УГЛЕРОД В ПРИРОДЕ: РАСПОЛОЖЕНИЕ, СВОЙСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ГЕОГРАФИЯ - 2026

Углерод в природе можно найти в алмазах, нефть и графитах, среди многих других сценариев. Этот химический элемент занимает шестое место в периодической таблице и расположен в горизонтальной строке или периоде 2 и столбце 14. Он неметаллический и четырехвалентный; то есть, он может установить 4 общих электронных химических или ковалентных связи.

Углерод - самый распространенный элемент в земной коре. Это изобилие, его уникальное разнообразие в образовании органических соединений и его исключительная способность образовывать макромолекулы или полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, делают его общим элементом для всех известных форм жизни.

Рисунок 1. Углерод в минеральной форме. Источник: Rdamian1234, Wikimedia Commons

Углерод существует в природе как химический элемент, не соединяясь в формах графита и алмаза. Однако по большей части он объединяется с образованием углеродных химических соединений, таких как карбонат кальция (CaCO ₃ ) и других соединений в нефти и природном газе.

Он также образует различные минералы, такие как антрацит, уголь, лигнит и торф. Наибольшее значение углерода заключается в том, что он представляет собой так называемый «строительный блок жизни» и присутствует во всех живых организмах.

Где находится углерод и в какой форме?

Помимо того, что углерод является обычным химическим элементом во всех формах жизни, он в природе присутствует в трех кристаллических формах: алмаз, графит и фуллерен.

Есть также несколько аморфных минеральных форм угля (антрацит, лигнит, уголь, торф), жидких форм (нефтяные разновидности) и газообразных (природный газ).

Кристаллические формы

В кристаллических формах атомы углерода соединяются, образуя упорядоченные узоры с геометрическим пространственным расположением.

графитовый

Это мягкое твердое вещество черного цвет с металлическим блеском или блеском и термостойким (тугоплавким). Его кристаллическая структура представляет собой атомы углерода, соединенные в гексагональные кольца, которые, в свою очередь, соединяются, образуя листы.

Месторождения графита редки и были обнаружены в Китае, Индии, Бразилии, Северной Корее и Канаде.

ромб

Это очень твердое тело, прозрачное для света и намного более плотное, чем графит: значение плотности алмаза почти вдвое больше плотности графита.

Атомы углерода в алмазе соединены вместе в тетраэдрической геометрии. Аналогичным образом, алмаз образуется из графита, подвергающегося воздействию очень высоких температур и давлений (3000 ^° C и 100000 атм).

Большинство алмазов находится на глубине от 140 до 190 км в мантии. Через глубокие вулканические извержения магма может переносить их на расстояния, близкие к поверхности.

Есть месторождения алмазов в Африке (Намибия, Гана, Демократическая Республика Конго, Сьерра-Леоне и Южная Африка), Америке (Бразилия, Колумбия, Венесуэла, Гайана, Перу), Океании (Австралия) и Азии (Индия).

Рисунок 3. Уголь и алмаз. Источник: XAVI999, из Wikimedia Commons.

Фуллерены

Это молекулярные формы углерода, которые образуют кластеры из 60 и 70 атомов углерода в почти сферических молекулах, похожих на футбольные мячи.

Есть также более мелкие фуллерены из 20 атомов углерода. Некоторые формы фуллеренов включают углеродные нанотрубки и углеродные волокна.

Рисунок 4. Фуллерен. IMeowbot, через Wikimedia Commons

Аморфные формы

В аморфных формах атомы углерода не объединяются, образуя упорядоченную и правильную кристаллическую структуру. Вместо этого они даже содержат примеси от других элементов.

антрацит

Это самый старый метаморфический минеральный уголь (который происходит в результате модификации горных пород под воздействием температуры, давления или химического воздействия флюидов), поскольку его образование относится к первичной или палеозойской эре, каменноугольному периоду.

Антрацит - это аморфная форма углерода с самым высоким содержанием этого элемента: от 86 до 95%. Он серо-черного цвета с металлическим блеском, тяжелый и компактный.

Антрацит обычно находится в зонах геологической деформации и составляет около 1% мировых запасов угля.

Географически он находится в Канаде, США, Южной Африке, Франции, Великобритании, Германии, России, Китае, Австралии и Колумбии.

Рисунок 5. Антрацит, самый старый уголь с самым высоким содержанием углерода. Эдусерва, из Wikimedia Commons

Уголь

Это минеральный уголь, осадочная порода органического происхождения, образование которой датируется палеозойской и мезозойской эрами. Он имеет содержание углерода от 75 до 85%.

Он имеет черный цвет, непрозрачен, имеет матовый и жирный вид, так как имеет высокое содержание битумных веществ. Он образован сжатием лигнита в палеозойскую эру, в каменноугольный и пермский периоды.

Это самая распространенная форма углерода на планете. Крупные месторождения угля есть в США, Великобритании, Германии, России и Китае.

лигнит

Это минеральный ископаемый уголь, образовавшийся в третичную эпоху из торфа путем сжатия (высокого давления). Он имеет более низкое содержание углерода, чем уголь, от 70 до 80%.

Это слегка компактный материал, рассыпчатый (характеристика, который отличает его от других углеродных минералов), коричневого или черного цвета. Его текстура похожа на структуру дерева, а содержание углерода колеблется от 60 до 75%.

Это легко воспламеняющееся топливо с низкой теплотворной способностью и меньшим содержанием воды, чем у торфа.

Важные месторождения бурого угля находятся в Германии, России, Чехии, Италии (регионы Венето, Тоскана, Умбрия) и Сардинии. В Испании месторождения лигнита находятся в Астурии, Андорре, Сарагосе и Ла-Корунья.

торфяной

Это материал органического происхождения, образование которого происходит в четвертичную эпоху, гораздо более позднюю, чем предыдущие угли.

Он имеет коричневато-желтый цвет и представляет собой губчатую массу низкой плотности, в которой можно увидеть остатки растений с того места, где они возникли.

В отличие от упомянутых выше углей, торф не образуется в результате процессов карбонизации древесного материала или древесины, а образуется в результате накопления растений - в основном трав и мхов - на болотистых территориях в результате незавершенного процесса карбонизации. ,

Торф отличается высоким содержанием воды; по этой причине перед использованием его необходимо просушить и уплотнить.

Он имеет низкое содержание углерода (всего 55%); следовательно, он имеет низкую энергетическую ценность. При сгорании остатки золы образуются в большом количестве, и он выделяет много дыма.

Имеются важные месторождения торфа в Чили, Аргентине (Огненная Земля), Испании (Эспиноса-де-Серрато, Паленсия), Германии, Дании, Голландии, России, Франции.

Рисунок 6. Торфяной резервуар. Кристиан Фишер, из Wikimedia Commons

Нефть, природный газ и битум

Нефть (от латинского petrae, что означает «камень»; и oleum, что означает «нефть»: «каменная нефть»), представляет собой смесь многих органических соединений, в основном углеводородов, образующихся в результате анаэробного бактериального разложения (в отсутствие кислород) органического вещества.

Он образовался в недрах, на больших глубинах и в особых условиях, как физических (высокое давление и температура), так и химических (присутствие определенных каталитических соединений) в процессе, который длился миллионы лет.

Во время этого процесса C и H высвободились из органических тканей и соединились, снова рекомбинируя, чтобы сформировать огромное количество углеводородов, которые смешиваются в соответствии со своими свойствами, образуя природный газ, нефть и битум.

Мировые нефтяные месторождения расположены в основном в Венесуэле, Саудовской Аравии, Ираке, Иране, Кувейте, Объединенных Арабских Эмиратах, России, Ливии, Нигерии и Канаде.

Есть запасы природного газа в России, Иране, Венесуэле, Катаре, США, Саудовской Аравии и Объединенных Арабских Эмиратах, среди других.

Физические и химические свойства

Среди свойств углерода можно отметить следующие:

Химический символ

C.

Атомный номер

6.

Физическое состояние

Твердый, при нормальном давлении и температуре (1 атмосфера и 25 ^° C).

цвет

Серый (графит) и прозрачный (алмаз).

Атомная масса

12,011 г / моль.

Температура плавления

500 ^° С.

Точка кипения

827 ^° С.

плотность

2,62 г / см ³ .

Растворимость

Не растворим в воде, растворим в четыреххлористом углероде CCl ₄ .

Электронная конфигурация

1с ² 2с ² 2п ² .

Количество электронов во внешней или валентной оболочке

Четыре.

Емкость канала

Четыре.

сцепление

Он имеет способность образовывать химические соединения в длинные цепочки.

Биогеохимический цикл

Углеродный цикл - это биогеохимический круговой процесс, посредством которого углерод может обмениваться между биосферой Земли, атмосферой, гидросферой и литосферой.

Знание этого циклического процесса образования углерода на Земле позволяет продемонстрировать действия человека в этом цикле и его последствия для глобального изменения климата.

Углерод может циркулировать между океанами и другими водоемами, а также между литосферой, почвой и недрами, в атмосфере и биосфере. В атмосфере и гидросфере углерод существует в газообразной форме в виде CO ₂ (диоксид углерода).

фотосинтез

Углерод из атмосферы улавливается наземными и водными продуцирующими организмами в экосистемах (фотосинтезирующие организмы).

Фотосинтез позволяет протекать химической реакции между CO ₂ и водой, опосредованной солнечной энергией и хлорофиллом растений, с образованием углеводов или сахаров. Этот процесс превращает простые молекулы с низким содержанием энергии CO ₂ , H ₂ O и кислорода O ₂ в сложные высокоэнергетические молекулярные формы, которые представляют собой сахара.

Гетеротрофные организмы, которые не могут фотосинтезировать и являются потребителями в экосистемах, получают углерод и энергию, питаясь производителями и другими потребителями.

Дыхание и разложение

Дыхание и разложение - это биологические процессы, при которых в окружающую среду выделяется углерод в форме CO ₂ или CH ₄ (метан, образующийся при анаэробном разложении, то есть в отсутствие кислорода).

Геологические процессы

В результате геологических процессов и с течением времени углерод от анаэробного разложения может быть преобразован в ископаемое топливо, такое как нефть, природный газ и уголь. Точно так же углерод входит в состав других минералов и горных пород.

Вмешательство в деятельность человека

Когда человек использует сжигание ископаемого топлива для получения энергии, углерод возвращается в атмосферу в виде огромного количества CO _2, которое не может быть ассимилировано естественным биогеохимическим циклом углерода.

Этот избыток CO _2, производимый деятельностью человека, отрицательно влияет на баланс углеродного цикла и является основной причиной глобального потепления.

Рисунок 2. Биогеохимический цикл углерода. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Пользователь Кевин Сафф на en.wikipedia Производная работа: FischX Перевод: Томас Кларк, через Wikimedia Commons

Приложения

Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Наиболее заметные из них:

Нефть и природный газ

Основное экономическое использование углерода представлено его использованием в качестве углеводородного ископаемого топлива, такого как газ метан и нефть.

Нефть перегоняется на нефтеперерабатывающих заводах для получения различных производных, таких как бензин, дизельное топливо, керосин, асфальт, смазочные материалы, растворители и другие, которые, в свою очередь, используются в нефтехимической промышленности, которая производит сырье для производства пластмасс, удобрений, лекарств и красок. , среди прочего.

графитовый

Графит используется в следующих действиях:

- Используется при изготовлении карандашей, смешанных с глиной.

- Это часть разработки огнеупорных кирпичей и тиглей, устойчивых к нагреванию.

- В различных механических устройствах, таких как шайбы, подшипники, поршни и уплотнения.

- Это отличная твердая смазка.

- Благодаря своей электропроводности и химической инертности он используется в производстве электродов, угля для электродвигателей.

- Используется как замедлитель на атомных станциях.

ромб

Алмаз обладает исключительными физическими свойствами, такими как самая высокая степень твердости и теплопроводности, известная на сегодняшний день.

Эти характеристики позволяют использовать их в промышленности в инструментах, используемых для резки, и инструментах для полировки благодаря их высокой абразивности.

Его оптические свойства, такие как прозрачность и способность расщеплять белый свет и преломлять свет, дают ему множество применений в оптических приборах, например, при производстве линз и призм.

Характерный блеск, обусловленный его оптическими свойствами, также высоко ценится в ювелирной промышленности.

антрацит

Антрацит трудно воспламеняется, он трудногорючий и требует много кислорода. При его сгорании образуется небольшое бледно-голубое пламя и выделяется много тепла.

Несколько лет назад антрацит использовался в термоэлектрических установках и для отопления жилых домов. Его использование имеет такие преимущества, как образование небольшого количества золы или пыли, мало дыма и медленный процесс сгорания.

Из-за высокой экономической стоимости и редкости антрацит был заменен природным газом на теплоэлектростанциях и электричеством в домах.

Уголь

Уголь используется как сырье для получения:

- Кокс, топливо доменных печей сталелитейных заводов.

- Креозот, полученный путем смешивания дистиллятов дегтя из угля и используемый в качестве защитного герметика для древесины, подверженной воздействию элементов.

- Крезол (химически метилфенол) извлекается из угля и используется как дезинфицирующее и антисептическое средство,

- Другие производные, такие как газ, деготь или смола, а также соединения, используемые в производстве духов, инсектицидов, пластмасс, красок, шин и дорожных покрытий, среди прочего.

лигнит

Бурый уголь представляет собой топливо среднего качества. Струя, разновидность бурого угля, отличается очень компактностью из-за длительного процесса карбонизации и высокого давления и используется в ювелирных изделиях и украшениях.

торфяной

Торф используется в следующих видах деятельности;

- Для роста, поддержки и транспортировки видов растений.

- В качестве органического компоста.

- Как подстилка для животных в конюшнях.

- Как некачественное топливо.

Ссылки

1. Берроуз А., Холман Дж., Парсонс А., Пиллинг Г. и Прайс Г. (2017). Chemistry3: Введение в неорганическую, органическую и физическую химию. Издательство Оксфордского университета.
2. Деминг, А. (2010). Король стихий? Нанотехнологии. 21 (30): 300201. DOI: 10.1088
3. Динвибель, М., Верхувен, Г., Прадип, Н., Френкен, Дж., Хаймберг, Дж. И Зандберген, Х. (2004). Сверхсмазывающая способность графита. Письма с физическим обзором. 92 (12): 126101. DOI: 10.1103
4. Ирифуне, Т., Курио, А., Сакамото, С., Иноуэ, Т. и Сумия, Х. (2003). Материалы: Сверхтвердый поликристаллический алмаз из графита. Природа. 421 (6923): 599–600. DOI: 10.1038
5. Савватимский, А. (2005). Измерения температуры плавления графита и свойств жидкого углерода (обзор за 1963–2003 гг.). Уголь. 43 (6): 1115. DOI: 10.1016