ВЪГЛЕРОД В ПРИРОДАТА: МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИЛОЖЕНИЯ - GEOGRAFÍA - 2025

В въглерода в природата може да се намери в диаманти, петрол и графити, наред с много други сценарии. Този химичен елемент заема шестото място в периодичната таблица и е разположен в хоризонталния ред или период 2 и колона 14. Той е неметален и четиривалентен; тоест, той може да установи 4 споделени електроннохимични връзки или ковалентни връзки.

Въглеродът е най-изобилният елемент в земната кора. Това изобилие, уникалното му разнообразие в образуването на органични съединения и изключителната му способност да образува макромолекули или полимери при температури, които обикновено се срещат на Земята, го правят да служи като общ елемент от всички известни форми на живот.

Фигура 1. Въглерод в минералната му форма. Източник: Rdamian1234, от Wikimedia Commons

Въглеродът съществува в природата като химичен елемент, без да се комбинира под формата на графит и диамант. Въпреки това, в по-голямата си част той се комбинира за образуване на въглеродни химични съединения, като калциев карбонат (СаСО ₃) и други съединения в нефт и природен газ.

Той също така образува различни минерали като антрацит, въглища, лигнит и торф. Най-голямото значение на въглерода е, че той представлява така наречения „градивен елемент на живота“ и присъства във всички живи организми.

Къде се намира въглеродът и под каква форма?

Освен че е общият компонент химичен елемент във всички форми на живот, въглеродът в природата присъства в три кристални форми: диамант, графит и фулерен.

Съществуват и няколко аморфни минерални форми на въглища (антрацит, лигнит, въглища, торф), течни форми (маслени сортове) и газообразни (природен газ).

Кристални форми

В кристални форми въглеродните атоми се съединяват, за да образуват подредени шарки с геометрично пространствено разположение.

графит

Това е меко черно твърдо вещество с метален блясък или блясък и устойчиво на топлина (огнеупорно). Кристалната му структура представя въглеродни атоми, съединени в шестоъгълни пръстени, които от своя страна се съединяват, образувайки листове.

Налаганията на графит са рядко срещани и са открити в Китай, Индия, Бразилия, Северна Корея и Канада.

диамант

Той е много твърд твърд, прозрачен за преминаване на светлина и много по-плътен от графита: стойността на плътността на диаманта е почти два пъти по-голяма от тази на графита.

Въглеродните атоми в диаманта са свързани в тетраедрична геометрия. По същия начин диамантът се образува от графит, подложен на условия на много високи температури и налягане (3 000 ^° C и 100 000 atm).

Повечето от диамантите са разположени между 140 и 190 км дълбоко в мантията. Чрез дълбоки вулканични изригвания магмата може да ги транспортира до разстояния, близки до повърхността.

Има диамантени находища в Африка (Намибия, Гана, Демократична република Конго, Сиера Леоне и Южна Африка), Америка (Бразилия, Колумбия, Венецуела, Гвиана, Перу), Океания (Австралия) и Азия (Индия).

Фигура 3. Въглища и диамант. Източник: XAVI999, от Wikimedia Commons.

фулерените

Те са молекулярни форми на въглерод, които образуват струпвания от 60 и 70 въглеродни атома в почти сферични молекули, подобно на футболните топки.

Съществуват и по-малки фулерени с 20 въглеродни атома. Някои форми на фулерени включват въглеродни нанотръби и въглеродни влакна.

Фигура 4. Фулерен. IMeowbot, чрез Wikimedia Commons

Аморфни форми

В аморфни форми въглеродните атоми не се обединяват, съставлявайки подредена и правилна кристална структура. Вместо това те дори съдържат примеси от други елементи.

антрацит

Това е най-старата метаморфна минерална въглища (която идва от модификацията на скалите при въздействие на температура, налягане или химическо действие на флуидите), тъй като образуването й датира от първичната или палеозойската ера, въглеродния период.

Антрацитът е аморфната форма на въглерод с най-високо съдържание на този елемент: между 86 и 95%. Той е сиво-черен на цвят с метален блясък и е тежък и компактен.

Антрацитът обикновено се намира в зоните за геологична деформация и представлява около 1% от световните запаси на въглища.

Географски той се среща в Канада, САЩ, Южна Африка, Франция, Великобритания, Германия, Русия, Китай, Австралия и Колумбия.

Фигура 5. Антрацит, най-старият въглен с най-високо съдържание на въглерод. Educerva, от Wikimedia Commons

въглища

Това е минерални въглища, утаена скала с органичен произход, чието образуване датира от палеозойската и мезозойската епоха. Съдържа съдържание на въглерод между 75 и 85%.

Той е черен на цвят, характеризира се с непрозрачност и матов и мазен вид, тъй като има високо съдържание на битумни вещества. Образува се чрез пресоване на лигнит в епохата на палеозоя, през карбоновия и пермския период.

Това е най-изобилната форма на въглерод на планетата. Има големи находища на въглища в САЩ, Великобритания, Германия, Русия и Китай.

лигнит

Това е минерални изкопаеми въглища, образувани през третичната ера от торф чрез компресия (високо налягане). Той има по-ниско съдържание на въглерод от въглищата, между 70 и 80%.

Това е леко компактен материал, ронлив (характеристика, която го отличава от другите въглеродни минерали), кафяв или черен на цвят. Текстурата му е подобна на тази на дървесината и съдържанието на въглерод е от 60 до 75%.

Това е лесно запалимо гориво, с ниска калоричност и по-ниско съдържание на вода от торфа.

Има важни мини за въглища в Германия, Русия, Чехия, Италия (региони Венето, Тоскана, Умбрия) и Сардиния. В Испания находищата на лигнитни въглища има в Астурия, Андора, Сарагоса и Ла Коруня.

торф

Това е материал от органичен произход, чието образуване идва от четвъртичната епоха, много по-ново от предишните въглища.

Той е с кафеникаво жълт цвят и се появява под формата на гъба с ниска плътност, в която можете да видите растителни останки от мястото, където е възникнал.

За разлика от споменатите по-горе въглища, торфът не идва от процеси на карбонизация на дървесен материал или дървесина, а се формира чрез натрупване на растения - главни треви и мъхове - в блатистите райони чрез процес на карбонизация, който не е завършен., Торфът има високо водно съдържание; поради тази причина той изисква изсушаване и уплътняване преди употреба.

Има ниско съдържание на въглерод (само 55%); следователно той има ниска енергийна стойност. Когато е подложен на горене, неговите пепелни остатъци са в изобилие и той отделя много дим.

Има важни находища на торф в Чили, Аржентина (Тиера дел Фуего), Испания (Еспиноса де Серато, Паленсия), Германия, Дания, Холандия, Русия, Франция.

Фигура 6. Торфен резервоар. Кристиан Фишер, от Wikimedia Commons

Нефт, природен газ и битум

Петролът (от латинското petrae, което означава "камък"; oleum, което означава "масло": "скално масло") е смес от много органични съединения - повечето от тях въглеводороди - произведени при анаеробно бактериално разлагане (при липса на кислород) на органична материя.

Образува се в недра, на големи дълбочини и при специални условия, както физически (високо налягане и температури), така и химически (присъствие на специфични каталитични съединения) в процес, отнел милиони години.

По време на този процес С и Н се освобождават от органичните тъкани и се съединяват, като се рекомбинират отново, за да образуват огромен брой въглеводороди, които се смесват според свойствата си, образувайки природен газ, нефт и битум.

Световните нефтени находища са разположени главно във Венецуела, Саудитска Арабия, Ирак, Иран, Кувейт, Обединените арабски емирства, Русия, Либия, Нигерия и Канада.

Запаси от природен газ има в Русия, Иран, Венецуела, Катар, САЩ, Саудитска Арабия и Обединените арабски емирства, наред с други.

Физични и химични свойства

Сред свойствата на въглерода можем да споменем следното:

Химически символ

° С.

Атомно число

6.

Физическо състояние

Твърди, при нормални условия на налягане и температура (1 атмосфера и 25 ^° C).

цвят

Сив (графит) и прозрачен (диамант).

Атомна маса

12.011 g / mol.

Точка на топене

500 ^° С.

Точка на кипене

827 ^° C.

плътност

2,62 гр / см ³.

разтворимост

Неразтворим във вода, разтворим в ССЦ ₄ тетрахлорметан.

Електронна конфигурация

1s ² 2s ² 2p ².

Брой електрони във външната или валентната обвивка

Четири.

Капацитет на връзката

Четири.

Catenation

Той има способността да образува химични съединения в дълги вериги.

Биогеохимичен цикъл

Въглеродният цикъл е биогеохимичен кръгов процес, чрез който въглеродът може да се обменя между биосферата, атмосферата, хидросферата и литосферата на Земята.

Познаването на този цикличен процес на въглерод на Земята дава възможност за демонстриране на човешкото действие върху този цикъл и неговите последици върху глобалните климатични промени.

Въглеродът може да циркулира между океаните и други водни тела, както и между литосферата, в почвата и недрата, в атмосферата и в биосферата. В атмосферата и хидросферата въглеродът съществува в газообразна форма като CO ₂ (въглероден диоксид).

фотосинтеза

Въглеродът от атмосферата се улавя от наземни и водни произвеждащи организми в екосистеми (фотосинтетични организми).

Фотосинтезата позволява да възникне химическа реакция между CO ₂ и вода, медиирана от слънчевата енергия и хлорофила от растенията, за да се получат въглехидрати или захари. Този процес превръща прости молекули с ниско съдържание на CO ₂, H ₂ O и кислород O ₂, в сложни високоенергийни молекулни форми, които са захари.

Хетеротрофните организми - които не могат да фотосинтезират и са потребители в екосистемите - получават въглерод и енергия, като се хранят с производители и други потребители.

Дишане и разлагане

Дишането и разлагането са биологични процеси, които отделят въглерод в околната среда под формата на CO ₂ или СН ₄ (метан, получен при анаеробно разлагане, тоест при липса на кислород).

Геоложки процеси

Чрез геоложки процеси и като следствие от течение на времето въглеродът от анаеробно разлагане може да се трансформира във изкопаеми горива като нефт, природен газ и въглища. По същия начин въглеродът е част и от други минерали и скали.

Намеса на човешката дейност

Когато човек използва изгарянето на изкопаеми горива за енергия, въглеродът се връща в атмосферата под формата на огромни количества CO _2, които не могат да бъдат асимилирани от естествения биогеохимичен въглероден цикъл.

Този излишък на CO _2, произведен от човешката дейност, се отразява негативно на баланса на въглеродния цикъл и е основната причина за глобалното затопляне.

Фигура 2. Биогеохимичен цикъл на въглерода. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Потребител Кевин Саф от en.wikipedia Производна работа: FischX Превод: Томас Кларк, през Wikimedia Commons

Приложения

Употребата на въглерод и неговите съединения е изключително разнообразна. Най-изявените със следното:

Нефт и природен газ

Основната икономическа употреба на въглерода е представена от използването му като въглеводород от изкопаеми горива, като метан и нефт.

Маслото се дестилира в рафинерии за получаване на множество производни като бензин, дизел, керосин, асфалт, смазочни материали, разтворители и други, които от своя страна се използват в нефтохимическата промишленост, която произвежда суровини за производството на пластмаси, торове, лекарства и бои., сред други.

графит

Графитът се използва в следните действия:

- Използва се при производството на моливи, смесени с глини.

- Той е част от изработването на огнеупорни тухли и тигели, устойчиви на топлина.

- В различни механични устройства като шайби, лагери, бутала и уплътнения.

- Той е отличен твърд лубрикант.

- Поради своята електропроводимост и химическата си инертност, той се използва при производството на електроди, въглерод за електрически двигатели.

- Използва се като модератор в атомните електроцентрали.

диамант

Диамантът има особено изключителни физически свойства, като най-високата степен на твърдост и топлопроводимост, известни до момента.

Тези характеристики позволяват индустриални приложения в инструменти, използвани за направа на разрези и инструменти за полиране поради високата им абразивност.

Оптичните му свойства - като прозрачност и способността да разграждат бялата светлина и пречупването на светлина - й дават много приложения в оптичните инструменти, например при производството на лещи и призми.

Характерният блясък, получен от неговите оптични свойства, също е високо ценен в бижутерската индустрия.

антрацит

Антрацитът се запалва трудно, бавно гори и изисква много кислород. Изгарянето му произвежда малко бледосин пламък и излъчва много топлина.

Преди няколко години антрацитът се използва в термоелектрически инсталации и за отопление в дома. Използването му има предимства като производство на малко пепел или прах, малко дим и бавен процес на горене.

Поради високата си икономическа цена и недостига си, антрацитът е заменен от природен газ в термоелектрическите централи и от електричество в домовете.

въглища

Въглищата се използват като суровина за получаване на:

- Кокс, гориво от доменни пещи в стоманодобивни предприятия.

- Креозот, получен чрез смесване на катран дестилати от въглища и използван като защитен уплътнител за дърво, изложено на елементите.

- Крезол (химически метилфенол), извлечен от въглища и използван като дезинфектант и антисептик, - Други производни като газ, катран или смола и съединения, използвани в производството на парфюми, инсектициди, пластмаси, бои, гуми и пътни настилки, наред с други.

лигнит

Лигнитът представлява гориво със средно качество. Jet, разнообразие от лигнит, се характеризира с това, че е много компактен поради дългия процес на карбонизация и високото налягане, и се използва в бижутата и орнаментите.

торф

Торфът се използва в следните дейности;

- За растеж, подкрепа и транспорт на растителни видове.

- Като органичен компост.

- Като легло за животни в конюшни.

- Като гориво с ниско качество.

Препратки

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). Химия3: Въвеждане на неорганична, органична и физическа химия. Oxford University Press.
2. Деминг, А. (2010). Крал на стихиите? Нанотехнологии. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). Свръхмасленост на графита. Писма за физически преглед. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H. (2003). Материали: Ultrahard поликристален диамант от графит. Nature. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Саватимский, А. (2005). Измервания на точката на топене на графита и свойствата на течния въглерод (преглед за 1963–2003 г.). Въглища. 43 (6): 1115. doi: 10.1016