KARBON I NATUREN: PLACERING, EGENSKABER OG ANVENDELSER - GEOGRAFIA - 2025

Det carbon i naturen findes i diamanter, olie og grafitter, blandt mange andre scenarier. Dette kemiske element indtager sjettepladsen i den periodiske tabel og er placeret i den vandrette række eller periode 2 og kolonne 14. Det er ikke-metallisk og tetravalent; det vil sige, det kan etablere 4 delte elektroniske kemiske bindinger eller kovalente bindinger.

Carbon er det mest rigelige element i jordskorpen. Denne overflod, dets unikke mangfoldighed i dannelsen af ​​organiske forbindelser og dets ekstraordinære evne til at danne makromolekyler eller polymerer ved temperaturer, der ofte findes på Jorden, gør det til at fungere som et fælles element i alle kendte livsformer.

Figur 1. Kulstof i sin mineralform. Kilde: Rdamian1234, fra Wikimedia Commons

Carbon findes i naturen som et kemisk element uden at kombinere i form af grafit og diamant. Imidlertid kombineres det for det meste til dannelse af kulstofkemiske forbindelser, såsom calciumcarbonat (CaCO ₃) og andre forbindelser i olie og naturgas.

Det danner også forskellige mineraler såsom anthracit, kul, lignit og tørv. Den største betydning af kulstof er, at det udgør den såkaldte ”livets byggesten” og findes i alle levende organismer.

Hvor findes kulstof, og i hvilken form?

Ud over at være det fælles kemiske element i alle former for liv, er kulstof i naturen til stede i tre krystallinske former: diamant, grafit og fulleren.

Der er også adskillige amorfe mineralformer af kul (anthracit, lignit, kul, tørv), flydende former (oliesorter) og gasformig (naturgas).

Krystallinske former

I krystallinske former samles carbonatomer for at danne ordnede mønstre med geometrisk rumlig indretning.

Grafit

Det er en blød sort, solid med en metallisk glans eller glans og varmebestandig (ildfast). Dens krystallinske struktur præsenterer carbonatomer, der er sammenføjet i hexagonale ringe, der igen sammenføjes med dannende lag.

Grafitaflejringer er sjældne og er fundet i Kina, Indien, Brasilien, Nordkorea og Canada.

Diamant

Det er et meget hårdt fast stof, gennemsigtigt for lysets passage og meget tættere end grafit: værdien af ​​diamantens densitet er næsten dobbelt så stor som grafit.

Kulstofatomerne i diamanten er sammenføjet i tetrahedral geometri. På lignende måde dannes diamant af grafit underkastet betingelser med meget høje temperaturer og tryk (3.000 ^° C og 100.000 atm).

De fleste af diamanter er placeret mellem 140 og 190 km dybt i mantlen. Gennem dybe vulkanudbrud kan magma transportere dem til afstande tæt på overfladen.

Der er diamantforekomster i Afrika (Namibia, Ghana, Den Demokratiske Republik Congo, Sierra Leone og Sydafrika), Amerika (Brasilien, Colombia, Venezuela, Guyana, Peru), Oceanien (Australien) og Asien (Indien).

Figur 3. Kul og diamant. Kilde: XAVI999, fra Wikimedia Commons.

fullerener

Det er molekylære former for kulstof, der danner klynger på 60 og 70 carbonatomer i næsten sfæriske molekyler, svarende til fodboldkugler.

Der er også mindre fullerener med 20 carbonatomer. Nogle former for fullerener inkluderer carbonananorør og carbonfibre.

Figur 4. Fulleren. IMeowbot, via Wikimedia Commons

Amorfe former

I amorfe former forenes carbonatomer ikke og udgør en ordnet og regelmæssig krystallinsk struktur. I stedet indeholder de endda urenheder fra andre elementer.

Anthracite

Det er den ældste metamorfe mineralkul (som kommer fra ændring af klipper ved effekter af temperatur, tryk eller kemisk virkning af væsker), da dens dannelse stammer fra den primære eller paleozoiske æra, den kulstofholdige periode.

Antracit er den amorfe form for kulstof med det højeste indhold af dette element: mellem 86 og 95%. Den er grå-sort i farve med en metallisk glans, og den er tung og kompakt.

Antracit findes generelt i geologiske deformationszoner og udgør ca. 1% af verdens kulreserver.

Geografisk findes det i Canada, USA, Sydafrika, Frankrig, Storbritannien, Tyskland, Rusland, Kina, Australien og Colombia.

Figur 5. Antracit, det ældste kul med det højeste kulstofindhold. Educerva, fra Wikimedia Commons

Kul

Det er et mineralsk kul, en sedimentær klippe af organisk oprindelse, hvis dannelse stammer fra epokerne fra Paleozoic og Mesozoic. Det har et carbonindhold på mellem 75 og 85%.

Den er sort i farve, kendetegnet ved at være uigennemsigtig og have en mat og fedtet udseende, da den har et højt indhold af bituminøse stoffer. Det dannes ved komprimering af brunkul i den Paleozoic-æra, i den kulstofholdige og permiske periode.

Det er den mest rigelige form for kulstof på planeten. Der er store kulaflejringer i USA, Storbritannien, Tyskland, Rusland og Kina.

brunkul

Det er et fossilt mineralsk kul dannet i den tertiære æra fra tørv ved kompression (højt tryk). Det har et lavere kulstofindhold end kul, mellem 70 og 80%.

Det er et let kompakt materiale, smuldret (en egenskab, der adskiller det fra andre kulstofmineraler), brun eller sort i farve. Teksturen ligner den af ​​træ, og dens kulstofindhold varierer fra 60 til 75%.

Det er et let at antænde brændstof med en lav brændværdi og et lavere vandindhold end tørv.

Der er vigtige lignitminer i Tyskland, Rusland, Den Tjekkiske Republik, Italien (Veneto, Toscana, Umbrien-regionerne) og Sardinien. I Spanien er lignitforekomsterne i Asturias, Andorra, Zaragoza og La Coruña.

Tørv

Det er et materiale af organisk oprindelse, hvis dannelse kommer fra den kvartære æra, meget nyere end tidligere kul.

Det er brunligt gult i farve og vises i form af en svampemasse med lav densitet, hvor du kan se planterester fra det sted, hvor det stammer fra.

I modsætning til de ovennævnte kul, kommer tørv ikke fra carboniseringsprocesser af træmateriale eller træ, men er dannet ved ophobning af planter - hovedsageligt græs og moser - i sumpede områder gennem en carboniseringsproces, der ikke er afsluttet..

Torv har et højt vandindhold; af denne grund kræver det tørring og komprimering inden brug.

Det har et lavt kulstofindhold (kun 55%); derfor har den en lav energiverdi. Når det udsættes for forbrænding, er det askerester rigeligt, og det udsender en masse røg.

Der er vigtige tørveaflejringer i Chile, Argentina (Tierra del Fuego), Spanien (Espinosa de Cerrato, Palencia), Tyskland, Danmark, Holland, Rusland, Frankrig.

Figur 6. Torvbeholder. Christian Fischer, fra Wikimedia Commons

Olie, naturgas og bitumen

Petroleum (fra den latinske petrae, der betyder "sten"; og oleum, der betyder "olie": "stenolie") er en blanding af mange organiske forbindelser - de fleste af dem kulbrinter - produceret ved anaerob bakteriel nedbrydning (i fravær af ilt) af organisk stof.

Det blev dannet i undergrunden, på store dybder og under særlige forhold både fysiske (høje tryk og temperaturer) og kemiske (tilstedeværelse af specifikke katalysatorforbindelser) i en proces, der tog millioner af år.

Under denne proces blev C og H frigivet fra det organiske væv og sammenføjet, rekombination igen, for at danne et enormt antal carbonhydrider, der blandes i henhold til deres egenskaber og danner naturgas, olie og bitumen.

Verdens oliefelter er hovedsageligt beliggende i Venezuela, Saudi-Arabien, Irak, Iran, Kuwait, De Forenede Arabiske Emirater, Rusland, Libyen, Nigeria og Canada.

Der er naturgasreserver i Rusland, Iran, Venezuela, Qatar, USA, Saudi-Arabien og De Forenede Arabiske Emirater, blandt andre.

Fysiske og kemiske egenskaber

Blandt egenskaberne ved kulstof kan vi nævne følgende:

Kemisk symbol

C.

Atom nummer

6.

Fysisk tilstand

Fast under normalt tryk og temperaturforhold (1 atmosfære og 25 ^° C).

Farve

Grå (grafit) og gennemsigtig (diamant).

Atomisk masse

12,011 g / mol.

Smeltepunkt

500 ^° C

Kogepunkt

827 ^° C

Massefylde

2,62 g / cm ³.

Opløselighed

Uopløselig i vand, opløselig i CCI ₄ carbon tetrachlorid.

Elektronisk konfiguration

1s ² 2s ² 2p ².

Antal elektroner i ydersiden eller valensskallen

Fire.

Forbindelseskapacitet

Fire.

kædedannelsen

Det har evnen til at danne kemiske forbindelser i lange kæder.

Biogeokemisk cyklus

Kulstofcyklussen er en biogeokemisk cirkulær proces, gennem hvilken carbon kan udveksles mellem Jordens biosfære, atmosfære, hydrosfære og lithosfære.

Kendskabet til denne cykliske proces med kulstof på Jorden gør det muligt at demonstrere menneskelig handling på denne cyklus og dens konsekvenser for globale klimaforandringer.

Kulstof kan cirkulere mellem verdenshavene og andre vandmasser samt mellem litosfæren, i jord og undergrund, i atmosfæren og i biosfæren. I atmosfæren og hydrosfæren findes kulstof i gasform som CO ₂ (kuldioxid).

Fotosyntese

Kulstof fra atmosfæren opsamles af jordbaserede og akvatiske producerende organismer i økosystemer (fotosyntetiske organismer).

Fotosyntesen tillader en kemisk reaktion mellem CO ₂ og vand at forekomme, formidlet af solenergi og klorofyll fra planter, for at producere kulhydrater eller sukkerarter. Denne proces omdanner simple molekyler med lavt indhold af CO energi ₂, H ₂ O og oxygen O ₂, i komplekse højenergi-molekylære former, som er sukker.

Heterotrofiske organismer - som ikke kan fotosyntes og er forbrugere i økosystemer - får kul og energi ved at fodre med producenter og andre forbrugere.

Respiration og nedbrydning

Respiration og nedbrydning er biologiske processer, der frigivelse carbon i miljøet i form af CO ₂ eller CH ₄ (metan produceret i anaerob nedbrydning, det er, i fravær af oxygen).

Geologiske processer

Gennem geologiske processer og som en konsekvens af tidens gang kan kulstof fra anaerob nedbrydning omdannes til fossile brændstoffer som olie, naturgas og kul. Ligeledes er kulstof også en del af andre mineraler og klipper.

Interaktiv menneskelig aktivitet

Når mennesket bruger forbrænding af fossile brændstoffer til energi, vender kulstof tilbage til atmosfæren i form af enorme mængder CO _2, som ikke kan assimileres af den naturlige biogeokemiske kulstofcyklus.

Dette overskydende CO _{2, der er} produceret af menneskelig aktivitet, påvirker balancen i kulstofcyklussen negativt og er den vigtigste årsag til den globale opvarmning.

Figur 2. Biogeokemisk cyklus af kulstof. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Bruger Kevin Saff på en.wikipedia Afledt arbejde: FischX Oversættelse: Tomás Clarke, via Wikimedia Commons

Applikationer

Brugen af ​​kulstof og dens forbindelser er ekstremt forskellige. Den mest fremtrædende med følgende:

Olie og naturgas

Den vigtigste økonomiske anvendelse af kulstof repræsenteres af dens anvendelse som fossilt brændstofcarbonhydrid, såsom metangas og olie.

Olie destilleres i raffinaderier for at få flere derivater, såsom benzin, diesel, parafin, asfalt, smøremidler, opløsningsmidler og andre, som igen bruges i den petrokemiske industri, der producerer råmaterialer til plastik, gødning, stoffer og maling., blandt andet.

Grafit

Grafit bruges i følgende handlinger:

- Det bruges til fremstilling af blyanter blandet med ler.

- Det er en del af udarbejdelsen af ​​ildfaste mursten og digler, der er modstandsdygtige over for varme.

- I forskellige mekaniske apparater, såsom skiver, lejer, stempler og tætninger.

- Det er et fremragende solidt smøremiddel.

- På grund af dets elektriske ledningsevne og dets kemiske inertitet bruges det til fremstilling af elektroder, kulhydrater til elektriske motorer.

- Det bruges som moderator i atomkraftværker.

Diamant

Diamond har særligt ekstraordinære fysiske egenskaber, såsom den højeste grad af hårdhed og termisk ledningsevne, der er kendt indtil videre.

Disse egenskaber tillader industrielle applikationer i værktøjer, der bruges til at fremstille udskæringer og instrumenter til polering på grund af deres høje slibevirkning.

Dets optiske egenskaber - såsom gennemsigtighed og evnen til at nedbryde hvidt lys og brydning af lys - giver det mange anvendelser i optiske instrumenter, såsom til fremstilling af linser og prismer.

Den karakteristiske glans, der stammer fra dens optiske egenskaber, er også meget værdsat i smykkebranchen.

Anthracite

Antracit er vanskeligt at antænde, det brænder langsomt og kræver meget ilt. Dens forbrænding producerer lidt lyseblå flamme og udsender meget varme.

For nogle år siden blev antrasit brugt i termoelektriske anlæg og til husholdningsopvarmning. Dets anvendelse har fordele såsom produktion af lidt aske eller støv, lidt røg og en langsom forbrændingsproces.

På grund af de høje økonomiske omkostninger og dens mangel er antracit erstattet af naturgas i termoelektriske anlæg og med elektricitet i hjemmet.

Kul

Kul bruges som råmateriale til opnåelse af:

- Koks, brændstof fra højovne i stålfabrikker.

- Kreosot, opnået ved blanding af destillaterne af tjæren fra kul og brugt som et beskyttende fugemasse til træ, der udsættes for elementerne.

- Cresol (kemisk methylphenol) ekstraheret fra kul og brugt som desinfektionsmiddel og antiseptisk middel

- Andre derivater, såsom gas, tjære eller bek, og forbindelser, der anvendes til fremstilling af parfume, insekticider, plast, maling, dæk og vejbelægninger, blandt andre.

brunkul

Lignit repræsenterer et brændstof i middel kvalitet. Jet, en række lignit, er kendetegnet ved at være meget kompakt på grund af den lange karboniseringsproces og høje tryk og bruges til smykker og ornamentik.

Tørv

Torv bruges til følgende aktiviteter;

- Til vækst, støtte og transport af plantearter.

- Som organisk kompost.

- Som en dyre seng i stalde.

- Som en lav kvalitet brændstof.

Referencer

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). Kemi3: Introduktion af uorganisk, organisk og fysisk kemi. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Kongen af ​​elementerne? Nanoteknologi. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. og Zandbergen, H. (2004). Overflødighed af grafit. Fysiske gennemgangsbreve. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. og Sumiya, H. (2003). Materialer: Ultrahard polykrystallinsk diamant fra grafit. Natur. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Målinger af smeltepunktet for grafit og egenskaber ved flydende kulstof (en gennemgang for 1963–2003). Kul. 43 (6): 1115. doi: 10.1016