CARBON TRONG TỰ NHIÊN: VỊ TRÍ, ĐẶC TÍNH VÀ CÔNG DỤNG - GEOGRAFÍA - 2025

Các cacbon trong tự nhiên có thể được tìm thấy trong những viên kim cương, dầu và Graphit, trong số rất nhiều tình huống khác. Nguyên tố hóa học này chiếm vị trí thứ sáu trong bảng tuần hoàn và nằm ở hàng ngang hoặc chu kỳ 2 và cột 14. Nó là phi kim và hóa trị bốn; nghĩa là, nó có thể thiết lập 4 liên kết hóa học chung electron hoặc liên kết cộng hóa trị.

Carbon là nguyên tố phong phú nhất trong vỏ trái đất. Sự phong phú này, sự đa dạng độc đáo trong việc hình thành các hợp chất hữu cơ và khả năng đặc biệt của nó để tạo thành các đại phân tử hoặc polyme ở nhiệt độ thường thấy trên Trái đất, khiến nó trở thành một nguyên tố chung của tất cả các dạng sống đã biết.

Hình 1. Cacbon ở dạng khoáng. Nguồn: Rdamian1234, từ Wikimedia Commons

Cacbon tồn tại trong tự nhiên như một nguyên tố hóa học mà không kết hợp ở dạng than chì và kim cương. Tuy nhiên, phần lớn nó được kết hợp để tạo thành các hợp chất hóa học cacbon, chẳng hạn như canxi cacbonat (CaCO ₃ ) và các hợp chất khác trong dầu và khí tự nhiên.

Nó cũng tạo thành các khoáng chất khác nhau như than antraxit, than đá, than non và than bùn. Tầm quan trọng lớn nhất của carbon là nó tạo nên cái gọi là "khối xây dựng của sự sống" và có mặt trong tất cả các sinh vật sống.

Carbon được tìm thấy ở đâu và ở dạng nào?

Ngoài vai trò là nguyên tố hóa học thành phần phổ biến trong mọi dạng sống, cacbon trong tự nhiên còn tồn tại ở ba dạng tinh thể: kim cương, than chì và fullerene.

Ngoài ra còn có một số dạng khoáng vật vô định hình như than đá (than antraxit, than non, than đá, than bùn), dạng lỏng (dạng dầu) và dạng khí (khí tự nhiên).

Dạng tinh thể

Ở dạng tinh thể, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau để tạo thành các mẫu có trật tự với sự sắp xếp không gian hình học.

Than chì

Nó là một chất rắn màu đen mềm với ánh kim loại hoặc ánh kim loại và chịu nhiệt (chịu lửa). Cấu trúc tinh thể của nó thể hiện các nguyên tử cacbon liên kết trong các vòng lục giác, đến lượt nó, liên kết các tấm tạo thành.

Các mỏ than chì rất hiếm và đã được tìm thấy ở Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Triều Tiên và Canada.

Kim cương

Nó là một chất rắn rất cứng, trong suốt đối với ánh sáng truyền qua và đặc hơn nhiều so với than chì: giá trị mật độ của kim cương gần như gấp đôi so với than chì.

Các nguyên tử cacbon trong kim cương liên kết với nhau theo hình học tứ diện. Tương tự như vậy, kim cương được hình thành từ than chì trong điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao (3.000 ^° C và 100.000 atm).

Hầu hết các viên kim cương nằm sâu từ 140 đến 190 km trong lớp phủ. Thông qua các vụ phun trào núi lửa sâu, magma có thể vận chuyển chúng đến những khoảng cách gần với bề mặt.

Có mỏ kim cương ở Châu Phi (Namibia, Ghana, Cộng hòa Dân chủ Congo, Sierra Leone và Nam Phi), Châu Mỹ (Brazil, Colombia, Venezuela, Guyana, Peru), Châu Đại Dương (Úc) và Châu Á (Ấn Độ).

Hình 3. Than đá và kim cương. Nguồn: XAVI999, từ Wikimedia Commons.

Fullerenes

Chúng là dạng phân tử của cacbon tạo thành các cụm 60 và 70 nguyên tử cacbon trong các phân tử gần như hình cầu, tương tự như quả bóng đá.

Ngoài ra còn có các fulleren nhỏ hơn gồm 20 nguyên tử cacbon. Một số dạng fulleren bao gồm ống nano cacbon và sợi cacbon.

Hình 4. Fullerene. IMeowbot, qua Wikimedia Commons

Các dạng vô định hình

Ở dạng vô định hình, các nguyên tử cacbon không liên kết với nhau, tạo thành một cấu trúc tinh thể có trật tự và đều đặn. Thay vào đó, chúng thậm chí còn chứa các tạp chất từ ​​các nguyên tố khác.

Than antraxit

Nó là loại than khoáng biến chất lâu đời nhất (xuất phát từ sự biến đổi của đá do tác động của nhiệt độ, áp suất hoặc tác động hóa học của chất lỏng), vì sự hình thành của nó có từ thời nguyên sinh hoặc Paleozoi, kỷ Cacbonic.

Antraxit là dạng cacbon vô định hình có hàm lượng nguyên tố này cao nhất: từ 86 đến 95%. Nó có màu đen xám với ánh kim loại, nặng và nhỏ gọn.

Anthracite thường được tìm thấy trong các đới biến dạng địa chất và chiếm khoảng 1% trữ lượng than trên thế giới.

Về mặt địa lý, nó được tìm thấy ở Canada, Mỹ, Nam Phi, Pháp, Anh, Đức, Nga, Trung Quốc, Úc và Colombia.

Hình 5. Anthracite, loại than cổ nhất có hàm lượng cacbon cao nhất. Educerva, từ Wikimedia Commons

Than đá

Nó là một loại than khoáng, một loại đá trầm tích có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành từ các thời đại Paleozoi và Mesozoi. Nó có hàm lượng carbon từ 75 đến 85%.

Nó có màu đen, đặc trưng là không trong suốt và có vẻ ngoài mờ và nhờn, vì nó có hàm lượng cao các chất bitum. Nó được hình thành do sự nén của than non trong kỷ Paleozoi, trong kỷ Cacbon và kỷ Permi.

Đây là dạng cacbon phong phú nhất trên hành tinh. Có các mỏ than lớn ở Hoa Kỳ, Anh, Đức, Nga và Trung Quốc.

Lignit

Nó là một loại than hóa thạch khoáng sản được hình thành từ kỷ Đệ Tam từ than bùn bằng cách nén (áp suất cao). Nó có hàm lượng carbon thấp hơn than đá, từ 70 đến 80%.

Nó là một vật liệu hơi đặc, dễ vỡ vụn (đặc điểm để phân biệt nó với các khoáng chất cacbon khác), có màu nâu hoặc đen. Kết cấu của nó tương tự như của gỗ và hàm lượng carbon của nó dao động từ 60 đến 75%.

Đây là một loại nhiên liệu dễ bắt lửa, có nhiệt trị thấp và hàm lượng nước thấp hơn than bùn.

Có các mỏ than non quan trọng ở Đức, Nga, Cộng hòa Séc, Ý (vùng Veneto, Tuscany, Umbria) và Sardinia. Ở Tây Ban Nha, các mỏ than non nằm ở Asturias, Andorra, Zaragoza và La Coruña.

Than bùn

Nó là một vật liệu có nguồn gốc hữu cơ mà sự hình thành bắt nguồn từ kỷ nguyên Đệ tứ, gần đây hơn nhiều so với các loại than trước đây.

Nó có màu vàng nâu và xuất hiện dưới dạng một khối xốp có mật độ thấp, trong đó bạn có thể nhìn thấy xác thực vật từ nơi nó xuất phát.

Không giống như các loại than đã đề cập ở trên, than bùn không đến từ quá trình cacbon hóa vật liệu gỗ hoặc gỗ, mà được hình thành do sự tích tụ của thực vật - chủ yếu là cỏ và rêu - trong các khu vực đầm lầy thông qua quá trình cacbon hóa chưa được hoàn thành. .

Than bùn có hàm lượng nước cao; vì lý do này nó cần phải làm khô và nén chặt trước khi sử dụng.

Nó có hàm lượng carbon thấp (chỉ 55%); do đó, nó có giá trị năng lượng thấp. Khi bị đốt cháy, cặn tro của nó rất nhiều và bốc ra nhiều khói.

Có các mỏ than bùn quan trọng ở Chile, Argentina (Tierra del Fuego), Tây Ban Nha (Espinosa de Cerrato, Palencia), Đức, Đan Mạch, Hà Lan, Nga, Pháp.

Hình 6. Hồ chứa than bùn. Christian Fischer, từ Wikimedia Commons

Dầu, khí tự nhiên và bitum

Dầu mỏ (từ tiếng Latinh petrae, có nghĩa là "đá"; và oleum, có nghĩa là "dầu": "dầu đá") là một hỗn hợp của nhiều hợp chất hữu cơ - hầu hết là hydrocacbon - được tạo ra bởi sự phân hủy của vi khuẩn kỵ khí (trong trường hợp không có oxy) của chất hữu cơ.

Nó được hình thành trong lòng đất, ở độ sâu lớn và trong những điều kiện đặc biệt cả vật lý (áp suất và nhiệt độ cao) và hóa học (sự hiện diện của các hợp chất xúc tác cụ thể) trong một quá trình kéo dài hàng triệu năm.

Trong quá trình này, C và H được giải phóng khỏi các mô hữu cơ và liên kết, tái kết hợp một lần nữa, để tạo thành vô số hydrocacbon trộn lẫn theo đặc tính của chúng, tạo thành khí tự nhiên, dầu và bitum.

Các mỏ dầu trên thế giới chủ yếu nằm ở Venezuela, Ả Rập Saudi, Iraq, Iran, Kuwait, Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, Nga, Libya, Nigeria và Canada.

Có trữ lượng khí đốt tự nhiên ở Nga, Iran, Venezuela, Qatar, Hoa Kỳ, Ả Rập Xê-út và Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, cùng những nước khác.

Các tính chất vật lý và hóa học

Trong số các tính chất của cacbon, chúng ta có thể kể đến như sau:

Ký hiệu hóa học

C.

Số nguyên tử

6.

Tình trạng thể chất

Chất rắn, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường (1 khí quyển và 25 ^° C).

Màu sắc

Xám (than chì) và trong suốt (kim cương).

Khối lượng nguyên tử

12,011 g / mol.

Độ nóng chảy

500 ^° C.

Điểm sôi

827 ^° C.

Tỉ trọng

2,62 g / cm ³ .

Độ hòa tan

Không tan trong nước, tan trong CCl ₄ cacbon tetraclorua .

Cấu hình điện tử

1s ² 2s ² 2p ² .

Số electron ở lớp ngoài cùng hoặc lớp vỏ hóa trị

Bốn.

Năng lực liên kết

Bốn.

Phục vụ ăn uống

Nó có khả năng tạo thành các hợp chất hóa học trong chuỗi dài.

Chu trình sinh địa hóa

Chu trình cacbon là một quá trình vòng tròn sinh địa hóa, qua đó cacbon có thể được trao đổi giữa sinh quyển, khí quyển, thủy quyển và thạch quyển của Trái đất.

Kiến thức về quá trình tuần hoàn của cacbon trên Trái đất giúp chúng ta có thể chứng minh hành động của con người đối với chu trình này và hậu quả của nó đối với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Các-bon có thể luân chuyển giữa đại dương và các khối nước khác, cũng như giữa thạch quyển, trong đất và lòng đất, trong khí quyển và sinh quyển. Trong khí quyển và thủy quyển, carbon tồn tại ở thể khí là CO ₂ (carbon dioxide).

Quang hợp

Carbon từ khí quyển được thu giữ bởi các sinh vật sản xuất trên cạn và dưới nước trong hệ sinh thái (sinh vật quang hợp).

Quang hợp cho phép một phản ứng hóa học giữa CO ₂ và nước xảy ra , qua trung gian của năng lượng mặt trời và chất diệp lục từ thực vật, để tạo ra carbohydrate hoặc đường. Quá trình này biến đổi các phân tử đơn giản có hàm lượng năng lượng thấp của CO ₂ , H ₂ O và oxy O ₂ , thành các dạng phân tử năng lượng cao phức tạp, đó là đường.

Các sinh vật dị dưỡng - không thể quang hợp và là sinh vật tiêu thụ trong hệ sinh thái - lấy cacbon và năng lượng bằng cách cung cấp cho người sản xuất và người tiêu dùng khác.

Hô hấp và phân hủy

Hô hấp và phân hủy là quá trình sinh học giải phóng carbon vào môi trường dưới dạng CO ₂ hoặc CH ₄ (khí mêtan sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí; tức là trong điều kiện thiếu oxy).

Quá trình địa chất

Thông qua các quá trình địa chất và do thời gian trôi qua, cacbon từ quá trình phân hủy kỵ khí có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu hóa thạch như dầu, khí tự nhiên và than đá. Tương tự như vậy, carbon cũng là một phần của các khoáng chất và đá khác.

Can thiệp hoạt động của con người

Khi con người sử dụng việc đốt nhiên liệu hóa thạch để làm năng lượng, carbon sẽ quay trở lại bầu khí quyển dưới dạng một lượng lớn CO ₂ mà chu trình sinh địa hóa tự nhiên của carbon không thể đồng hóa được.

Lượng CO ₂ dư thừa này do hoạt động của con người tạo ra sẽ tác động tiêu cực đến sự cân bằng của chu trình carbon và là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Hình 2. Chu trình sinh địa hóa của cacbon. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Người dùng Kevin Saff trên en.wikipedia Tác phẩm phái sinh: FischX Dịch: Tomás Clarke, thông qua Wikimedia Commons

Các ứng dụng

Việc sử dụng cacbon và các hợp chất của nó rất đa dạng. Nổi bật nhất với những điều sau:

Dầu khí tự nhiên

Việc sử dụng kinh tế chính của carbon được thể hiện bằng việc sử dụng nó như một hydrocacbon nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như khí mêtan và dầu.

Dầu được chưng cất trong các nhà máy lọc dầu để thu được nhiều dẫn xuất như xăng, dầu diesel, dầu hỏa, nhựa đường, chất bôi trơn, dung môi và những chất khác, lần lượt được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa dầu, sản xuất nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp nhựa, phân bón, thuốc và sơn. , trong số khác.

Than chì

Graphite được sử dụng trong các hoạt động sau:

- Nó được sử dụng trong sản xuất bút chì, trộn với đất sét.

- Là một phần của quá trình chế tạo gạch chịu lửa và nồi nấu kim loại, chịu nhiệt.

- Trong các thiết bị cơ khí khác nhau như vòng đệm, vòng bi, piston và con dấu.

- Nó là một chất bôi trơn rắn tuyệt vời.

- Do tính dẫn điện và tính trơ về mặt hóa học nên nó được dùng trong sản xuất điện cực, cácbon cho động cơ điện.

- Nó được sử dụng như một bộ điều độ trong các nhà máy điện hạt nhân.

Kim cương

Kim cương có các tính chất vật lý đặc biệt đặc biệt, chẳng hạn như độ cứng và độ dẫn nhiệt cao nhất được biết đến cho đến nay.

Những đặc điểm này cho phép ứng dụng công nghiệp trong các công cụ dùng để cắt và dụng cụ để đánh bóng do độ mài mòn cao của chúng.

Các đặc tính quang học của nó - chẳng hạn như độ trong suốt và khả năng phá vỡ ánh sáng trắng và khúc xạ ánh sáng - mang lại cho nó nhiều ứng dụng trong các dụng cụ quang học, chẳng hạn như trong sản xuất thấu kính và lăng kính.

Ánh sáng đặc trưng bắt nguồn từ tính chất quang học của nó cũng được đánh giá cao trong ngành trang sức.

Than antraxit

Anthracite khó bắt lửa, cháy chậm và cần nhiều oxy. Quá trình đốt cháy của nó tạo ra ít ngọn lửa màu xanh nhạt và tỏa ra nhiều nhiệt.

Cách đây vài năm, antraxit đã được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện và để sưởi ấm trong nước. Việc sử dụng nó có những ưu điểm như tạo ra ít tro hoặc bụi, ít khói và quá trình cháy chậm.

Do chi phí kinh tế cao và sự khan hiếm của nó, antraxit đã được thay thế bằng khí tự nhiên trong các nhà máy nhiệt điện và bằng điện trong gia đình.

Than đá

Than được sử dụng làm nguyên liệu thô để thu được:

- Than cốc, nhiên liệu từ lò cao trong các nhà máy luyện thép.

- Creosote, thu được bằng cách trộn các sản phẩm chưng cất hắc ín từ than đá và được sử dụng làm chất bịt kín bảo vệ gỗ tiếp xúc với các yếu tố.

- Cresol (methylphenol về mặt hóa học) chiết xuất từ ​​than đá và được sử dụng như một chất khử trùng và sát trùng,

- Các chất dẫn xuất khác như khí đốt, hắc ín, và các hợp chất được sử dụng trong sản xuất nước hoa, thuốc diệt côn trùng, chất dẻo, sơn, lốp xe và mặt đường, v.v.

Lignit

Lignite đại diện cho một loại nhiên liệu chất lượng trung bình. Máy bay phản lực, một loại than non, có đặc điểm là rất nhỏ gọn do quá trình cacbon hóa kéo dài và áp suất cao, và được sử dụng trong đồ trang sức và trang trí.

Than bùn

Than bùn được sử dụng trong các hoạt động sau đây;

- Đối với sự phát triển, hỗ trợ và vận chuyển của các loài thực vật.

- Là phân hữu cơ.

- Làm giường thú trong chuồng.

- Là nhiên liệu chất lượng thấp.

Người giới thiệu

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. và Price, G. (2017). Hóa học3: Giới thiệu Hóa học vô cơ, hữu cơ và hóa lý. Nhà xuất bản Đại học Oxford.
2. Deming, A. (2010). Vua của các nguyên tố? Công nghệ nano. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. và Zandbergen, H. (2004). Tính siêu bôi trơn của Graphit. Thư đánh giá vật lý. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. và Sumiya, H. (2003). Vật liệu: Kim cương đa tinh thể siêu cứng từ than chì. Thiên nhiên. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Các phép đo điểm nóng chảy của than chì và các đặc tính của cacbon lỏng (đánh giá cho năm 1963–2003). Than đá. 43 (6): 1115. doi: 10.1016