5. La chimica del carbonio

5 La chimica del carbonio

Analizzando la materia vivente, già dai primi decenni del XIX secolo, si scoprì che essa è composta da sostanze che contengono sempre atomi di carbonio. Inoltre il carbonio si trova allo stato puro sotto forma di diamante o grafite, in certe molecole inorganiche (carbonati), tipiche di alcune rocce e dell’acqua, nell’anidride carbonica dell’atmosfera. Si presenta dunque in natura sotto diverse forme. Gli atomi di carbonio subiscono un ciclo continuo, durante il quale vengono liberati nell’atmosfera o intrappolati nelle molecole dei viventi.

Come fanno gli atomi di carbonio a passare continuamente da una forma all’altra?

Osserva l’illustrazione che rappresenta il ciclo del carbonio.

L’anidride carbonica viene liberata nell’atmosfera attraverso la respirazione degli esseri viventi. Anche i processi di combustione e l’attività vulcanica contribuiscono a liberare anidride carbonica. La maggior parte di questa anidride carbonica viene usata dai vegetali per produrre gli zuccheri, molecole organiche necessarie al loro nutrimento. Attraverso i diversi passaggi della catena alimentare (vegetali, erbivori, carnivori), le sostanze organiche prodotte dai vegetali vengono messe a disposizione degli animali che le trasformano in energia necessaria per svolgere tutte le loro funzioni vitali. Tutti gli organismi, sia animali sia vegetali, liberano il carbonio sotto forma di sostanze organiche presenti nei loro prodotti di rifiuto o nelle loro spoglie. Tali sostanze vengono attaccate dai microrganismi decompositori (batteri, funghi) che, a loro volta, liberano nell’atmosfera anidride carbonica. Inoltre, il carbonio contenuto nei rifiuti organici, accumulati in particolari ambienti privi d’aria, è attaccato da microrganismi che, in tempi molto lunghi, lo trasformano in combustibili fossili come il carbone (13 ) e il petrolio. In tal caso, il carbonio viene restituito all’atmosfera dai processi di combustione effettuati dall’attività umana.

Un eccessivo arricchimento di anidride carbonica nell’atmosfera risulterebbe dannoso per gli esseri viventi, se non provvedessero le piogge a impoverirla; il risultato finale di queste trasformazioni è un quantitativo pressoché costante di carbonio. La branca della chimica che studia i composti del carbonio o composti organici è la chimica organica. Il termine “organica” indica che questi composti provengono da esseri viventi, organismi, e risale alla prima metà del XIX secolo. Nel 1828 un chimico tedesco, Friedrich Wöhler, scoprì che era possibile preparare in laboratorio l’urea, una sostanza organica presente nell’urina dei mammiferi partendo da sostanze inorganiche. Da allora sono stati realizzati in laboratorio o in impianti industriali innumerevoli composti organici, oltre a quelli presenti in natura.

Che cosa ha il carbonio di così speciale da renderlo il costituente fondamentale di tutti i composti organici?

Osserva il modello dell’atomo di carbonio: esso presenta 6 elettroni, di cui 4 nel “guscio” più esterno. Per raggiungere la configurazione stabile può legarsi facilmente con altri atomi di carbonio o di altri elementi come l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto, il fosforo, lo zolfo, formando catene e anelli molecolari anche molto complessi. Forma in tal modo un numero enorme di composti che, partecipando a numerosissime reazioni chimiche, sono in grado di formare un numero veramente elevato di sostanze. I composti del carbonio sono numerosissimi, il loro numero è di gran lunga maggiore del numero dei composti degli altri elementi. Hanno di solito molecole grandi e complesse, alcune contengono migliaia di atomi; possono essere classificati in gruppi dalle caratteristiche chimiche simili. Tra i gruppi più importanti, poiché costituiscono e regolano le funzioni degli organismi, ci sono i carboidrati, i grassi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici. Un altro gruppo è quello degli idrocarburi, che rivestono grande importanza economica e industriale. Sono composti del carbonio anche gli alcoli, gli acidi carbossilici, gli alcaloidi e altri ancora. A tutti questi, di origine naturale, si aggiungono quelli prodotti dall’uomo, le sostanze sintetiche, per gli usi più svariati.