WĘGIEL W PRZYRODZIE: LOKALIZACJA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA - GEOGRAFÍA - 2025

Węgla w przyrodzie można znaleźć w diamentów, ropy naftowej i grafity, wśród wielu innych scenariuszy. Ten pierwiastek chemiczny zajmuje szóste miejsce w układzie okresowym i znajduje się w poziomym rzędzie lub okresie 2 oraz w kolumnie 14. Jest niemetaliczny i czterowartościowy; to znaczy, może ustanowić 4 wspólne wiązania chemiczne elektronów lub wiązania kowalencyjne.

Węgiel jest pierwiastkiem występującym najczęściej w skorupie ziemskiej. Ta obfitość, wyjątkowa różnorodność w tworzeniu się związków organicznych oraz wyjątkowa zdolność do tworzenia makrocząsteczek lub polimerów w temperaturach powszechnie występujących na Ziemi sprawia, że ​​jest wspólnym elementem wszystkich znanych form życia.

Rysunek 1. Węgiel w postaci mineralnej. Źródło: Rdamian1234, źródło Wikimedia Commons

Węgiel występuje w przyrodzie jako pierwiastek chemiczny bez łączenia się w postaci grafitu i diamentu. Jednak w większości łączy się go, tworząc związki chemiczne węgla, takie jak węglan wapnia (CaCO ₃ ) i inne związki w ropie naftowej i gazie ziemnym.

Tworzy również różne minerały, takie jak antracyt, węgiel, węgiel brunatny i torf. Największe znaczenie węgla polega na tym, że stanowi on tzw. „Budulec życia” i jest obecny we wszystkich żywych organizmach.

Gdzie znajduje się węgiel iw jakiej postaci?

Oprócz tego, że jest powszechnym składnikiem pierwiastka chemicznego we wszystkich formach życia, węgiel występuje w przyrodzie w trzech formach krystalicznych: diamentu, grafitu i fulerenu.

Istnieje również kilka amorficznych form mineralnych węgla (antracyt, lignit, węgiel kamienny, torf), płynnych (odmiany oleju) i gazowych (gaz ziemny).

Formy krystaliczne

W formach krystalicznych atomy węgla łączą się, tworząc uporządkowane wzory o geometrycznym układzie przestrzennym.

Grafit

Jest to miękkie czarne ciało stałe z metalicznym połyskiem lub połyskiem i odporne na ciepło (ogniotrwałe). Jego krystaliczna struktura przedstawia atomy węgla połączone w sześciokątne pierścienie, które z kolei łączą się tworząc arkusze.

Złoża grafitu są rzadkie i znaleziono je w Chinach, Indiach, Brazylii, Korei Północnej i Kanadzie.

Diament

Jest to bardzo twarda bryła, przepuszczająca światło i dużo gęstsza niż grafit: wartość gęstości diamentu jest prawie dwukrotnie większa niż grafitu.

Atomy węgla w diamencie są połączone ze sobą w geometrii czworościennej. Podobnie diament powstaje z grafitu poddawanego działaniu bardzo wysokich temperatur i ciśnień (3000 ^° C i 100 000 atm).

Większość diamentów znajduje się w płaszczu na głębokości od 140 do 190 km. Poprzez głębokie erupcje wulkanów magma może przenosić je na odległości bliskie powierzchni.

Złoża diamentów występują w Afryce (Namibia, Ghana, Demokratyczna Republika Konga, Sierra Leone i RPA), Ameryce (Brazylia, Kolumbia, Wenezuela, Gujana, Peru), Oceanii (Australia) i Azji (Indie).

Rysunek 3. Węgiel i diament. Źródło: XAVI999, z Wikimedia Commons.

Fulereny

Są to molekularne formy węgla, które tworzą skupiska 60 i 70 atomów węgla w prawie kulistych cząsteczkach, podobnie jak piłki do piłki nożnej.

Istnieją również mniejsze fulereny zawierające 20 atomów węgla. Niektóre formy fulerenów obejmują nanorurki węglowe i włókna węglowe.

Rysunek 4. Fulereren. IMeowbot, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Formy amorficzne

W formach amorficznych atomy węgla nie łączą się, tworząc uporządkowaną i regularną strukturę krystaliczną. Zamiast tego zawierają nawet zanieczyszczenia z innych pierwiastków.

Antracyt

Jest to najstarszy metamorficzny węgiel mineralny (pochodzący z modyfikacji skał pod wpływem temperatury, ciśnienia lub chemicznego działania płynów), którego powstanie datuje się na okres pierwotny lub paleozoiczny, czyli okres karboński.

Antracyt to amorficzna forma węgla o najwyższej zawartości tego pierwiastka: między 86 a 95%. Jest szaro-czarny z metalicznym połyskiem, ciężki i zwarty.

Antracyt występuje na ogół w strefach deformacji geologicznej i stanowi około 1% światowych zasobów węgla.

Geograficznie występuje w Kanadzie, USA, RPA, Francji, Wielkiej Brytanii, Niemczech, Rosji, Chinach, Australii i Kolumbii.

Rysunek 5. Antracyt, najstarszy węgiel o najwyższej zawartości węgla. Educerva, źródło Wikimedia Commons

Węgiel

Jest to węgiel mineralny, skała osadowa pochodzenia organicznego, której powstanie datuje się na okres paleozoiku i mezozoiku. Ma zawartość węgla od 75 do 85%.

Jest koloru czarnego, który charakteryzuje się nieprzezroczystością oraz matowym i tłustym wyglądem, ponieważ ma wysoką zawartość substancji bitumicznych. Powstaje w wyniku kompresji węgla brunatnego w epoce paleozoiku, w karbonie i permie.

Jest to najbardziej rozpowszechniona forma węgla na naszej planecie. Istnieją duże złoża węgla w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Niemczech, Rosji i Chinach.

Węgiel brunatny

Jest to mineralny węgiel kopalny powstały w trzeciorzędu z torfu przez kompresję (wysokie ciśnienie). Ma niższą zawartość węgla niż węgiel, między 70 a 80%.

Jest to materiał lekko zwarty, kruchy (cecha odróżniająca go od innych minerałów węglowych), koloru brązowego lub czarnego. Jego struktura jest podobna do drewna, a zawartość węgla wynosi od 60 do 75%.

Jest paliwem łatwopalnym, o niskiej wartości opałowej i mniejszej zawartości wody niż torf.

Kopalnie węgla brunatnego znajdują się w Niemczech, Rosji, Czechach, Włoszech (region Veneto, Toskania, Umbria) i na Sardynii. W Hiszpanii złoża węgla brunatnego znajdują się w Asturii, Andorze, Saragossie i La Coruña.

Torf

Jest to materiał pochodzenia organicznego, którego powstanie pochodzi z czwartorzędu, znacznie nowszego niż poprzednie węgle.

Ma brązowawo-żółty kolor i występuje w postaci gąbczastej masy o małej gęstości, w której można zobaczyć pozostałości roślinne z miejsca ich powstania.

W przeciwieństwie do wyżej wymienionych węgli, torf nie pochodzi z procesów karbonizacji materiału drzewnego lub drewna, ale został utworzony przez nagromadzenie roślin - głównie traw i mchów - na terenach podmokłych w wyniku procesu karbonizacji, który nie został zakończony. .

Torf ma wysoką zawartość wody; z tego powodu wymaga wysuszenia i zagęszczenia przed użyciem.

Ma niską zawartość węgla (tylko 55%); dlatego ma niską wartość energetyczną. Podczas spalania pozostałości popiołu są obfite i wydziela dużo dymu.

Istotne złoża torfu znajdują się w Chile, Argentynie (Tierra del Fuego), Hiszpanii (Espinosa de Cerrato, Palencia), Niemczech, Danii, Holandii, Rosji, Francji.

Rysunek 6. Zbiornik torfu. Christian Fischer, źródło Wikimedia Commons

Ropa, gaz ziemny i bitum

Ropa naftowa (od łacińskiego petrae, co oznacza „kamień”; i oleum, co oznacza „ropa”: „olej kamienny”) jest mieszaniną wielu związków organicznych - w większości węglowodorów - wytwarzanych w wyniku beztlenowego rozkładu bakteryjnego (przy braku tlen) materii organicznej.

Powstał w podłożu, na dużych głębokościach iw specjalnych warunkach zarówno fizycznych (wysokie ciśnienia i temperatury), jak i chemicznych (obecność określonych związków katalizatora) w procesie trwającym miliony lat.

Podczas tego procesu C i H zostały uwolnione z tkanek organicznych i połączyły się, ponownie łącząc, tworząc ogromną liczbę węglowodorów, które mieszają się zgodnie ze swoimi właściwościami, tworząc gaz ziemny, ropę i bitum.

Pola naftowe planety znajdują się głównie w Wenezueli, Arabii Saudyjskiej, Iraku, Iranie, Kuwejcie, Zjednoczonych Emiratach Arabskich, Rosji, Libii, Nigerii i Kanadzie.

Istnieją rezerwy gazu ziemnego m.in. w Rosji, Iranie, Wenezueli, Katarze, Stanach Zjednoczonych, Arabii Saudyjskiej i Zjednoczonych Emiratach Arabskich.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wśród właściwości węgla możemy wymienić:

Symbol chemiczny

DO.

Liczba atomowa

6.

Stan fizyczny

Ciało stałe, w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury (1 atmosfera i 25 ^° C).

Kolor

Szary (grafit) i przezroczysty (diament).

Masa atomowa

12,011 g / mol.

Temperatura topnienia

500 ^° C

Temperatura wrzenia

827 ^° C.

Gęstość

2,62 g / cm ³ .

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w tetrachlorku węgla CCl ₄ .

Elektroniczna Konfiguracja

1s ² 2s ² 2p ² .

Liczba elektronów w powłoce zewnętrznej lub walencyjnej

Cztery.

Pojemność łącza

Cztery.

Wiązanie

Posiada zdolność tworzenia związków chemicznych w długich łańcuchach.

Cykl biogeochemiczny

Cykl węgla to biogeochemiczny cykliczny proces, w którym węgiel może być wymieniany między biosferą Ziemi, atmosferą, hydrosferą i litosferą.

Znajomość tego cyklicznego procesu węgla na Ziemi pozwala zademonstrować działanie człowieka w tym cyklu i jego konsekwencje dla globalnych zmian klimatycznych.

Węgiel może krążyć między oceanami i innymi zbiornikami wodnymi, a także między litosferą, w glebie i podglebie, w atmosferze i w biosferze. W atmosferze i hydrosferze węgiel występuje w postaci gazowej jako CO ₂ (dwutlenek węgla).

Fotosynteza

Węgiel z atmosfery jest wychwytywany przez organizmy lądowe i wodne w ekosystemach (organizmy fotosyntetyzujące).

Fotosynteza umożliwia reakcję chemiczną między CO ₂ a wodą, w której pośredniczy energia słoneczna i chlorofil z roślin, w celu wytworzenia węglowodanów lub cukrów. Proces ten przekształca proste cząsteczki o niskiej zawartości energii CO ₂ , H ₂ O i tlenu O ₂ w złożone wysokoenergetyczne formy molekularne, które są cukrami.

Organizmy heterotroficzne - które nie mogą fotosyntetyzować i są konsumentami w ekosystemach - pozyskują węgiel i energię, żywiąc się producentami i innymi konsumentami.

Oddychanie i rozkład

Oddychanie i rozkład to procesy biologiczne, które uwalniają węgiel do środowiska w postaci CO ₂ lub CH ₄ (metan powstający w wyniku rozkładu beztlenowego, czyli pod nieobecność tlenu).

Procesy geologiczne

W wyniku procesów geologicznych oraz w wyniku upływu czasu węgiel z rozkładu beztlenowego może zostać przekształcony w paliwa kopalne, takie jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel. Podobnie węgiel jest również częścią innych minerałów i skał.

Ingerencja w działalność człowieka

Kiedy człowiek wykorzystuje spalanie paliw kopalnych jako źródła energii, węgiel powraca do atmosfery w postaci ogromnych ilości CO ₂ , których nie może przyswoić w naturalnym biogeochemicznym obiegu węgla.

Ten nadmiar CO ₂ wytwarzany przez działalność człowieka negatywnie wpływa na równowagę obiegu węgla i jest główną przyczyną globalnego ocieplenia.

Rysunek 2. Cykl biogeochemiczny węgla. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Użytkownik Kevin Saff na en.wikipedia Praca pochodna: FischX Tłumaczenie: Tomás Clarke, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Aplikacje

Zastosowania węgla i jego związków są niezwykle zróżnicowane. Najbardziej widoczne z następującymi:

Ropa i gaz ziemny

Głównym zastosowaniem ekonomicznym węgla jest jego wykorzystanie jako węglowodoru będącego paliwem kopalnym, takiego jak metan i ropa.

Olej jest destylowany w rafineriach w celu uzyskania wielu pochodnych, takich jak benzyna, olej napędowy, nafta, asfalt, smary, rozpuszczalniki i inne, które z kolei są wykorzystywane w przemyśle petrochemicznym, który wytwarza surowce dla przemysłu tworzyw sztucznych, nawozów, leków i farb. , między innymi.

Grafit

Grafit jest używany w następujących działaniach:

- Jest używany do produkcji ołówków, zmieszany z glinką.

- Jest częścią produkcji ogniotrwałych cegieł i tygli, odpornych na ciepło.

- W różnych urządzeniach mechanicznych, takich jak podkładki, łożyska, tłoki i uszczelki.

- To doskonały smar stały.

- Ze względu na swoje przewodnictwo elektryczne i obojętność chemiczną jest stosowany do produkcji elektrod, węgli do silników elektrycznych.

- Jest używany jako moderator w elektrowniach jądrowych.

Diament

Diament posiada szczególnie wyjątkowe właściwości fizyczne, takie jak najwyższy znany do tej pory stopień twardości i przewodności cieplnej.

Cechy te pozwalają na przemysłowe zastosowanie w narzędziach używanych do wykonywania cięć i narzędziach do polerowania ze względu na ich wysoką ścieralność.

Jego właściwości optyczne - takie jak przezroczystość i zdolność do rozbicia światła białego i załamania światła - dają mu wiele zastosowań w instrumentach optycznych, np. W produkcji soczewek i pryzmatów.

Charakterystyczny połysk wynikający z właściwości optycznych jest również wysoko ceniony w branży jubilerskiej.

Antracyt

Antracyt jest trudny do zapalenia, wolno się pali i wymaga dużej ilości tlenu. Jego spalanie wytwarza mały bladoniebieski płomień i wydziela dużo ciepła.

Kilka lat temu antracyt był używany w instalacjach termoelektrycznych i do ogrzewania domów. Jego zastosowanie ma zalety, takie jak wytwarzanie niewielkiej ilości popiołu lub pyłu, niewielka ilość dymu i powolny proces spalania.

Ze względu na wysoki koszt ekonomiczny i jego niedobór antracyt został zastąpiony gazem ziemnym w elektrowniach termoelektrycznych i elektrycznością w domach.

Węgiel

Węgiel służy jako surowiec do uzyskania:

- Koks, paliwo z wielkich pieców w hutach.

- Kreozot, otrzymywany przez zmieszanie destylatów smoły z węgla i stosowany jako uszczelniacz ochronny do drewna narażonego na działanie elementów.

- krezol (chemicznie metylofenol) ekstrahowany z węgla i stosowany jako środek dezynfekujący i antyseptyczny,

- inne produkty pochodne, takie jak gaz, smoła lub smoła, oraz związki stosowane między innymi do produkcji perfum, środków owadobójczych, tworzyw sztucznych, farb, opon i nawierzchni drogowych.

Węgiel brunatny

Węgiel brunatny to paliwo średniej jakości. Jet, odmiana węgla brunatnego, charakteryzuje się dużą zwartością dzięki długiemu procesowi karbonizacji i wysokim ciśnieniom i jest stosowana w biżuterii i zdobnictwie.

Torf

Torf jest używany do następujących czynności;

- Do wzrostu, podtrzymywania i transportu gatunków roślin.

- Jako organiczny kompost.

- Jako legowisko dla zwierząt w stajniach.

- Jako paliwo niskiej jakości.

Bibliografia

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). Chemistry3: Wprowadzenie do chemii nieorganicznej, organicznej i fizycznej. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Król żywiołów? Nanotechnologia. 21 (30): 300201. doi: 10,1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). Super śliskość grafitu. Pisma przeglądu fizycznego. 92 (12): 126101. doi: 10,1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H. (2003). Materiały: Ultra twardy polikrystaliczny diament z grafitu. Natura. 421 (6923): 599–600. doi: 10,1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Pomiary temperatury topnienia grafitu i właściwości ciekłego węgla (przegląd za lata 1963–2003). Węgiel. 43 (6): 1115. doi: 10.1016