Composti inorganici del carbonio: ossidi, carbonati, idrogenocarbonati

I composti inorganici del carbonio, secondo un’antica definizione ancora oggi accettata, sono quei composti contenenti carbonio estratti dai minerali che lo contengono.

Nel 1807 il chimico svedese Berzeluis coniò il termine chimica organica per indicare quella branca della chimica che si interessava di composti contenenti carbonio estratti da organismi viventi e quindi, in contrapposizione i composti contenenti carbonio, estratti dai minerali erano definiti composti inorganici del carbonio. Sebbene nel 1828 il chimico tedesco Wöhler sintetizzò un composto organico ovvero l’urea a partire dalla decomposizione del cianato di ammonio la suddivisione ipotizzata da Berzelius è ancora oggi utilizzata.

Il carbonio si presenta in varie forme allotropiche tra cui il diamante e la grafite . Solo negli ultimi decenni sono state scoperte altre forme allotropiche ovvero fullerene e grafene.

La chimica del carbonio è determinata da tre fattori:

1)      Il carbonio può essere ibridato sp³, sp² e sp e forma legami singoli C-C, legami doppi C=C e legami tripli C≡C

2)      L’elettronegatività del carbonio che vale 2.5 non è sufficientemente alta da formare lo ione C^4- quando si lega con i metalli, e non è sufficientemente bassa da formare lo ione C⁴⁺ quando si lega ad elementi più elettronegativi pertanto il carbonio forma legami covalenti

3)      Il carbonio forma doppi legami con i non metalli come azoto, ossigeno, fosforo e zolfo

Composti

Tra i composti inorganici del carbonio si annoverano i carburi, gli ossidi e i carbonati.

I carburi possono essere classificati sulla base delle loro proprietà e si distinguono in carburi:

• covalenti o molecolari
• ionici o salini
• interstiziali.

Tra i carburi più importanti si annovera il carburo di silicio di tipo covalente, il carburo di calcio che è di tipo ionico e il  carburo di tungsteno che è di tipo interstiziale.

Ossidi

Gli ossidi del carbonio sono il monossido di carbonio CO e il biossido di carbonio CO₂ derivanti rispettivamente dalla combustione incompleta e dalla combustione completa del carbonio. Le reazioni che avvengono, entrambe esotermiche, sono le seguenti:
2 C_(s) + O_2(g)→ 2 CO_(g)

C_(s) + O_2(g)→  CO_2(g)

Il monossido di carbonio può essere ottenuto anche dalla reazione tra carbonio sotto forma di carbone o coke e vapore acqueo:

C_(s) + H₂O_(g)→  CO_(g) + H_2(g)

Il monossido di carbonio è un gas tossico che reagisce con l’emoglobina del sangue per dare la carbossiemoglobina; un’esposizione prolungata al monossido di carbonio provoca inizialmente torpore, successivamente svenimento e poi può portare alla morte.

Esso è un gas incolore, insapore e inodore con una temperatura di ebollizione di – 191.5°C, scarsamente solubile in acqua e solubile in etanolo, cloroformio, acido acetico, acetato di etile, ammoniaca e benzene.

Il monossido di carbonio trova impiego nell’ambito dell’industria chimica come nel caso dell’idroformilazione degli alcheni in presenza di H₂ e CO da cui si ottengono le aldeidi.

Un altro esempio degli usi del monossido di carbonio viene fornito dalla sua reazione con cloro gassoso da cui si ottiene il fosgene:
CO + Cl₂ → COCl₂
Il fosgene trova utilizzo per l’ottenimento di isocianati, policarbonati e poliuretani.

Il biossido di carbonio è un gas incolore, inodore e incombustibile costituito da una molecola lineare apolare.
E’ un gas presente nell’atmosfera ottenuto da processi di combustione, dalla fermentazione dei carboidrati
ed è un sottoprodotto della respirazione.
E’ una sostanza di fondamentale importanza nei processi vitali di animali e piante come la fotosintesi clorofilliana e la respirazione che giocano un ruolo importante nel ciclo del carbonio.

Le piante verdi che sono organismi autotrofi sono in grado infatti di convertire il biossido di carbonio e l’acqua in glucosio e ossigeno:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Nel processo di respirazione in cui viene assunto ossigeno la reazione avviene in senso inverso.

A pressione atmosferica il biossido di carbonio si solubilizza in acqua per dare un equilibrio con l’acido carbonico e la sua solubilità è influenzata della pressione secondo la legge di Henry.

Il biossido di carbonio è usato in ambito industriale ed in particolare per ottenere bibite gassate oltre che come additivo in campo alimentare quale regolatore dell’acidità.

Per la sua caratteristica di essere un gas incombustibile, il biossido di carbonio, viene usato negli estintori. Trova utilizzo allo stato solido quale ghiaccio secco in quanto esso sublima ovvero non passa attraverso lo stato liquido.

Carbonati

Nell’ambito dei composti inorganici del carbonio si annoverano i carbonati ovvero composti contenenti lo ione CO₃^2- legato a cationi metallici.

Tra i carbonati più largamente usati vi è il carbonato di sodio noto come soda che trova largo utilizzo nell’igiene della casa e come sgrassatore ma anche nella fabbricazione di vetro, carta, rayon, saponi e detergenti.

Esso è usato anche come un addolcitore dell’acqua in quanto  il carbonato può precipitare gli ioni di calcio e magnesio presenti nell’acqua dura. Il carbonato di sodio è utilizzato nell’industria chimica per sintetizzare molti composti tra cui bicarbonato di sodio, silicato di sodio, idrossido di sodio, sodio cromato e bicromato alluminato di sodio e cianuro di sodio.

Un altro carbonato molto utilizzato è quello di potassio K₂CO₃ noto come potassa usato nella produzione artigianale del vetro e dei saponi.

Il carbonato di litio Li₂CO₃ è uno dei componenti delle batterie al litio utilizzate per la carica di cellulari e computer portatili. E’ inoltre usato come stabilizzante dell’umore e per la cura di sindromi bipolari.

Il carbonato di calcio CaCO₃ è usato nella fabbricazione della carta e delle materie plastiche oltre che come correttivo dell’acidità del terreno.

Dalla decomposizione termica del carbonato di calcio secondo la reazione:
CaCO₃ → CaO + CO₂

si ottiene l’ossido di calcio noto come calce viva; quest’ultima, per reazione con l’acqua dà la calce spenta ovvero l’idrossido di calcio che viene impiegato in campo edile come componente di malte, stucchi, intonaci e pitture.

Il carbonato di stronzio SrCO₃ è impiegato nei fuochi d’artificio a cui impartisce la colorazione rossa, nell’industria del vetro, nella preparazione di sali di stronzio e nei tubi CRT per televisori.

Quello di nichel NiCO₃ è usato nella sua forma basica nella preparazione dell’ossido e quale catalizzatore nei processi di indurimento dei grassi e per preparare vetri ceramici e colori per ceramica.

Il carbonato di cobalto CoCO₃ è il precursore di smalti ceramici dal tipico colore blu ed è usato:

• quale catalizzatore in campo industriale
• integratore in mangimi per animali
• come precursore dei cobalto carbonili.

Idrogeno carbonati

Oltre ai carbonati vi sono gli idrogeno carbonati noti come bicarbonati ovvero specie in cui è presente lo ione HCO₃^–.

Il bicarbonato più noto è quello di sodio NaHCO₃ utilizzato:

• nei lieviti chimici
•  come antiacido
• nei dentifrici per la sua azione abrasiva e sbiancante
• nella deacidificazione dei fumi industriali derivanti da processi di combustione.