ВУГЛЕЦЬ У ПРИРОДІ: РОЗТАШУВАННЯ, ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАННЯ - GEOGRAFÍA - 2025

Вуглець в природі можна знайти в алмазах, нафта і графіту, серед багатьох інших сценаріїв. Цей хімічний елемент займає шосте місце в періодичній таблиці і розташовується в горизонтальному ряду або періоді 2 та стовпці 14. Він неметалічний та чотиривалентний; тобто він може встановити 4 спільних електронно-хімічних зв’язки або ковалентні зв’язки.

Вуглець - найпоширеніший елемент земної кори. Це достаток, його унікальне різноманіття при утворенні органічних сполук та його виняткова здатність утворювати макромолекули або полімери при температурах, які зазвичай зустрічаються на Землі, змушують його слугувати спільним елементом усіх відомих життєвих форм.

Малюнок 1. Вуглець у його мінеральній формі. Джерело: Rdamian1234, з Wikimedia Commons

Вуглець існує в природі як хімічний елемент без поєднання у вигляді графіту та алмазу. Однак здебільшого він поєднується з утворенням хімічних сполук вуглецю, таких як карбонат кальцію (CaCO ₃ ) та інші сполуки в нафті та природному газі.

Він також утворює різні мінерали, такі як антрацит, вугілля, лігніт і торф. Найбільше значення вуглецю полягає в тому, що він становить так званий «будівельний блок життя» і присутній у всіх живих організмах.

Де знаходиться вуглець і в якій формі?

Окрім того, що є загальним компонентом хімічного елемента у всіх життєвих формах, вуглець у природі присутній у трьох кристалічних формах: алмазі, графіті та фулерені.

Існує також кілька аморфних мінеральних форм вугілля (антрацит, лігніт, вугілля, торф), рідких форм (сорти нафти) та газоподібних (природний газ).

Кристалічні форми

У кристалічних формах атоми вуглецю приєднуються до утворення упорядкованих візерунків з геометричним просторовим розташуванням.

Графіт

Це м'яке чорне тверде тіло з металевим блиском або блиском і термостійке (вогнетривке). Його кристалічна структура являє собою атоми вуглецю, з'єднані в шестикутні кільця, які, в свою чергу, з'єднуються, утворюючи листи.

Родовища графіту зустрічаються рідко і зустрічаються в Китаї, Індії, Бразилії, Північній Кореї та Канаді.

Алмаз

Це дуже твердий твердий матеріал, прозорий для проходження світла і набагато щільніше, ніж графіт: значення щільності алмазу майже вдвічі більше, ніж у графіту.

Атоми вуглецю в алмазі з'єднані між собою в тетраедричній геометрії. Так само алмаз утворюється з графіту, що піддається умовам дуже високих температур і тиску (3 000 ^° С і 100 000 атм).

Більшість алмазів розміщені в мантії глибиною від 140 до 190 км. Через глибокі виверження вулканів магма може транспортувати їх на відстані, близькі до поверхні.

Є родовища алмазів у Африці (Намібія, Гана, Демократична Республіка Конго, Сьєрра-Леоне та Південна Африка), Америці (Бразилія, Колумбія, Венесуела, Гайана, Перу), Океанії (Австралія) та Азії (Індія).

Малюнок 3. Вугілля та алмаз. Джерело: XAVI999, з Wikimedia Commons.

Фуллерени

Вони являють собою молекулярні форми вуглецю, які утворюють скупчення з 60 і 70 атомів вуглецю в майже сферичних молекулах, схожих на футбольні м'ячі.

Існують також менші фулерени з 20 атомами вуглецю. Деякі форми фулеренів включають вуглецеві нанотрубки та вуглецеві волокна.

Малюнок 4. Фуллерен. IMeowbot, через Wikimedia Commons

Аморфні форми

В аморфних формах атоми вуглецю не об'єднуються, утворюючи впорядковану і правильну кристалічну структуру. Натомість вони навіть містять домішки інших елементів.

Антрацит

Це найдавніший метаморфічний мінеральний вугілля (яке походить від модифікації гірських порід впливом температури, тиску чи хімічної дії рідин), оскільки його утворення датується первинною або палеозойською епохою, періодом карбону.

Антрацит - це аморфна форма вуглецю з найвищим вмістом цього елемента: від 86 до 95%. Він сіро-чорного кольору з металевим блиском, а також важкий і компактний.

Антрацит зазвичай знаходиться в зонах геологічної деформації і становить близько 1% світових запасів вугілля.

Географічно він зустрічається в Канаді, США, Південній Африці, Франції, Великобританії, Німеччині, Росії, Китаї, Австралії та Колумбії.

Малюнок 5. Антрацит, найдавніше вугілля з найвищим вмістом вуглецю. Educerva, з Вікісховища

Вугілля

Це мінеральне вугілля, осадова гірська порода органічного походження, утворення якої датується епохою палеозою та мезозою. Вміст вуглецю становить від 75 до 85%.

Він чорного кольору, відрізняється непрозорістю та матовим та жирним виглядом, оскільки має високий вміст бітумінозних речовин. Він утворюється стисненням лігніту в епоху палеозою, у карбоні та пермі.

Це найпоширеніша форма вуглецю на планеті. Є великі родовища вугілля в США, Великобританії, Німеччині, Росії та Китаї.

Лігніт

Це мінеральне викопне вугілля, що утворюється в третинну еру з торфу шляхом стиснення (високий тиск). Він має нижчий вміст вуглецю, ніж вугілля, між 70 і 80%.

Це трохи компактний матеріал, розсипчастий (характеристика, що відрізняє його від інших вуглецевих мінералів), коричневого або чорного кольору. Його текстура схожа на деревину, а вміст вуглецю становить від 60 до 75%.

Це паливо, що легко запалюється, з низькою калорійністю та меншим вмістом води, ніж торф.

Є важливі шахти буровугілля в Німеччині, Росії, Чехії, Італії (регіони Венето, Тоскана, Умбрія) та Сардинії. В Іспанії родовища лігніту є в Астурії, Андоррі, Сарагосі та Ла-Коруньї.

Торф

Це матеріал органічного походження, формування якого походить з четвертинної епохи, набагато пізнішого, ніж попередні вугілля.

Він буро-жовтого кольору і з’являється у вигляді губчастої маси низької щільності, в якій можна побачити рослинні рештки з того місця, де воно виникло.

На відміну від вугілля, зазначеного вище, торф не походить від процесів карбонізації деревного матеріалу або деревини, а утворюється шляхом накопичення рослин - головних трав та мохів - у заболочених районах шляхом не завершеного процесу карбонізації. .

Торф має високий вміст води; з цієї причини він вимагає висушування та ущільнення перед використанням.

Має низький вміст вуглецю (лише 55%); тому він має низьку енергетичну цінність. Піддаючись горінню, його зольний залишок рясний, і він виділяє багато диму.

Є важливі родовища торфу в Чилі, Аргентині (Тірра-дель-Фуего), Іспанії (Еспіноса-де-Серрато, Паленсія), Німеччині, Данії, Голландії, Росії, Франції.

Рисунок 6. Торфовий водосховище. Крістіан Фішер, з Вікісховища

Нафта, природний газ та бітум

Нафта (від лат. Petrae, що означає "камінь"; oleum, що означає "нафта": "кам'яна нафта") - це суміш багатьох органічних сполук - більшості з них вуглеводнів -, що утворюються при анаеробному розкладі бактерій (за відсутності кисень) органічної речовини.

Він утворювався в надрах, на великих глибинах і в особливих умовах як фізичних (високий тиск і температури), так і хімічних (наявність специфічних сполук каталізатора) в процесі, який зайняв мільйони років.

Під час цього процесу C і H вивільнялися з органічних тканин і з'єднувалися, знову рекомбінуючись, утворюючи величезну кількість вуглеводнів, які змішуються за своїми властивостями, утворюючи природний газ, нафту та бітум.

Світові нафтові родовища розташовані переважно у Венесуелі, Саудівській Аравії, Іраку, Ірані, Кувейте, Об’єднаних Арабських Еміратах, Росії, Лівії, Нігерії та Канаді.

Запаси природного газу є в Росії, Ірані, Венесуелі, Катарі, США, Саудівській Аравії та Об'єднаних Арабських Еміратах.

Фізичні та хімічні властивості

Серед властивостей вуглецю можна відзначити наступні:

Хімічний символ

C.

Атомне число

6.

Фізичний стан

Твердий, при нормальних умовах тиску та температури (1 атмосфера та 25 ^° C).

Колір

Сірий (графіт) і прозорий (ромб).

Атомна маса

12,011 г / моль.

Точка плавлення

500 ^° С.

Точка кипіння

827 ^° С.

Щільність

2,62 г / см ³ .

Розчинність

Нерозчинний у воді, розчинний у тетрахлориді вуглецю CCl ₄ .

Електронна конфігурація

1s ² 2s ² 2p ² .

Кількість електронів у зовнішній або валентній оболонці

Четверо.

Ємність зв'язку

Четверо.

Катенація

Він має здатність утворювати хімічні сполуки в довгих ланцюгах.

Біогеохімічний цикл

Цикл вуглецю - це біогеохімічний круговий процес, за допомогою якого вуглець може обмінюватися між біосферою Землі, атмосферою, гідросферою та літосферою.

Знання цього циклічного процесу вуглецю на Землі дозволяє продемонструвати дії людини на цей цикл та його наслідки на глобальні зміни клімату.

Вуглець може циркулювати між океанами та іншими водоймами, а також між літосферою, у ґрунті та надрах, в атмосфері та біосфері. В атмосфері та гідросфері вуглець існує в газоподібному вигляді, як CO ₂ (вуглекислий газ).

Фотосинтез

Вуглець з атмосфери захоплюється наземними та водними організмами, що виробляють в екосистемах (фотосинтетичні організми).

Фотосинтез дозволяє проходити хімічну реакцію між СО ₂ та водою, опосередковану сонячною енергією та хлорофілом рослин, утворювати вуглеводи або цукри. Цей процес перетворює прості молекули з низьким вмістом енергії CO ₂ , H ₂ O і кисню O ₂ , у складні високоенергетичні молекулярні форми, які є цукрами.

Гетеротрофні організми - які не можуть фотосинтезувати і є споживачами в екосистемах - отримують вуглець та енергію, харчуючись виробниками та іншими споживачами.

Дихання та розкладання

Дихання та розкладання - це біологічні процеси, які виділяють вуглець у навколишнє середовище у вигляді CO ₂ або CH ₄ (метан, що утворюється при анаеробному розкладі; тобто за відсутності кисню).

Геологічні процеси

Через геологічні процеси і як наслідок протікання часу вуглець від анаеробного розкладання може перетворюватися на викопні види палива, такі як нафта, природний газ та вугілля. Так само вуглець є частиною інших мінералів і гірських порід.

Втручання в діяльність людини

Коли людина використовує спалювання викопного палива для отримання енергії, вуглець повертається в атмосферу у вигляді величезних кількостей CO _2, які не можуть бути засвоєні природним біогеохімічним циклом вуглецю.

Цей надлишок CO _{2, що} утворюється в результаті діяльності людини, негативно впливає на баланс вуглецевого циклу і є основною причиною глобального потепління.

Малюнок 2. Біогеохімічний цикл вуглецю. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Користувач Кевін Сафф на en.wikipedia Похідна робота: FischX Переклад: Томас Кларк, через Wikimedia Commons

Програми

Використання вуглецю та його сполук надзвичайно різноманітні. Найвизначніші з наступного:

Нафта та природний газ

Основне економічне використання вуглецю представлено його використанням як вуглеводневого викопного палива, такого як газ метану та нафта.

Нафта переганяється на нафтопереробних заводах для отримання декількох похідних, таких як бензин, дизель, гас, асфальт, мастила, розчинники та інші, які, в свою чергу, використовуються в нафтохімічній промисловості, яка виробляє сировину для пластмас, добрив, лікарських засобів і фарб. , серед іншого.

Графіт

Графіт використовується в наступних діях:

- Він використовується при виготовленні олівців, змішаних з глинами.

- Це частина вироблення вогнетривкої цегли та тиглі, стійких до спеки.

- у різних механічних пристроях, таких як шайби, підшипники, поршні та ущільнювачі.

- Це відмінна тверда мастило.

- Через свою електропровідність та хімічну інертність застосовують у виробництві електродів, вуглецю для електродвигунів.

- Він використовується як модератор на атомних електростанціях.

Алмаз

Алмаз має особливо виняткові фізичні властивості, такі як найвищий ступінь твердості та теплопровідності, відомий на сьогоднішній день.

Ці характеристики дозволяють використовувати промислове застосування в інструментах, що використовуються для виготовлення надрізів та інструментів для полірування завдяки високій абразивності.

Його оптичні властивості - такі, як прозорість і здатність руйнувати біле світло і заломлювати світло - дають йому багато застосувань в оптичних приладах, наприклад, у виробництві лінз та призм.

Характерний блиск, отриманий завдяки його оптичним властивостям, також високо цінується в ювелірній промисловості.

Антрацит

Антрацит важко запалюється, він повільно спалює і вимагає багато кисню. Його згоряння видає мало блідо-синього полум'я і виділяє багато тепла.

Деякі роки тому антрацит застосовувався на термоелектричних установках та для обігріву в побуті. Його використання має такі переваги, як виробництво мало золи чи пилу, мало диму та повільний процес горіння.

Через високу економічну вартість та дефіцит антрацит замінили природним газом на термоелектричних установках та електроенергією в будинках.

Вугілля

Вугілля використовується як сировина для отримання:

- кокс, паливо з доменних печей на сталеливарних заводах.

- Креозот, отриманий змішуванням дистилятів дьогтю з вугіллям і використовується як захисний герметик для деревини, що піддається впливу елементів.

- Крезол (хімічно метилфенол), що видобувається з вугілля і використовується як дезінфікуючий і антисептичний засіб,

- Інші похідні, такі як газ, дьоготь або смола, а також сполуки, що використовуються у виробництві парфумів, інсектицидів, пластмас, фарб, шин та дорожнього покриття, серед інших.

Лігніт

Лігніт являє собою паливо середньої якості. Jet, різновид лігніту, характеризується тим, що він дуже компактний через тривалий процес карбонізації та високого тиску, і використовується в ювелірних виробах та орнаменті.

Торф

Торф використовується в наступних видах діяльності;

- Для росту, підтримки та транспортування видів рослин.

- Як органічний компост.

- Як ліжко для тварин у стайні.

- Як паливо низької якості.

Список літератури

1. Берроуз, А., Холман, Дж., Парсонс, А., Піллінг, Г. і Прайс, Г. (2017). Хімія3: введення неорганічної, органічної та фізичної хімії. Oxford University Press.
2. Демінг, А. (2010). Король стихій? Нанотехнології. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). Надмазування графіту. Листи з фізичного огляду. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Іріфуне, Т., Куріо, А., Сакамото, С., Інуе, Т. і Сумія, Х. (2003). Матеріали: Ультратвердий полікристалічний алмаз із графіту. Природа. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Саватімський, А. (2005). Вимірювання температури плавлення графіту та властивостей рідкого вуглецю (огляд за 1963–2003 рр.). Вугілля. 43 (6): 1115. doi: 10.1016