CARBON ÎN NATURĂ: LOCAȚIE, PROPRIETĂȚI ȘI UTILIZĂRI - GEOGRAFIA - 2025

Carbonului în natură pot fi găsite în diamante, petrol și grafitul, printre multe alte scenarii. Acest element chimic ocupă al șaselea loc în tabelul periodic și este situat în rândul orizontal sau în perioada 2 și coloana 14. Este nemetalic și tetravalent; adică poate stabili 4 legături chimice electronice partajate sau legături covalente.

Carbonul este elementul cel mai abundent din scoarța terestră. Această abundență, diversitatea sa unică în formarea compușilor organici și capacitatea sa excepțională de a forma macromolecule sau polimeri la temperaturi frecvent întâlnite pe Pământ, îl fac să servească ca un element comun al tuturor formelor de viață cunoscute.

Figura 1. Carbonul în forma sa minerală. Sursa: Rdamian1234, de la Wikimedia Commons

Carbonul există în natură ca element chimic fără a se combina în formele de grafit și diamant. Cu toate acestea, în cea mai mare parte, este combinat pentru a forma compuși chimici de carbon, cum ar fi carbonatul de calciu (CaCO ₃ ) și alți compuși din petrol și gaze naturale.

De asemenea, formează diverse minerale, cum ar fi antracitul, cărbunele, lignitul și turba. Cea mai mare importanță a carbonului este aceea că constituie așa-numitul „bloc de construcție al vieții” și este prezent în toate organismele vii.

Unde se găsește carbon și sub ce formă?

Pe lângă faptul că este elementul chimic comun în toate formele de viață, carbonul în natură este prezent în trei forme cristaline: diamantul, grafitul și fullerenul.

Există, de asemenea, mai multe forme minerale amorfe de cărbune (antracit, lignit, cărbune, turbă), forme lichide (soiuri de ulei) și gazoase (gaz natural).

Forme cristaline

În formele cristaline, atomii de carbon se unesc pentru a forma modele ordonate cu aranjament spațial geometric.

Grafit

Este un solid negru moale, cu un luciu sau luciu metalic și rezistent la căldură (refractar). Structura sa cristalină prezintă atomi de carbon uniți în inele hexagonale care, la rândul lor, se alătură formând foi.

Depozitele grafite sunt rare și au fost găsite în China, India, Brazilia, Coreea de Nord și Canada.

Diamant

Este un solid foarte dur, transparent la trecerea luminii și mult mai dens decât grafitul: valoarea densității diamantului este aproape dublă decât cea a grafitului.

Atomii de carbon din diamant sunt uniți în geometrie tetraedrică. De asemenea, diamantul este format din grafit supus unor condiții de temperaturi și presiuni foarte ridicate (3.000 ^° C și 100.000 atm).

Majoritatea diamantelor sunt situate între 140 și 190 km adâncime în manta. Prin erupții vulcanice profunde, magma le poate transporta la distanțe apropiate de suprafață.

Există depozite de diamante în Africa (Namibia, Ghana, Republica Democratică Congo, Sierra Leone și Africa de Sud), America (Brazilia, Columbia, Venezuela, Guyana, Peru), Oceania (Australia) și Asia (India).

Figura 3. Cărbune și diamant. Sursa: XAVI999, de la Wikimedia Commons.

fullerene

Sunt forme moleculare de carbon care formează grupuri de 60 și 70 de atomi de carbon în molecule aproape sferice, similare cu mingile de fotbal.

Există, de asemenea, fullerenele mai mici de 20 de atomi de carbon. Unele forme de fullerene includ nanotuburile de carbon și fibrele de carbon.

Figura 4. Fullerene. IMeowbot, prin Wikimedia Commons

Forme amorfe

În formele amorfe, atomii de carbon nu se unesc, constituind o structură cristalină ordonată și regulată. În schimb, ele conțin chiar și impurități din alte elemente.

Antracit

Este cel mai vechi cărbune mineral metamorfic (care provine din modificarea rocilor prin efectele temperaturii, presiunii sau acțiunii chimice a lichidelor), deoarece formarea sa datează din epoca primară sau paleozoică, perioada carboniferă.

Antracitul este forma amorfă de carbon cu cel mai mare conținut al acestui element: între 86 și 95%. Are o culoare gri-negru cu un luciu metalic, și este greu și compact.

Antracitul se găsește în general în zonele de deformare geologică și constituie aproximativ 1% din rezervele de cărbune ale lumii.

Geografic se găsește în Canada, SUA, Africa de Sud, Franța, Marea Britanie, Germania, Rusia, China, Australia și Columbia.

Figura 5. Antracitul, cel mai vechi cărbune cu cel mai mare conținut de carbon. Educerva, de la Wikimedia Commons

Cărbune

Este un cărbune mineral, o rocă sedimentară de origine organică, a cărei formare datează din epocile paleozoice și mezozoice. Are un conținut de carbon cuprins între 75 și 85%.

Are culoarea neagră, caracterizată prin faptul că este opacă și are un aspect mat și gras, deoarece are un conținut ridicat de substanțe bituminoase. Se formează prin compresiunea lignitului în epoca paleozoică, în perioadele carbonifere și permiene.

Este cea mai abundentă formă de carbon de pe planetă. Există depozite mari de cărbune în Statele Unite, Marea Britanie, Germania, Rusia și China.

Lignit

Este un cărbune fosil mineral format în era terțiară din turbă prin compresiune (presiuni mari). Are un conținut de carbon mai mic decât cărbunele, între 70 și 80%.

Este un material ușor compact, crud (caracteristică care îl distinge de alte minerale carbonice), de culoare maro sau negru. Textura sa este similară cu cea a lemnului, iar conținutul său de carbon variază între 60 și 75%.

Este un combustibil ușor de aprins, cu o valoare calorică redusă și un conținut de apă mai mic decât turba.

Există mine importante de lignit în Germania, Rusia, Cehia, Italia (regiunile Veneto, Toscana, Umbria) și Sardinia. În Spania, depozitele de lignit sunt în Asturias, Andorra, Zaragoza și La Coruña.

Turbă

Este un material de origine organică a cărui formare provine din epoca cuaternară, mult mai recentă decât cărbunii precedenți.

Are o culoare galben-maronie și apare sub forma unei mase spongioase cu densitate mică, în care puteți vedea rămășițe vegetale din locul de unde a luat originea.

Spre deosebire de cărbunii menționați mai sus, turba nu provine din procesele de carbonizare a materialului lemnos sau a lemnului, ci s-a format prin acumularea plantelor - în principal ierburi și mușchi - în zone mlăștinoase printr-un proces de carbonizare care nu a fost finalizat. .

Turba are un conținut ridicat de apă; din acest motiv necesită uscare și compactare înainte de utilizare.

Are un conținut scăzut de carbon (doar 55%); prin urmare, are o valoare energetică scăzută. Atunci când este supus unei combustii, reziduurile sale de cenușă sunt abundente și emită mult fum.

Există depozite importante de turbă în Chile, Argentina (Tierra del Fuego), Spania (Espinosa de Cerrato, Palencia), Germania, Danemarca, Olanda, Rusia, Franța.

Figura 6. Rezervorul de turbă. Christian Fischer, de la Wikimedia Commons

Petrol, gaze naturale și bitum

Petrolul (din latina petrae, care înseamnă „piatră”; și oleum, care înseamnă „ulei”: „ulei de rocă”) este un amestec de mulți compuși organici - majoritatea hidrocarburi - produși prin descompunerea anaerobă bacteriană (în absența oxigen) de materie organică.

S-a format în subsol, la adâncimi mari și în condiții speciale atât fizice (presiuni mari și temperaturi) cât și chimice (prezența unor compuși catalizatori specifici) într-un proces care a durat milioane de ani.

În timpul acestui proces, C și H au fost eliberați din țesuturile organice și s-au unit, recombinându-se din nou, pentru a forma un număr imens de hidrocarburi care se amestecă în funcție de proprietățile lor, formând gaz natural, petrol și bitum.

Câmpurile petroliere ale planetei sunt situate în principal în Venezuela, Arabia Saudită, Irak, Iran, Kuweit, Emiratele Arabe Unite, Rusia, Libia, Nigeria și Canada.

Există rezerve de gaze naturale în Rusia, Iran, Venezuela, Qatar, Statele Unite, Arabia Saudită și Emiratele Arabe Unite, printre altele.

Proprietati fizice si chimice

Printre proprietățile carbonului putem menționa următoarele:

Simbol chimic

C.

Numar atomic

6.

Stare fizică

Solid, în condiții normale de presiune și temperatură (1 atmosferă și 25 ^° C).

Culoare

Gri (grafit) și transparent (diamant).

Masă atomică

12,011 g / mol.

Punct de topire

500 ^° C.

Punct de fierbere

827 ^° C.

Densitate

2,62 g / cm ³ .

Solubilitate

Insolubil în apă, solubil în CCl ₄ tetraclorură de carbon .

Configurație electronică

1s ² 2s ² 2p ² .

Numărul de electroni în carcasa exterioară sau valență

Patru.

Capacitate de legătură

Patru.

șir

Are capacitatea de a forma compuși chimici în lanțuri lungi.

Ciclul biogeochimic

Ciclul carbonului este un proces circular biogeochimic prin care carbonul poate fi schimbat între biosfera, atmosfera, hidrosfera și litosfera Pământului.

Cunoașterea acestui proces ciclic de carbon pe Pământ permite demonstrarea acțiunii umane asupra acestui ciclu și consecințele sale asupra schimbărilor climatice globale.

Carbonul poate circula între oceane și alte corpuri de apă, precum și între litosferă, în sol și subsol, în atmosferă și în biosferă. În atmosferă și hidrosferă, carbonul există într-o formă gazoasă sub formă de CO ₂ (dioxid de carbon).

Fotosinteză

Carbonul din atmosferă este capturat de organisme terestre și acvatice producătoare în ecosisteme (organisme fotosintetice).

Fotosinteza permite o reacție chimică între CO ₂ și apă, care mediază energia solară și clorofila din plante, pentru a produce carbohidrați sau zaharuri. Acest proces transformă molecule simple cu conținut energetic scăzut de CO ₂ , H ₂ O și oxigen O ₂ , în forme moleculare de mare energie complexe, care sunt zaharuri.

Organisme heterotrofe - care nu pot fotosinteza și sunt consumatori în ecosisteme - obțin carbon și energie alimentându-se de producători și alți consumatori.

Respirație și descompunere

Respirația și descompunere sunt procese biologice care carbon de eliberare în mediu sub formă de CO ₂ sau CH ₄ (metan produs în descompunerea anaerobă, adică, în absența oxigenului).

Procese geologice

Prin procese geologice și ca urmare a trecerii timpului, carbonul din descompunerea anaerobă poate fi transformat în combustibili fosili, cum ar fi petrolul, gazele naturale și cărbunele. De asemenea, carbonul face parte și din alte minerale și roci.

Interferența activității umane

Atunci când omul folosește arderea combustibililor fosili pentru energie, carbonul se întoarce în atmosferă sub forma unor cantități uriașe de CO ₂ care nu pot fi asimilate de ciclul natural biogeochimic al carbonului.

Acest exces de CO ₂ produs de activitatea umană are un impact negativ asupra echilibrului ciclului carbonului și este cauza principală a încălzirii globale.

Figura 2. Ciclul biogeochimic al carbonului. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Utilizator Kevin Saff pe ro.wikipedia Lucrare derivată: FischX Traducere: Tomás Clarke, prin Wikimedia Commons

Aplicații

Utilizările carbonului și ale compușilor săi sunt extrem de variate. Cele mai proeminente cu următoarele:

Petrol și gaze naturale

Principala utilizare economică a carbonului este reprezentată de utilizarea sa ca hidrocarburi cu combustibili fosili, precum gazul metan și petrolul.

Petrolul este distilat în rafinării pentru a obține derivate multiple precum benzină, motorină, kerosen, asfalt, lubrifianți, solvenți și altele, care la rândul lor sunt utilizate în industria petrochimică care produce materii prime pentru industria plasticelor, îngrășămintelor, drogurilor și vopselelor. , printre altele.

Grafit

Graficul este utilizat în următoarele acțiuni:

- Este utilizat la fabricarea creioanelor, amestecat cu argile.

- Face parte din elaborarea cărămizilor și creuzetelor refractare, rezistente la căldură.

- În diferite dispozitive mecanice, cum ar fi șaibe, rulmenți, pistoane și garnituri.

- Este un lubrifiant solid excelent.

- Datorită conductivității electrice și inerției sale chimice, este utilizat la fabricarea electrozilor, a carbonilor pentru motoare electrice.

- Este folosit ca moderator în centralele nucleare.

Diamant

Diamantul are proprietăți fizice deosebit de excepționale, cum ar fi cel mai înalt grad de duritate și conductivitate termică cunoscute până în prezent.

Aceste caracteristici permit aplicațiilor industriale în scule utilizate pentru a face tăieturi și instrumente pentru lustruire datorită abrazivității lor ridicate.

Proprietățile sale optice - cum ar fi transparența și capacitatea de a stinge lumina albă și a refracta lumina - îi oferă multe aplicații în instrumente optice, cum ar fi în fabricarea lentilelor și prismelor.

Luciul caracteristic derivat din proprietățile sale optice este, de asemenea, foarte apreciat în industria bijuteriilor.

Antracit

Antracitul este greu de aprins, este cu ardere lentă și necesită mult oxigen. Combustia sa produce puțină flacără albastru pal și emite multă căldură.

Cu câțiva ani în urmă, antracitul a fost utilizat în instalațiile termoelectrice și pentru încălzirea casnică. Utilizarea sa are avantaje precum producția de cenușă mică sau praf, fum mic și un proces lent de ardere.

Datorită costului economic ridicat și a deficienței sale, antracitul a fost înlocuit cu gazul natural în instalațiile termoelectrice și cu electricitatea în locuințe.

Cărbune

Cărbunele este folosit ca materie primă pentru a obține:

- Coca, combustibil din furnale din fabricile de oțel.

- Creosot, obținut prin amestecarea distilatelor de gudron din cărbune și utilizat ca sigilant de protecție pentru lemnul expus la elemente.

- Cresol (metilfenol chimic) extras din cărbune și utilizat ca dezinfectant și antiseptic,

- Alți derivați precum gaz, gudron sau pas și compuși folosiți la fabricarea parfumurilor, insecticidelor, materialelor plastice, vopselelor, anvelopelor și pavajelor rutiere, printre altele.

Lignit

Lignitul reprezintă un combustibil de calitate medie. Jet, o varietate de lignit, se caracterizează prin faptul că este foarte compact datorită procesului lung de carbonizare și a presiunilor ridicate și este utilizat în bijuterii și ornamentație.

Turbă

Turba este folosită în următoarele activități;

- Pentru creșterea, susținerea și transportul speciilor de plante.

- Ca compost organic.

- Ca pat de animale în grajd.

- Ca combustibil de calitate scăzută.

Referințe

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. și Price, G. (2017). Chimie3: introducerea chimiei anorganice, organice și fizice. Presa Universitatii Oxford.
2. Deming, A. (2010). Regele elementelor? Nanotehnologia. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. și Zandbergen, H. (2004). Superlubricitatea grafitului. Scrisori de revizuire fizică. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. și Sumiya, H. (2003). Materiale: diamant policristalin ultrahard din grafit. Natură. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Măsurătorile punctului de topire al grafitului și proprietățile carbonului lichid (o revizuire pentru 1963-2003). Cărbune. 43 (6): 1115. doi: 10.1016