UHLÍK V PRÍRODE: UMIESTNENIE, VLASTNOSTI A POUŽITIE - GEOGRAFIA - 2026

Uhlíka v prírode sa nachádza v diamanty, oleje a grafity, okrem mnohých iných situáciách. Tento chemický prvok zaujíma šieste miesto v periodickej tabuľke a je umiestnený v horizontálnom riadku alebo perióde 2 a stĺpci 14. Je nekovový a štvormocný; to znamená, že môže vytvoriť 4 zdieľané elektrónové chemické väzby alebo kovalentné väzby.

Uhlík je najhojnejším prvkom zemskej kôry. Táto hojnosť, jej jedinečná rôznorodosť pri tvorbe organických zlúčenín a jej mimoriadna schopnosť tvoriť makromolekuly alebo polyméry pri teplotách, ktoré sa bežne vyskytujú na Zemi, spôsobuje, že slúži ako spoločný prvok všetkých známych foriem života.

Obrázok 1. Uhlík v jeho minerálnej forme. Zdroj: Rdamian1234, z Wikimedia Commons

Uhlík v prírode existuje ako chemický prvok bez toho, aby sa kombinoval vo forme grafitu a diamantu. Avšak vo väčšine prípadov, že je v kombinácii s chemickými zlúčeninami forma uhlíka, ako je napríklad uhličitan vápenatý (CaCO ₃ ), a iné zlúčeniny, ropy a zemného plynu.

Vytvára tiež rôzne minerály ako antracit, uhlie, lignit a rašelinu. Najväčší význam uhlíka je v tom, že predstavuje takzvaný „stavebný blok života“ a je prítomný vo všetkých živých organizmoch.

Kde sa nachádza uhlík a v akej forme?

Okrem toho, že uhlík je prírodný komponent vo všetkých formách života, je prítomný v troch kryštalických formách: diamant, grafit a fullerén.

Existuje aj niekoľko amorfných minerálnych foriem uhlia (antracit, lignit, uhlie, rašelina), kvapalných foriem (olejové odrody) a plynných (zemný plyn).

Kryštalické formy

V kryštalických formách sa atómy uhlíka spájajú a vytvárajú usporiadané vzory s geometrickým priestorovým usporiadaním.

grafit

Je to mäkká čierna pevná látka s kovovým leskom alebo leskom a žiaruvzdorná (žiaruvzdorná). Jeho kryštalická štruktúra predstavuje atómy uhlíka spojené do šesťuholníkových kruhov, ktoré zase spájajú formovacie listy.

Vklady grafitu sú zriedkavé a našli sa v Číne, Indii, Brazílii, Severnej Kórei a Kanade.

diamant

Je to veľmi tvrdá pevná látka, priepustná pre priechod svetla a omnoho hustejšia ako grafit: hodnota hustoty diamantu je takmer dvojnásobkom hodnoty grafitu.

Atómy uhlíka v diamantu sú spojené v tetraedrickej geometrii. Podobne je diamant tvorený z grafitu, ktorý je vystavený veľmi vysokým teplotám a tlakom (3 000 ^° C a 100 000 atm).

Väčšina diamantov sa nachádza v hĺbke 140 až 190 km v plášti. Prostredníctvom hlbokých sopečných erupcií ich magma môže prepraviť na vzdialenosti blízko k povrchu.

Diamantové ložiská sa nachádzajú v Afrike (Namíbia, Ghana, Konžská demokratická republika, Sierra Leone a Južná Afrika), Amerike (Brazília, Kolumbia, Venezuela, Guyana, Peru), Oceánii (Austrália) a Ázii (India).

Obrázok 3. Uhlie a diamant. Zdroj: XAVI999, z Wikimedia Commons.

fullerény

Sú to molekulárne formy uhlíka, ktoré tvoria zhluky s 60 a 70 atómami uhlíka v takmer sférických molekulách, podobné futbalovým loptičkám.

Existujú tiež menšie fullerény s 20 atómami uhlíka. Niektoré formy fullerénov zahŕňajú uhlíkové nanorúrky a uhlíkové vlákna.

Obrázok 4. Fullerén. IMeowbot, prostredníctvom Wikimedia Commons

Amorfné formy

V amorfných formách sa atómy uhlíka nezjednotia a vytvárajú usporiadanú a pravidelnú kryštalickú štruktúru. Namiesto toho obsahujú dokonca nečistoty z iných prvkov.

antracit

Je to najstaršie metamorfné uhlie (ktoré pochádza z modifikácie hornín pôsobením teploty, tlaku alebo chemického pôsobenia tekutín), pretože jeho vznik sa datuje od primárnej alebo paleozoickej éry, karbonského obdobia.

Antracit je amorfná forma uhlíka s najvyšším obsahom tohto prvku: medzi 86 a 95%. Je šedo-čiernej farby s kovovým leskom a je ťažký a kompaktný.

Antracit sa všeobecne vyskytuje v geologických deformačných zónach a predstavuje asi 1% svetových zásob uhlia.

Geograficky sa vyskytuje v Kanade, USA, Južnej Afrike, Francúzsku, Veľkej Británii, Nemecku, Rusku, Číne, Austrálii a Kolumbii.

Obrázok 5. Antracit, najstaršie uhlie s najvyšším obsahom uhlíka. Educerva, z Wikimedia Commons

uhlie

Je to minerálne uhlie, sedimentárna hornina organického pôvodu, ktorej vznik pochádza z obdobia paleozoika a mezozoika. Obsah uhlíka je medzi 75 a 85%.

Má čiernu farbu, vyznačuje sa nepriehľadnosťou a matným a mastným vzhľadom, pretože má vysoký obsah bitúmenových látok. Tvorí sa zlisovaním hnedého uhlia v období paleozoika, v karbonských a permských obdobiach.

Je to najhojnejšia forma uhlíka na planéte. V Spojených štátoch, Veľkej Británii, Nemecku, Rusku a Číne sú veľké ložiská uhlia.

hnedé uhlie

Je to minerálne fosílne uhlie, ktoré sa v treťohornej ére vytvára z rašeliny lisovaním (vysoké tlaky). Má nižší obsah uhlíka ako uhlie medzi 70 a 80%.

Je to mierne kompaktný materiál, drobivý (charakteristika, ktorá ho odlišuje od ostatných uhlíkových minerálov), hnedej alebo čiernej farby. Jeho textúra je podobná ako u dreva a jej obsah uhlíka je v rozsahu od 60 do 75%.

Je to ľahko vznietiteľné palivo s nízkou výhrevnosťou a nižším obsahom vody ako rašelina.

V Nemecku, Rusku, Českej republike, Taliansku (oblasti Veneto, Toskánsko, Umbria) a na Sardínii sa nachádzajú dôležité hnedouhoľné bane. V Španielsku sa ložiská hnedého uhlia nachádzajú v Astúrii, Andorre, Zaragoze a La Coruñe.

rašelina

Je to materiál organického pôvodu, ktorého tvorba pochádza z obdobia kvartéru, oveľa novšej ako predchádzajúce uhlie.

Je to hnedasto-žltá farba a objavuje sa vo forme hubovitej hmoty s nízkou hustotou, v ktorej môžete vidieť zvyšky rastlín z miesta, z ktorého pochádza.

Na rozdiel od vyššie uvedených uhlia rašelina nepochádza z procesov karbonizácie drevného materiálu alebo dreva, ale bola vytvorená akumuláciou rastlín - trávnatých tráv a machov - v močaristých oblastiach prostredníctvom procesu karbonizácie, ktorý ešte nebol dokončený. ,

Rašelina má vysoký obsah vody; z tohto dôvodu si pred použitím vyžaduje sušenie a zhutnenie.

Má nízky obsah uhlíka (iba 55%); preto má nízku energetickú hodnotu. Pri spaľovaní je jeho popolček hojný a emituje veľa dymu.

Významné ložiská rašeliny sa nachádzajú v Čile, Argentíne (Tierra del Fuego), Španielsku (Espinosa de Cerrato, Palencia), Nemecku, Dánsku, Holandsku, Rusku, Francúzsku.

Obrázok 6. Nádrž rašeliny. Christian Fischer, z Wikimedia Commons

Ropa, zemný plyn a bitúmen

Ropa (z latinskej petrae, ktorá znamená „kameň“ a oleum, čo znamená „olej“: „horninový olej“) je zmesou mnohých organických zlúčenín - väčšina z nich uhľovodíkov - produkovaných anaeróbnym bakteriálnym rozkladom (v neprítomnosti kyslíka) organických látok.

Vznikol v podloží vo veľkých hĺbkach a za zvláštnych podmienok tak fyzikálne (vysoké tlaky a teploty), ako aj chemické (prítomnosť konkrétnych katalytických zlúčenín) v procese, ktorý trval milióny rokov.

Počas tohto procesu sa C a H uvoľňovali z organických tkanív a znova sa spojili, čím sa vytvorilo obrovské množstvo uhľovodíkov, ktoré sa zmiešali podľa svojich vlastností, čím sa vytvoril zemný plyn, olej a bitúmen.

Svetové ropné polia sa nachádzajú hlavne vo Venezuele, Saudskej Arábii, Iraku, Iráne, Kuvajte, Spojených arabských emirátoch, Rusku, Líbyi, Nigérii a Kanade.

Zásoby zemného plynu sú okrem iného v Rusku, Iráne, Venezuele, Katare, Spojených štátoch, Saudskej Arábii a Spojených arabských emirátoch.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

Medzi vlastnosti uhlíka patrí:

Chemický symbol

C.

Atómové číslo

6.

Fyzický stav

Tuhá látka za normálnych podmienok tlaku a teploty (1 atmosféra a 25 ^° C).

farba

Šedá (grafitová) a priehľadná (diamantová).

Atómová hmota

12,011 g / mol.

Bod topenia

500 ^° C

Bod varu

827 ^° C.

Hustota

2,62 g / cm ³ .

rozpustnosť

Nerozpustný vo vode, rozpustný v CCl ₄ chloridu uhličitého .

Elektronická konfigurácia

1s ² 2s ² 2p ² .

Počet elektrónov vo vonkajšom alebo valenčnom obale

Four.

Kapacita prepojenia

Four.

Catenation

Má schopnosť tvoriť chemické zlúčeniny v dlhých reťazcoch.

Biogeochemický cyklus

Uhlíkový cyklus je biogeochemický kruhový proces, prostredníctvom ktorého sa dá uhlík vymieňať medzi biosférou, atmosférou, hydrosférou a litosférou Zeme.

Znalosť tohto cyklického procesu uhlíka na Zemi umožňuje demonštrovať ľudskú činnosť v tomto cykle a jej dôsledky na globálnu zmenu podnebia.

Uhlík môže cirkulovať medzi oceánmi a inými vodnými útvarmi, ako aj medzi litosférou, v pôde a podloží, v atmosfére a v biosfére. V atmosfére a hydrosféry, uhlík existuje v plynnej forme, ako CO ₂ (oxid uhličitý).

fotosyntéza

Uhlík z atmosféry zachytávajú suchozemské a vodné organizmy v ekosystémoch (fotosyntetické organizmy).

Fotosyntéza umožňuje chemickú reakciu medzi CO ₂ a vody , aby došlo , sprostredkované slnečnej energie a chlorofylu z rastlín, na výrobu sacharidov alebo cukry. Tento postup transformuje jednoduché molekuly s nízkym energetickým obsahom CO ₂ , H ₂ O a kyslík O ₂ , do zložitých molekulárnych foriem s vysokou energiou, ktoré sú cukry.

Heterotropné organizmy, ktoré nemôžu fotosyntetizovať a sú spotrebiteľmi v ekosystémoch, získavajú uhlík a energiu tým, že sa živia výrobcami a inými spotrebiteľmi.

Dýchanie a rozklad

Dýchanie a rozklad sú biologické procesy, ktoré uvoľňovanie uhlíka do životného prostredia vo forme CO ₂ a CH ₄ (metánu v anaeróbnom rozklade, to znamená v neprítomnosti kyslíka).

Geologické procesy

Prostredníctvom geologických procesov av dôsledku času sa môže uhlík z anaeróbneho rozkladu premeniť na fosílne palivá, ako je ropa, zemný plyn a uhlie. Rovnako je uhlík súčasťou iných minerálov a hornín.

Rušenie ľudskej činnosti

Keď človek používa spaľovanie fosílnych palív na energiu, uhlíka vracia do atmosféry vo forme veľkého množstva CO ₂ , ktoré nemôžu byť prirovnať prirodzeným bio-geochemický uhlíkového cyklu.

Tento prebytok CO ₂ produkovaný ľudskou činnosťou záporne ovplyvňuje bilancie uhlíkového cyklu a je hlavnou príčinou globálneho otepľovania.

Obrázok 2. Biogeochemický cyklus uhlíka. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Používateľ Kevin Saff na en.wikipedia Derivatívna práca: FischX Preklad: Tomás Clarke, Wikimedia Commons

aplikácia

Použitie uhlíka a jeho zlúčenín je veľmi rozmanité. Najvýznamnejšie s týmto:

Ropa a zemný plyn

Hlavné ekonomické využitie uhlíka predstavuje jeho použitie ako uhľovodík z fosílnych palív, ako je plynný metán a ropa.

Ropa sa destiluje v rafinériách na získanie viacerých derivátov, ako sú benzín, nafta, petrolej, asfalt, mazadlá, rozpúšťadlá a iné, ktoré sa zase používajú v petrochemickom priemysle, ktorý vyrába suroviny pre priemysel plastov, hnojív, liekov a farieb. , okrem iného.

grafit

Grafit sa používa v nasledujúcich činnostiach:

- Používa sa pri výrobe ceruziek zmiešaných s hlinkou.

- Je súčasťou spracovania žiaruvzdorných tehál a téglikov odolných voči teplu.

- V rôznych mechanických zariadeniach, ako sú podložky, ložiská, piesty a tesnenia.

- Je to vynikajúce tuhé mazivo.

- Vzhľadom na svoju elektrickú vodivosť a chemickú inertnosť sa používa pri výrobe elektród, uhlíkov pre elektrické motory.

- Používa sa ako moderátor v jadrových elektrárňach.

diamant

Diamant má mimoriadne výnimočné fyzikálne vlastnosti, ako je doteraz známy najvyšší stupeň tvrdosti a tepelnej vodivosti.

Tieto vlastnosti umožňujú priemyselné použitie v nástrojoch používaných na rezy a nástroje na leštenie z dôvodu ich vysokej abrazivity.

Jeho optické vlastnosti - napríklad priehľadnosť a schopnosť rozkladať biele svetlo a lámať svetlo - mu poskytujú mnoho aplikácií v optických prístrojoch, napríklad pri výrobe šošoviek a hranolov.

Charakteristický lesk odvodený z jeho optických vlastností je vysoko cenený v klenotníckom priemysle.

antracit

Antracit je ťažké vznietiť, pomaly horí a vyžaduje veľa kyslíka. Jeho spaľovanie vytvára malý bledomodrý plameň a vyžaruje veľa tepla.

Pred niekoľkými rokmi sa antracit používal v termoelektrických zariadeniach a na vykurovanie domácností. Jeho použitie má výhody, ako je výroba malého popola alebo prachu, málo dymu a pomalý proces spaľovania.

V dôsledku vysokých ekonomických nákladov a jeho nedostatku bol antracit nahradený zemným plynom v tepelných elektrárňach a elektrickou energiou v domácnostiach.

uhlie

Uhlie sa používa ako surovina na získanie:

- Koks, palivo z vysokých pecí v oceliarňach.

- kreozot získaný zmiešaním destilátov dechtu z uhlia a používaných ako ochranný tmel na drevo vystavené týmto prvkom.

- krezol (chemicky metylfenol) extrahovaný z uhlia a používaný ako dezinfekčný a antiseptický prostriedok,

- Ostatné deriváty ako plyn, decht alebo smola a zlúčeniny používané okrem iného na výrobu parfumov, insekticídov, plastov, farieb, pneumatík a vozoviek.

hnedé uhlie

Lignit predstavuje palivo strednej kvality. Jet, rôzne hnedé uhlie, sa vyznačuje veľmi kompaktnosťou vďaka dlhému procesu karbonizácie a vysokým tlakom a používa sa v šperkoch a ozdobách.

rašelina

Rašelina sa používa na nasledujúce činnosti;

- Na rast, podporu a prepravu rastlinných druhov.

- Ako organický kompost.

- Ako lôžko pre zvieratá v stajniach.

- Ako palivo nízkej kvality.

Referencie

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. a Price, G. (2017). Chémia3: Predstavujeme anorganickú, organickú a fyzikálnu chémiu. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Kráľ prvkov? Nanotechnológie. 21 (30): 300201. doi: 10,1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. a Zandbergen, H. (2004). Superklimatita grafitu. Listy o fyzickom preskúmaní. 92 (12): 126101. doi: 10,1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. a Sumiya, H. (2003). Materiály: Ultra tvrdý polykryštalický diamant z grafitu. Nature. 421 (6923): 599 - 600. doi: 10,1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Merania teploty topenia grafitu a vlastností tekutého uhlíka (prehľad rokov 1963–2003). Coal. 43 (6): 1115. doi: 10,016