristallografica e le proprietà meccaniche della fibra dipendono dal tipo di materiale di partenza e dalla lavorazione successiva. Le fibre di carbonio realizzate con PAN hanno una struttura simile a stretti filamenti di grafite, ma il trattamento termico può riordinare la struttura in un foglio laminato continuo. Il risultato sono fibre con una resistenza alla trazione specifica più elevata rispetto all’acciaio.

Il nero carbone viene utilizzato come pigmento nell’inchiostro da stampa, nella pittura a olio  e nei colori ad acqua, nella carta carbone, nelle finiture automobilistiche, nell’inchiostro di India e nel toner per stampanti laser. Il nerofumo è anche usato come riempitivo in prodotti in gomma come pneumatici e in composti di plastica. Il carbone attivo viene utilizzato come assorbente e adsorbente nel materiale filtrante in applicazioni diverse come maschere antigas, purificazione dell’acqua e cappe aspiranti da cucina e in medicina per assorbire tossine, veleni o gas dal sistema digestivo.

Il carbonio viene utilizzato nella riduzione chimica ad alte temperature. Il coke viene utilizzato per ridurre i minerali di ferro in ferro per fusione.

La tempra dell’acciaio si ottiene riscaldando i componenti in acciaio finiti in polvere di carbonio. I carburi di silicio, tungsteno, boro e titanio sono tra i materiali più duri conosciuti e sono utilizzati come abrasivi negli utensili da taglio e molatura. I composti del carbonio costituiscono la maggior parte dei materiali utilizzati nell’abbigliamento, come i tessuti naturali e sintetici e la pelle, e quasi tutte le superfici interne delle costruzioni , tranne il vetro, la pietra e il metallo.

L’industria dei diamanti si divide in due categorie: una si occupa di diamanti di qualità gemma e l’altra di diamanti di qualità industriale. Sebbene esista un grande commercio di entrambi i tipi di diamanti, i due mercati funzionano in modo notevolmente diverso.

A differenza dei metalli preziosi come l’oro o il platino, i diamanti gemma non sono scambiati come merce: c’è un notevole aumento nella vendita di diamanti e non c’è un mercato molto attivo per la rivendita di diamanti.

I diamanti industriali sono apprezzati principalmente per la loro durezza e conducibilità termica, con qualità gemmologiche di purezza e colore per lo più irrilevanti. I diamanti sintetici, inventati negli anni 50 del secolo scorso, hanno trovato applicazioni industriali quasi immediate; ogni anno sono prodotte 600 tonnellate di diamanti sintetici.

L’uso industriale dominante del diamante è nel taglio, perforazione, molatura e lucidatura. La maggior parte di queste applicazioni non richiede grandi diamanti; infatti, la maggior parte dei diamanti di qualità gemma di piccole dimensioni, possono essere utilizzati a livello industriale. I diamanti sono incorporati nelle punte dei trapani o nelle lame delle seghe, oppure vengono macinati in polvere per l’uso in applicazioni di molatura e lucidatura.

Le applicazioni specializzate includono l’uso nei laboratori come contenimento per esperimenti ad alta pressione (ad es. nelle celle a incudine di diamante), cuscinetti ad alte prestazioni e uso limitato in altre apparecchiature specializzate. Con i continui progressi nella produzione di diamanti sintetici, nuove applicazioni si stanno affacciando all’orizzonte. A suscitare molto interesse è il possibile utilizzo del diamante come semiconduttore adatto per microchip e, a causa delle sue eccezionali proprietà di conduttanza termica, come dissipatore di calore nell’elettronica.

Tossicologia e precauzioni

Il carbonio puro ha una tossicità estremamente bassa per l’uomo e può essere maneggiato in sicurezza sotto forma di grafite o carbone. È resistente alla dissoluzione o all’attacco chimico, anche nel contenuto acido del tubo digerente. Di conseguenza, una volta che entra nei tessuti del corpo è probabile che rimanga lì a tempo indeterminato. Il nerofumo è stato probabilmente uno dei primi pigmenti a essere utilizzati per i tatuaggi, e si è scoperto che Ötzi, l’uomo venuto dal ghiaccio, aveva tatuaggi al carbonio sopravvissuti per 5200 anni dopo la sua morte. 

L’inalazione di polvere di carbone o fuliggine (nerofumo) in grandi quantità può essere pericolosa, irritare i tessuti polmonari e causare la malattia polmonare (pneumoconiosi) dei carbonai.

La polvere di diamante usata come abrasivo può essere nociva se ingerita o inalata.

Le microparticelle di carbonio vengono prodotte nei gas di scarico dei motori diesel e possono accumularsi nei polmoni. In questi esempi, il danno può derivare da contaminanti (ad esempio, sostanze chimiche organiche, metalli pesanti) piuttosto che dal carbonio stesso.

Il carbone può bruciare vigorosamente e brillantemente in presenza di aria ad alte temperature. Grandi accumuli di carbone, che sono rimasti inerti per centinaia di milioni di anni in assenza di ossigeno, possono bruciare spontaneamente se esposti all’aria nelle discariche di rifiuti delle miniere di carbone, nelle stive delle navi e nelle discariche di stoccaggio.

La grande varietà di composti del carbonio include specie chimiche essenziali per la vita come il glucosio e le proteine, ma anche veleni letali come ad esempio la tetrodotossina, la lectina dai semi della pianta dell’olio di ricino, il Ricinus communis, il cianuro (CN⁻) e il monossido di carbonio.

Economia a basso consumo di combustibili fossili.

L’uso eccessivo dei combustibili fossili ha portato a un incremento impressionante di CO₂ e altri gas serra nell’atmosfera contribuendo al fenomeno del riscaldamento globale e conseguente cambiamento climatico.

Un’economia a basso consumo di combustibili fossili (LFFE), o a basse emissioni di carbonio (LCE) o un’economia decarbonizzata, è un’economia basata su fonti di energia a basse emissioni di carbonio che quindi ha una produzione minima di emissioni di gas (GHG) che aumentano l’effetto serra in atmosfera, in particolare l’anidride carbonica [1]. Le emissioni di GHG dovute all’attività antropica (umana) sono la causa principale del riscaldamento globale osservato dalla metà del XX secolo. La continua emissione di gas a effetto serra può causare cambiamenti duraturi in tutto il pianeta, aumentando la probabilità di effetti gravi, pervasivi e irreversibili per le persone e gli ecosistemi.

Il passaggio a un’economia a basse emissioni di gas serra su scala globale potrebbe portare vantaggi sostanziali sia ai paesi sviluppati sia a quelli in via di sviluppo. Molti paesi in tutto il mondo stanno progettando e implementando strategie di sviluppo a basse emissioni. Queste strategie cercano di raggiungere obiettivi di sviluppo sociale, economico e ambientale riducendo le emissioni di gas a effetto serra a lungo termine e aumentando la resilienza agli effetti del cambiamento climatico.

Le economie a basse emissioni di carbonio implementate a livello globale sono quindi proposte per evitare cambiamenti climatici catastrofici e come transizione per arrivare all’economia più avanzata a zero emissioni di carbonio.

L’indice GeGaLo dei guadagni e delle perdite geopolitiche valuta come potrebbe cambiare la posizione geopolitica di 156 paesi se il mondo passasse completamente alle risorse energetiche rinnovabili. Si prevede che gli ex esportatori di combustibili fossili perderanno potere, mentre si prevede un rafforzamento delle posizioni degli ex importatori di combustibili fossili e dei paesi ricchi di risorse energetiche rinnovabili.

Riciclaggio

La Carbon Recycling International (CRI), una società a responsabilità limitata islandese, creata nel 2006, ha sviluppato una tecnologia progettata per produrre metanolo rinnovabile da anidride carbonica e idrogeno, utilizzando l’elettrolisi dell’acqua o, in alternativa, l’idrogeno catturato dai gas di scarico industriali. La produzione di metanolo non dipende dalle risorse agricole, poiché l’idrogeno e l’anidride carbonica sono gli input primari. Il processo di produzione si basa su tre moduli principali, la purificazione dell’anidride carbonica, la generazione di idrogeno e il sistema di sintesi e purificazione del metanolo. Il processo di conversione catalitica da idrogeno e anidride carbonica avviene in una fase, mentre la produzione di metanolo da combustibili fossili, come il gas naturale o il carbone, comporta diverse fasi di reforming per ottenere il gas seguite dalla fase catalitica [2].

A parere di chi scrive, questa iniziativa lodevole non sarà sufficiente a eliminare le emissioni di CO₂ nell’atmosfera, dovuta all’uso eccessivo dei combustibili fossili.

Nel 2011, un gruppo di ricercatori italiani e francesi, ha pubblicato una review sul riciclaggio della CO₂ [3]. Lo scopo è di offrire una panoramica sull’utilizzo chimico della CO₂ (mineralizzazione inorganica, carbossilazione organica, reazioni di riduzione e conversione biochimica) con un focus specifico su progetti/impianti pilota attualmente emergenti a livello (pre) industriale.

Ciclo biogeochimico

Il ciclo biogeochimico del carbonio è uno dei più studiati, qui proponiamo quello tratto dal capitolo 3.2 del volume Environmental Biology a cura di Mattew R. Fisher [4]:

Figura 13. Ciclo biogeochimico del carbonio [4, Cap. 3.2]

Dicono gli autori di questo capitolo del libro:

I composti del carbonio contengono energia e molti di questi composti provenienti da piante morte e alghe si sono fossilizzati nel corso di milioni di anni e sono noti come combustibili fossili. Dal 1800, l’uso dei combustibili fossili è accelerato. Dall’inizio della rivoluzione industriale la domanda per le scorte limitate di combustibili fossili della Terra è aumentata, provocando un drastico aumento della quantità di anidride carbonica nella nostra atmosfera. Questo aumento di anidride carbonica è associato al cambiamento climatico ed è una delle principali preoccupazioni ambientali in tutto il mondo.

Un’altra significativa immagine è la seguente, che illustra la correlazione fra ciclo del carbonio e formazione di composti organici.

Figura 14.  Correlazione fra ciclo del carbonio e composti organici. Credit. CCPL

Nelle piante, l’anidride carbonica formata dalla fissazione del carbonio può unirsi all’acqua nella fotosintesi (in verde) per formare composti organici, che possono essere utilizzati e ulteriormente convertiti sia dalle piante sia dagli animali.

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics 85^th Ed., 4-7,8

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

Bibliografia

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Low-carbon_economy

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_Recycling_International

[3] Elsje A. Quadrelli et al., Carbon Dioxide Recycling: Emerging Large-Scale Technologies with Industrial Potential., ChemSusChem, 2011, 4, 1194 – 1215.

[4] Environmental Biology, Mattew R. Fischer Ed., Open Oregon Educational Resources, 2018, revised version 2019.