Węgiel w przyrodzie, gdzie się znajduje i jak, właściwości, wykorzystanie



The charakter węgla można go znaleźć w diamentach, oleju i graffiti, wśród wielu innych scenariuszy. Ten pierwiastek chemiczny zajmuje szóste miejsce w układzie okresowym i znajduje się w poziomym rzędzie lub okresie 2 i kolumnie 14. Jest niemetalowy i czterowartościowy; to znaczy, możesz ustanowić 4 wiązania chemiczne wspólnych elektronów lub wiązań kowalencyjnych.

Węgiel jest pierwiastkiem o największej obfitości w skorupie ziemskiej. Ta obfitość, jej wyjątkowa różnorodność w tworzeniu związków organicznych i wyjątkowa zdolność do tworzenia makrocząsteczek lub polimerów w temperaturach powszechnie występujących na Ziemi, sprawia, że ​​służy ona jako wspólny element wszystkich znanych form życia.

Węgiel występuje w naturze jako pierwiastek chemiczny bez łączenia w postaci grafitu i diamentu. Jednak w większości jest on łączony w celu utworzenia chemicznych związków węgla, takich jak węglan wapnia (CaCO).3) i inne związki w ropie naftowej i gazie ziemnym.

Tworzy również kilka minerałów, takich jak antracyt, węgiel, węgiel brunatny i torf. Największą wagą węgla jest to, że stanowi on tzw. „Cegiełkę życia” i jest obecny we wszystkich żywych organizmach.

Indeks

  • 1 Gdzie znajduje się węgiel iw jakiej formie?
    • 1.1 Kształty kryształowe
    • 1.2 Formy amorficzne
    • 1.3 Olej, gaz ziemny i bitum
  • 2 Właściwości fizyczne i chemiczne
    • 2.1 Symbol chemiczny
    • 2.2 Liczba atomowa
    • 2.3 Stan fizyczny
    • 2.4 Kolor
    • 2.5 Masa atomowa
    • 2.6 Temperatura topnienia
    • 2.7 Temperatura wrzenia
    • 2.8 Gęstość
    • 2.9 Rozpuszczalność
    • 2.10 Konfiguracja elektroniczna
    • 2.11 Liczba elektronów w warstwie zewnętrznej lub walencyjnej
    • 2.12 Pojemność łącza
    • 2.13 Catenación
  • 3 Cykl biogeochemiczny
    • 3.1 Fotosynteza
    • 3.2 Oddychanie i rozkład
    • 3.3 Procesy geologiczne
    • 3.4 Zakłócanie działalności człowieka
  • 4 zastosowania
    • 4.1 Ropa naftowa i gaz ziemny
    • 4.2 Grafit
    • 4.3 Diament
    • 4.4 Antracyt
    • 4.5 Węgiel kamienny
    • 4.6 Węgiel brunatny
    • 4.7 Torf
  • 5 referencji

Gdzie znajduje się węgiel iw jakiej formie?

Oprócz tego, że jest składnikiem chemicznym wspólnym dla wszystkich form życia, węgiel w naturze występuje w trzech formach krystalicznych: diament, grafit i fuleren.

Istnieje również kilka amorficznych form mineralnych węgla (antracyt, węgiel brunatny, węgiel, torf), formy ciekłe (odmiany olejów) i soda (gaz ziemny).

Krystaliczne kształty

W formach krystalicznych atomy węgla łączą się tworząc uporządkowane wzory z geometrycznym układem przestrzennym.

Grafit

Jest to miękka bryła koloru czarnego z połyskiem lub metalicznym połyskiem i odporna na ciepło (ogniotrwała). Jego krystaliczna struktura przedstawia atomy węgla połączone w sześciokątne pierścienie, które z kolei łączą się ze sobą tworząc arkusze.

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

Diament

Jest bardzo twardym ciałem stałym, przezroczystym dla przechodzenia światła i znacznie gęstszym niż grafit: wartość gęstości diamentu odpowiada prawie dwukrotności gęstości grafitu.

Atomy węgla w diamentie łączą się w geometrię czworościenną. Podobnie diament powstaje z grafitu poddanego warunkom bardzo wysokich temperatur i ciśnień (3000 °C i 100 000 atm).

Większość diamentów znajduje się między 140 a 190 km w płaszczu. Poprzez głębokie erupcje wulkaniczne magma może przetransportować je na odległość bliską powierzchni.

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

Fulerenos

Są to molekularne formy węgla, które tworzą gromady 60 i 70 atomów węgla w niemal kulistych cząsteczkach, podobnie jak piłki.

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

Formy amorficzne

W postaciach 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 przez wpływ temperatury, ciśnienia lub działania chemicznego płynów), ponieważ jego powstanie pochodzi z epoki pierwotnej lub paleozoicznej, okresu karbońskiego.

Antracyt jest bezpostaciową formą węgla, która ma wyższą zawartość tego pierwiastka: od 86 do 95%. Jest szaro-czarny i metaliczny połysk, a jest ciężki i kompaktowy.

Ogólnie antracyt występuje w obszarach deformacji geologicznych i stanowi około 1% światowych zasobów węgla.

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

Węgiel kamienny

Jest to węgiel mineralny, skała osadowa pochodzenia organicznego, której powstanie pochodzi z epok paleozoicznych i mezozoicznych. Ma zawartość węgla od 75 do 85%.

Jest czarny, charakteryzuje się nieprzezroczystością i ma matowy i tłusty wygląd, ponieważ ma wysoką zawartość substancji bitumicznych. Powstaje w wyniku kompresji węgla brunatnego w erze paleozoicznej, w okresach karbońskich i permskich.

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

Węgiel brunatny

Jest to kopalny węgiel mineralny powstający w trzeciorzędu z torfu przez ściskanie (wysokie ciśnienia). Ma niższą zawartość węgla niż węgiel, od 70 do 80%.

Jest to niewielki, zwarty materiał, kruchy (cecha odróżniająca go od innych minerałów węglowych), brązowy lub czarny. Jego tekstura jest podobna do drewna, a zawartość węgla wynosi od 60 do 75%.

Jest to łatwopalne paliwo o niskiej wartości opałowej i niższej zawartości wody niż torf.

Istnieją ważne kopalnie węgla brunatnego w Niemczech, Rosji, Czechach, Włoszech (regiony Veneto, Toskania, Umbria) i Sardynii. W Hiszpanii złoża węgla brunatnego znajdują się w Asturii, Andorze, Saragossie i La Coruña.

Torf

Jest to materiał pochodzenia organicznego, którego formacja pochodzi z epoki czwartorzędu, znacznie nowszej niż poprzednie węgle.

Ma brązowo-żółty kolor i wygląda jak gąbczasta masa o niskiej gęstości, w której można zobaczyć szczątki roślin z miejsca, z którego pochodzi..

W przeciwieństwie do wyżej wymienionych węgli, torf nie pochodzi z procesów karbonizacji materiału drzewnego lub drewna, ale został utworzony przez nagromadzenie roślin - głównie ziół i mchów - na bagnistych obszarach w wyniku nie zakończonego procesu karbonizacji..

Torf ma wysoką zawartość wody; z tego powodu wymaga suszenia i zagęszczania przed użyciem.

Ma niską zawartość węgla (tylko 55%); dlatego ma niską wartość energetyczną. Po spaleniu jego popiół jest obfity i emituje dużo dymu.

W Chile, Argentynie (Tierra del Fuego), Hiszpanii (Espinosa de Cerrato, Palencia), Niemczech, Danii, Holandii, Rosji, Francji istnieją ważne złoża torfu.

Olej, gaz ziemny i bitum

Olej (z łaciny petrae, co oznacza „kamień”; i oleum, co oznacza „olej”: „olej skalny”) jest mieszaniną wielu związków organicznych - większości węglowodorów - wytwarzanych przez beztlenowy rozkład bakterii (w nieobecności tlenu) 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, który trwał miliony lat.

Podczas tego procesu C i H zostały uwolnione z tkanek organicznych i ponownie połączone z rekombinacją, tworząc ogromną liczbę węglowodorów, które są mieszane zgodnie z ich właściwościami, tworząc gaz ziemny, olej i bitum.

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

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

Właściwości fizyczne i chemiczne

Wśród właściwości węgla możemy wymienić następujące:

Symbol chemiczny

C.

Liczba atomowa

6.

Stan fizyczny

Ciało stałe, w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury (1 atmosfera i 25 ° C) °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 / cm3.

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w czterochlorku węgla CCl4.

Konfiguracja elektroniczna

1s2 2s2 2p2.

Liczba elektronów w warstwie zewnętrznej lub wartościowości

4.

Pojemność łącza

4.

Catenation

Ma zdolność tworzenia związków chemicznych w długich łańcuchach.

Cykl biogeochemiczny

Cykl węglowy jest kołowym procesem biogeochemicznym, w którym węgiel może być wymieniany między biosferą, atmosferą, hydrosferą i litosferą ziemską.

Wiedza o tym cyklicznym procesie węgla na Ziemi umożliwia wykazanie ludzkiego działania w tym cyklu i jego konsekwencji dla globalnej zmiany klimatu.

Węgiel może krążyć między oceanami i innymi częściami wód, a także między litosferą, glebą i podglebiem, atmosferą i biosferą. W atmosferze i hydrosferze węgiel występuje w postaci gazowej jako CO2 (dwutlenek węgla).

Fotosynteza

Węgiel w atmosferze jest wychwytywany przez organizmy lądowe i wodne ekosystemów (organizmy fotosyntetyczne).

Fotosynteza umożliwia wystąpienie reakcji chemicznej między CO2 i woda, za pośrednictwem energii słonecznej i chlorofilu z roślin, do produkcji węglowodanów lub cukrów. Proces ten przekształca proste cząsteczki o niskiej zawartości energii CO2, H2O i tlen O2, w złożonych formach molekularnych o wysokiej energii, które są cukrami.

Organizmy heterotroficzne - które nie mogą przeprowadzić fotosyntezy i są konsumentami w ekosystemach - uzyskują węgiel i energię podczas karmienia się producentów i innych konsumentów.

Oddychanie i rozkład

Oddychanie i rozkład to procesy biologiczne, które uwalniają węgiel do środowiska w postaci CO2 lub CH4 (metan wytwarzany w procesie rozkładu beztlenowego, tj. bez tlenu).

Procesy geologiczne

Dzięki procesom geologicznym i konsekwencjom upływu czasu węgiel beztlenowego rozkładu można przekształcić 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 do energii, węgiel powraca do atmosfery w postaci ogromnych ilości CO2 które nie mogą być przyswojone przez naturalny cykl biogeochemiczny węgla.

Ten nadmiar CO2 wytwarzany przez działalność człowieka negatywnie wpływa na równowagę cyklu węglowego i jest główną przyczyną globalnego ocieplenia.

Używa

Zastosowania węgla i jego związków są bardzo zróżnicowane. Najwybitniejszy z następujących:

Ropa naftowa i gaz ziemny

Główne ekonomiczne wykorzystanie węgla jest reprezentowane przez jego zastosowanie jako węglowodoru z paliw kopalnych, takiego jak metan i ropa naftowa..

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 produkuje surowce dla przemysłu tworzyw sztucznych, nawozów, farmaceutyków i farb. , między innymi.

Grafit

Grafit jest używany w następujących działaniach:

- Służy do produkcji ołówków zmieszanych z glinkami.

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

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

- Jest to doskonały smar stały.

- Ze względu na przewodność elektryczną i obojętność chemiczną, jest on stosowany w produkcji elektrod, węgli silników elektrycznych.

- Jest używany jako moderator w elektrowniach jądrowych.

Diament

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

Cechy te pozwalają na przemysłowe zastosowania w narzędziach do cięcia i polerowania narzędzi o wysokiej ścieralności.

Jego właściwości optyczne, takie jak przezroczystość i zdolność do rozbijania białego światła i załamania światła, dają mu wiele zastosowań w instrumentach optycznych, takich jak produkcja soczewek i pryzmatów.

Charakterystyczna jasność wynikająca z jego właściwości optycznych jest również bardzo ceniona w przemyśle jubilerskim.

Antracyt

Antracyt ma trudności z zapłonem, jest powolny i wymaga dużej ilości tlenu. Jego spalanie powoduje powstanie niewielkiego płomienia o jasnoniebieskim kolorze i emisji dużej ilości ciepła.

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

Ze względu na wysokie koszty ekonomiczne i niedostatek antracyt został zastąpiony przez gaz ziemny w elektrowniach termoelektrycznych i przez energię elektryczną w domach.

Węgiel kamienny

Węgiel jest wykorzystywany jako surowiec do uzyskania:

- Koks, paliwo z wielkich pieców w stalowniach.

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

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

- Inne pochodne, takie jak gaz, smoła lub smoła, oraz związki używane do produkcji perfum, insektycydów, tworzyw sztucznych, farb, opon i nawierzchni drogowych, między innymi.

Węgiel brunatny

Węgiel brunatny stanowi paliwo średniej jakości. Strumień, odmiana węgla brunatnego, charakteryzuje się bardzo zwartą strukturą dzięki długiemu procesowi karbonizacji i wysokiemu ciśnieniu, i jest stosowany w biżuterii i ozdobach.

Torf

Torf jest wykorzystywany w następujących czynnościach;

- Do wzrostu, wspierania i transportu gatunków roślin.

- Jako nawóz organiczny.

- Jako łóżko zwierząt w stajniach.

- Jako paliwo niskiej jakości.

Referencje

  1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. i Price, G. (2017). Chemia3: wprowadzenie chemii nieorganicznej, organicznej i fizycznej. Oxford University Press.
  2. Deming, A. (2010). Król elementów? Nanotechnologia 21 (30): 300201. doi: 10.1088
  3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. i Zandbergen, H. (2004). Nadmierność oleju grafitowego. Physical Review Letters. 92 (12): 126101. doi: 10,1103
  4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. i Sumiya, H. (2003). Materiały: Ultrahartowy diament polikrystaliczny 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