“Diamonds are a girl’s best friend” ma non per sempre: la chimica spiega perché

Marilyn Monroe cantava: “Diamonds are a girl’s best friend”, mentre un famoso detto recita “un diamante è per sempre”. Ma non è affatto così, e la chimica ci spiega come mai.

Marilyn Monroe
Nella sua celebre canzone Marilyn afferma che “i diamanti sono i miglior amici di una ragazza”. (Fonte: genius.com)

Marilyn Monroe è stata una delle più grandi attrici della storia ed è tutt’ora un’icona della cultura pop. Sebbene venga spesso ricordata per la sua bellezza, lo stile, le storie d’amore con personaggi importanti e i continui ritardi sul set, in realtà non era affatto così superficiale né ricca ed è stata segnata da una gioventù difficile ed una morte precoce. Il suo personaggio amava i diamanti, ma la vera Marilyn, nome d’arte di Norma Jean, non era così materialista: era molto intelligente, altruista e spesso faceva beneficenza. Forse sapeva che i costosissimi preziosi non durano davvero per sempre, come dice il detto.

Il carbonio, “mattoncino” del diamante

Il diamante è un particolare cristallo costituito esclusivamente da Carbonio, uno degli elementi più abbondanti e soprattutto più “amichevoli” della Terra, dato che è presente in milioni di composti legato sia ad altri atomi di Carbonio che a vari altri elementi come Idrogeno, Ossigeno, Azoto, Zolfo, Cloro, Fluoro e Bromo. In forma pura può essere trovato sotto diverse forme allotropiche:

  • grafite, il materiale che costituisce le matite, uno dei più morbidi secondo la scala Mohs (1-2). È costituita da Carbonio ibridato sp² che forma, tramite legami planari, sottili lamine che si sfaldano facilmente. Tuttavia è un ottimo conduttore elettrico ed ha l’elevatissima temperatura di fusione di 3500°C;
  • diamante, il materiale naturale più duro in assoluto (10 nella scala di Mohs), costituito da C ibridati sp³ che si legano tra loro a tetraedro;
  • fullereni e nanotubi di carbonio, costituiti da anelli a 6 atomi di C (a volte anche a 5 ed 8) che si uniscono a formare strutture sferiche (simili a palloni da calcio) o tubulari;
  • lonsdaleite, formata dall’impatto di meteoriti contenenti grafite che si trasforma in diamante a struttura esagonale a causa di improvvise temperature e pressioni estreme;
  • altre come nanoschiuma di carbonio, nanorod, carbina e carbonio amorfo.
Allotropi carbonio
Struttura di alcuni allotropi del Carbonio (ogni vertice è un atomo di C).  a)diamante b)grafite c)lonsdaleite d-e-f)fullereni g)amorfo h)nanotubo. (Fonte: Wikipedia)

Proprietà del diamante

Il diamante si forma nel corso di milioni di anni dal Carbonio puro sottoposto a pressioni e temperature elevatissime nel mantello terrestre. Si ritiene che la maggior parte dei diamanti riportati in superficie abbiano un’età compresa tra 1 e 3 miliardi di anni. Questi minerali sono i più duri che si possano trovare in natura (10 sulla scala di Mohs), nonché estremamente resistenti ad agenti chimici come acidi e basi. Sono ottimi conduttori termici ma pessimi conduttori elettrici (quindi isolanti), dato che tutti gli elettroni degli atomi di C sono impegnati nei legami. La capacità di condurre elettricità può essere modificata però da impurezze presenti all’interno, che conferiscono le proprietà di un semiconduttore. Nonostante l’elevatissima temperatura di fusione di circa 3550°C (misurata in assenza di ossigeno), il diamante può bruciare o decomporsi in certe condizioni:

  • in atmosfera, brucia intorno ai 1500°C;
  • in presenza di solo ossigeno, brucia a circa 800°C;
  • in polvere fine, brucia facilmente a contatto con una fiamma e si trasforma completamente in CO2;
  • nel vuoto si trasforma spontaneamente in grafite al di sopra dei 1600°C.

Cinetica e termodinamica

La forma allotropica del Carbonio più stabile, in termini di termodinamica e cinetica, è la grafite. Questo significa che la sua energia libera (ΔG°) è pari o inferiore a 0, per cui qualsiasi reazione che porti ad un prodotto con un ΔG° maggiore non avviene spontaneamente ma solo fornendo energia. Il diamante invece ha un’energia libera positiva, per cui in condizioni standard (0°C e 1bar di pressione, cioè quasi 1atm) dovrebbe spontaneamente trasformarsi in un prodotto più stabile, la grafite appunto. Questo però non avviene, o almeno non in un tempo che possiamo osservare, perché il diamante è cineticamente molto stabile, cioè ha dei legami talmente rigidi e forti che non possono spezzarsi e riformarsi facilmente per assumere la struttura della grafite. Quindi, il detto “un diamante è per sempre” è vero solo se consideriamo il tempo dalla nostra prospettiva dato che, tra milioni o miliardi di anni, i diamanti nelle gioiellerie saranno buoni per produrre matite. Inoltre, come abbiamo visto, nel vuoto (pressione nulla o quasi) ad alte temperature questo processo avviene molto rapidamente. Ecco una dimostrazione matematica:

semplificando molto il concetto, l’energia libera è data dalla differenza tra l’entalpia (che misura il “calore” di un sistema) e il prodotto di temperatura ed entropia (che è tanto più grande quanto un sistema è “disordinato”) (equazione 1). Essendo il diamante una struttura altamente ordinata, la sua entropia è molto bassa ed è minore rispetto a quella della grafite. Per il processo di formazione della grafite a partire dal diamante (equazione 2), occorre sottrarre all’energia libera del prodotto quella del reagente. Dato che il ΔG° della grafite è minore di quello del diamante (perché l’entropia è maggiore in quanto più “disordinata” mentre l’entalpia è minore), il risultato è negativo, quindi il processo è spontaneo.

Grafite diamante
Grafite e diamante, due forme allotropiche dello stesso elemento con proprietà diametralmente opposte.

Diamanti sintetici

Secondo la termodinamica non è possibile convertire spontaneamente la grafite in diamante, ed in natura questo fenomeno avviene, molto lentamente, fornendo energia sotto forma di calore. È possibile riprodurre questo processo artificialmente e velocemente sottoponendo la grafite a temperature e pressioni ancora maggiori di quelle naturali: a circa 15000°C e tra le 50000 e 65000 atm, includendosi in un metallo fuso, il Carbonio può formare i giusti legami per creare un diamante. Altre tecniche alternative all’HPHT (High Pressure High Temperature) sono:

  • la deposizione chimica da vapore (CVD) utilizza una miscela di idrocarburi gassosi (molecole costituite da Carbonio e Idrogeno) per depositare e legare insieme atomi di C;
  • la detonazione di esplosivi contenenti carbone produce dei nanodiamanti grazie alla temperatura e alla pressione sviluppati;
  • la cavitazione ultrasonica prevede l’utilizzo di ultrasuoni su grafite in solvente organico a temperatura e pressione ambiente.

I prodotti sintetici sono tuttavia di scarsa qualità rispetto a quelli naturali e possono essere utilizzati solo a scopi industriali.

Diamanti sintetici ottenuti con la tecnica HPHT.

Cristiano Monti

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