Carbonio per la biosfera, silicio per la litosfera

Mi son sempre chiesta come mai l'atomo di carbonio, che si trova nel IV gruppo del sistema periodico, sia stato fondamentale per la costruzione delle molecole della biosfera e, al pari, il silicio, sempre nel IV gruppo, lo sia stato per la formazione dei minerali della litosfera. In entrambi i casi si è trattato di un ripetersi di unità.

Liliana Leonetti
30 marzo 2005
La risposta a questa domanda deve necessariamente partire da dati oggettivi, ma non può trascurare anche qualche riflessione più speculativa, perché la conseguenza delle affermazioni scientifiche possa generare un ragionamento, come quello richiesto, sull'origine del mondo vivente e del mondo inanimato. I risultati riguardano, innanzitutto, la posizione di questi elementi nella tavola periodica, ma soprattutto le proprietà che derivano da questo collocamento. Inoltre, nell'esaminare le molecole che da essi possono formarsi, devono essere fatte delle considerazioni termochimiche sulle energie di legame. Infine, possiamo speculare un po' sulla “versatilità” e sulla “flessibilità” che le molecole del mondo vivente devono avere per la loro sopravvivenza e rigenerazione.

Posizione nella tavola periodica Il carbonio e il silicio formano composti di natura spiccatamente covalente. Inoltre, questi elementi hanno una notevole difficoltà a formare ioni semplici. Infatti, nel processo di formazione di ioni, questi elementi dovrebbero o perdere quattro elettroni, formando uno ione positivo con quattro cariche, oppure acquistare quattro elettroni, trasformandosi in uno ione con quattro cariche negative. Nelle molecole (o negli ioni poliatomici) che li contengono, invece, il carbonio e il silicio condividono elettroni di altri atomi, conseguendo in questo modo la configurazione elettronica più stabile.

Energia di legame Può essere anche utile mostrare che l'energia di legame per gli elementi del IV gruppo diminuisce dal valore di 83,1 kcal/mole per il legame C-C, a 42,2 per Si-Si, 37,6 per Ge-Ge e 34,2 per Sn-Sn. Quindi il carbonio presenta una spiccata ragione energetica che favorisce la formazione di molecole con legami C-C. Se poi consideriamo le energie di legame degli elementi carbonio e silicio con ossigeno e idrogeno, notiamo che si passa dal valore di 98,8 kcal/mole a 84,0 per la energia di legame del carbonio rispettivamente con l'idrogeno e l'ossigeno ai valori di 70,4 kcal/mole e 88,2 kcal/mole attribuibile all'energia di legame del silicio rispettivamente con l'idrogeno e l'ossigeno. In altre parole, il carbonio forma legami stabili sia con se stesso che con l'ossigeno, ma in modo particolare con l'idrogeno. Il silicio, invece, forma legami stabili con l'idrogeno e ancor più con l'ossigeno, mentre un po' meno con se stesso.

Energia e probabilità La stabilità energetica di un sistema ne garantisce la probabilità di esistenza. Sulla base esclusiva dei valori di energia sopra riportati dobbiamo concludere che a partire dagli elementi carbonio e silicio è possibile formare un grandissimo numero di molecole stabili. Nel caso del carbonio avremo anche un grandissimo numero di molecole con legami carbonio-carbonio. La versatilità molecolare del carbonio si manifesta anche nella capacità che le molecole a catena hanno di assumere forme spaziali sorprendentemente variabili (isomerie). In natura il carbonio non è in realtà molto abbondante, ma, oltre a essere presente in tutte le molecole delle forme viventi, è presente anche nel mondo inanimato soprattutto come calcare (CaCO3), gas naturale, petrolio e anidride carbonica. Il silicio, invece, costituisce ben il 27,7% della crosta terrestre (l'elemento più abbondante è l'ossigeno con una quota del 49,9%). Questi ultimi dati ci danno una ulteriore informazione sulla probabilità di esistenza di composti basati su silicio e ossigeno che su carbonio, ossigeno e idrogeno. Se la origine delle molecole della vita debba principalmente imputarsi alla loro capacità di formare molecole stabili e alla loro versatilità a trasformarsi è forse eccessivo, ma i dati sopra ci giustificano che le molecole basate sul carbonio hanno proprio queste proprietà. Al contrario, dobbiamo aspettarci che i composti molecolari del silicio più stabili sono certamente meno “flessibili”.

Attilio Cesaro Università di Trieste

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