Carbonio

Carbonio

Il carbonio, elemento chimico di numero atomico 6, simbolo C, peso atomico 12,01, si trova in natura sia allo stato libero sia in numerosissimi composti. Era noto fin dall'antichità (già Plinio descrive l'impiego del nerofumo nella preparazione d'inchiostri), ma il merito di averlo riconosciuto come elemento spetta a A.L. Lavoisier. Isotopi naturali del carbonio sono il ¹²C, il ¹³C e il ¹⁴C, i primi due stabili, il terzo radioattivo (si forma nell'atmosfera in conseguenza di reazioni nucleari fra l'azoto atmosferico e componenti dei raggi cosmici). In natura il carbonio si presenta nelle due forme allotropiche di diamante (raro) e grafite, e rappresenta il costituente essenziale di vari tipi di carbone. I composti si dividono in due classi: inorganici e organici.

Il carbonio in natura

Il carbonio è un componente fondamentale della materia vivente, presente sia in forma inorganica (carbonati e bicarbonati) sia, soprattutto, in forma organica. Come tutti gli elementi biogeni, subisce una serie di trasformazioni cicliche e passa continuamente dal mondo minerale a quello degli esseri viventi e viceversa: il suo ciclo, che si compie in natura attraverso gli organismi terrestri e acquatici, è rappresentato in forma schematica nella fig. 1. Nei vegetali la percentuale di carbonio oscilla fra l'11 e il 54%; nei Mammiferi è in media il 22% del peso corporeo; in un uomo di 70 kg sono presenti circa 14 kg di carbonio. Tutto il carbonio degli organismi viventi proviene direttamente o indirettamente da quello dell'anidride carbonica atmosferica, utilizzata dai vegetali verdi (organismi autotrofi), mediante la funzione clorofilliana, per sintetizzare, con l'intervento dell'energia solare (fotosintesi), una serie di composti organici che sono poi impiegati dalle piante stesse e dagli animali (organismi eterotrofi) come materiale plastico da costruzione e per il loro metabolismo. Insieme ai due isotopi stabili, anche quello radioattivo (¹⁴C) viene così a essere presente nella sostanza organica, la quale può essere, perciò, impiegata come materiale per un metodo di datazioni assolute. Si è calcolato che ogni anno circa 80 miliardi di kg di anidride carbonica vengono sottratti all'atmosfera; un ettaro di foresta ne fissa da 2000 a 3000 kg, uno di terreno coltivato da 1400 a 2000 kg. Tuttavia, la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, pari a circa lo 0,03%, si mantiene costante poiché essa viene continuamente restituita all'atmosfera dagli organismi eterotrofi attraverso la respirazione e i processi di decomposizione dei materiali di escrezione e degli organismi morti. Una notevole quantità di anidride carbonica viene immessa nell'atmosfera anche attraverso le combustioni. Tale quantità negli ultimi 100 anni è aumentata di circa il 25% e si stima che nel futuro l'incremento sarà ancora maggiore.

Composti inorganici

I composti inorganici del carbonio comprendono l'ossido e il biossido di carbonio, i derivati dell'acido carbonico (i vari carbonati), i composti con alcuni non-metalli (solfuri, alogenoderivati, composti cianici ecc.) e con metalli (carburi). L'anidride carbonica (o biossido di carbonio, CO₂) e gli idrogenocarbonati rappresentano i composti inorganici del carbonio di maggiore impatto biochimico e fisiologico. È stata già sottolineata la centralità dell'anidride carbonica nel ciclo del carbonio, nel quale vengono messi in connessione tutti i componenti della Terra: materia vivente, rocce, acque e atmosfera. Nell'organismo, l'anidride carbonica rappresenta il prodotto finale dell'ossidazione del carbonio da parte dei tessuti e la sua fonte principale è il metabolismo degli acidi carbossilici, essenzialmente attraverso la decarbossilazione dell'acido piruvico. In parte, la CO₂ viene eliminata con la respirazione, in parte rimane nel sangue e nei liquidi organici, come tale, come acido carbonico e come ione idrogenocarbonato. Nel sangue si trovano 25 mEq/l di ioni idrogenocarbonato e circa 1,25 mEq/l di acido carbonico; tale proporzione costituisce una miscela tampone che mantiene il pH del plasma intorno a 7,4. Se nel sangue vi è un eccesso di idrogenioni (ioni H⁺), questi sono neutralizzati dagli ioni idrogenocarbonati (detti perciò riserva alcalina), e si forma acido carbonico, decomposto successivamente in acqua e anidride carbonica; sia la formazione dell'acido carbonico sia la sua trasformazione in acqua e anidride carbonica vengono catalizzate dall'anidrasi carbonica, un enzima contenente zinco. L'anidride carbonica legata alla biotina (carbossibiotina) media il processo che determina l'avvio del ciclo di Krebs, cioè la carbossilazione dell'acido piruvico ad acido ossalacetico. Un enzima carbossibiotinico riveste un ruolo importante anche nel processo di sintesi degli acidi grassi e degli steroli. Infine, l'anidride carbonica interviene nell'eliminazione dell'azoto attraverso una serie di reazioni che si conclude con la trasformazione in urea.

L'ossido di carbonio (monossido di carbonio, CO) è un composto del carbonio, quasi sempre presente nell'atmosfera dei centri abitati. Si presenta sotto forma di gas incolore e inodore e deriva dalla combustione incompleta di qualsiasi sostanza contenente carbonio. È fortemente tossico e tanto più pericoloso in quanto se ne avverte la presenza solo ai primi sintomi di intossicazione. L'azione tossica si manifesta chiaramente sul sangue: infatti l'emoglobina ha un'affinità per l'ossido di carbonio che è circa 200 volte più grande di quella per l'ossigeno. Soggiornando per un certo tempo in un'atmosfera che contenga anche piccole quantità (una parte su 800) di ossido di carbonio, si va incontro a morte per anossiemia (saturazione dell'emoglobina e conseguente incapacità a legare l'ossigeno). L'avvelenamento acuto si rivela, soprattutto, con disturbi nervosi (cefalea, vertigini, vomito, sonnolenza, paresi, perdita di coscienza, convulsioni) e con necrosi gravi dei gangli della base ed estese demielinizzazioni nel cervello (encefalopatia da CO); sono, inoltre, presenti: ipotensione, glicosuria, dispnea, adinamia cardiaca. L'avvelenamento cronico è facile in soggetti esposti a quotidiane emanazioni di piccole concentrazioni ed è caratterizzato dalla comparsa di astenia, irritabilità, deperimento, cefalee, psicosi e anemia.

Composti organici

I composti organici del carbonio vengono inquadrati nella cosiddetta chimica del carbonio, un tempo definita chimica organica. Comprendono composti con l'idrogeno (idrocarburi), con idrogeno e ossigeno (composti ternari) e con idrogeno, ossigeno e azoto (composti quaternari). Si tratta di oltre un milione di composti, la maggior parte dei quali sono di sintesi, cui ogni anno se ne aggiungono altri 100.000 circa. Il numero straordinariamente elevato dei composti organici è dovuto ad alcune caratteristiche peculiari, che li differenziano da quelli della chimica inorganica. Innanzitutto, sono assai frequenti fenomeni di isomeria, vale a dire composti la cui formula molecolare è uguale ma che presentano diversa formula di struttura. Ogni atomo di carbonio è in grado di legare 4 atomi di elementi monovalenti. Dei 6 elettroni dei quali dispone un atomo di carbonio, 2 sono situati nel livello interno, che in tal modo è completo, i restanti 4 sono esterni e possono accoppiarsi con altri atomi aventi un livello elettronico esterno incompleto, secondo una disposizione a tetraedro regolare (fig. 2). Un'altra caratteristica peculiare di questi composti è rappresentata dalla possibilità che due atomi di carbonio si uniscano fra loro mediante un legame semplice (messa in comune di 2 elettroni, uno per ogni atomo di carbonio: H₃C-CH₃), oppure un legame doppio (messa in comune di 4 elettroni: H₂C=CH₂) o triplo (messa in comune di 6 elettroni HC≡CH). Inoltre, è possibile il concatenarsi di 3 o più atomi di carbonio a formare una catena che, a sua volta, può rimanere aperta o chiudersi ad anello. I composti del carbonio sono pertanto divisibili in composti alifatici, o aciclici, e composti ciclici, questi ultimi ulteriormente classificabili in carbociclici, nei quali l'anello è costituito unicamente da atomi di carbonio, e composti eterociclici il cui anello è formato anche da atomi di altri elementi. Dei composti del carbonio fanno parte molecole di enorme importanza per la vita: vitamine, ormoni, acidi nucleici. Il raffinamento delle tecniche di analisi ha consentito l'isolamento e la definizione della struttura di numerosissime molecole. Le tecniche di sintesi hanno reso possibile lo sviluppo in laboratorio di sostanze anche assai complesse: steroidi, tetracicline ecc. Il progresso di queste conoscenze ha offerto enormi possibilità soprattutto in campo farmacologico dove, alla sintesi di farmaci plasmati sulla chimica delle sostanze che devono sostituire o combattere, si è aggiunto lo sviluppo di complessi molecolari in grado di fungere da succedanei di liquidi biologici (per es. il plasma) o di componenti strutturali di organi artificiali.

Bibliografia

W.H. Brown, Organic chemistry, Fort Worth, Saunders, 1995 (trad. it. Napoli, EdiSES, 1996).

R.T. Morrison, R.N. Boyd, Organic chemistry, Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1992 (trad. it. Milano, CEA, 1997⁶).