CARBONI EN LA NATURALESA: LOCALITZACIÓ, PROPIETATS I USOS - GEOGRAFÍA - 2025

El carboni en la natura pot trobar-se en diamants, petroli i grafits, entre molts altres escenaris. Aquest element químic ocupa el sisè lloc en la taula periòdica i se situa en la fila horitzontal o període 2 i columna 14. És no metàl·lic i tetravalent; és a dir, pot establir 4 enllaços químics d'electrons compartits o enllaços covalents.

El carboni és l'element amb major abundància en l'escorça terrestre. Aquesta abundància, la seva diversitat única a la formació de compostos orgànics i la seva capacitat excepcional de formar macromolècules o polímers a les temperatures trobades comunament a la Terra, fa que serveixi com a element comú de totes les formes de vida conegudes.

Figura 1. Carboni en la seva forma mineral. Font: Rdamian1234, from Wikimedia Commons

El carboni existeix en la natura com a element químic sense combinar-se en les formes de grafit i diamant. No obstant això, en la seva major part està combinat formant compostos químics de carboni, com el carbonat de calci (CaCO ₃) i altres compostos en el petroli i el gas natural.

També forma diversos minerals com l'antracita, l'hulla, el lignit i la torba. La major importància de l'carboni és que constitueix l'anomenat "bloc de construcció de la vida" i està present en tots els organismes vivents.

On es troba el carboni i en quina forma?

A més de ser l'element químic component comú en totes les formes de vida, el carboni en la natura està present en tres formes cristal·lines: diamant, grafit i ful·lerè.

També hi ha diverses formes minerals amorfes de carbó (antracita, lignit, hulla, torba), formes líquides (varietats de petrolis) i gasoses (gas natural).

formes cristal·lines

En les formes cristal·lines, els àtoms de carboni s'uneixen formant patrons ordenats amb disposició espacial geomètrica.

grafit

És un sòlid tou de color negre amb llustre o lluentor metàl·lica i resistent a la calor (refractari). La seva estructura cristal·lina presenta àtoms de carboni units en anells hexagonals que, al seu torn, s'uneixen formant làmines.

Els jaciments de grafit són escassos i s'han trobat a la Xina, Índia, Brasil, Corea del Nord i Canadà.

diamant

És un sòlid molt dur, transparent a el pas de la llum i molt més dens que el grafit: el valor de la densitat de l'diamant equival a gairebé el doble de la de l'grafit.

Els àtoms de carboni en el diamant s'uneixen en geometria tetraèdrica. Així mateix, el diamant es forma a partir de l'grafit sotmès a condicions de molt altes temperatures i pressions (3000 ^° C i 100 000 atm).

La major part dels diamants està situada entre 140 i 190 km de profunditat en el mantell. A través d'erupcions volcàniques profundes, el magma pot transportar-los a distàncies properes a la superfície.

Hi jaciments diamantífers a Àfrica (Namíbia, Ghana, República Democràtica de Congo, Sierra Leone i Sud-àfrica), Amèrica (Brasil, Colòmbia, Veneçuela, Guyana, Perú), Oceania (Austràlia) i Àsia (Índia).

Figura 3. Carbó i diamant. Font: XAVI999, from Wikimedia Commons.

fulerens

Són formes moleculars de carboni que formen cúmuls de 60 i 70 àtoms de carboni en molècules gairebé esfèriques, semblants a pilotes de futbol.

També hi fulerens més petits de 20 àtoms de carboni. Algunes formes de ful·lerens inclouen als nanotubs de carboni i les fibres de carboni.

Figura 4. Fulereno. IMeowbot, via Wikimedia Commons

formes amorfes

En les formes amorfes els àtoms de carboni no s'uneixen constituint una estructura cristal·lina ordenada i regular. En canvi, fins i tot contenen impureses d'altres elements.

antracita

És el carbó mineral metamòrfic més antic (que prové de la modificació de roques per efectes de temperatura, pressió o acció química de fluids), ja que la seva formació data de l'era primària o paleozoica, període carbonífer.

La antracita és la forma amorfa de carboni que presenta major contingut d'aquest element: entre 86 i 95%. És de color gris-negre i lluentor metàl·lica, i és pesada i compacta.

Generalment, l'antracita es troba en zones de deformació geològica i constitueix aproximadament el 1% de les reserves mundials de carbó.

Geogràficament es troba al Canadà, USA, Sud-àfrica, França, Gran Bretanya, Alemanya, Rússia, la Xina, Austràlia i Colòmbia.

Figura 5. Antracita, el carbó més antic i amb major contingut de carboni. Educerva, from Wikimedia Commons

hulla

És un carbó mineral, roca sedimentària d'origen orgànic, la formació data de les eres paleozoica i mesozoica. Té un contingut de carboni d'entre 75 i 85%.

És de color negre, es caracteritza per ser opaca i tenir aspecte mat i gras, ja que té alt contingut de substàncies bituminoses. Està formada per compressió de l'lignit en l'era paleozoica, en els períodes carbonífer i permià.

És la forma de carbó més abundant al planeta. Hi ha grans jaciments d'hulla als Estats Units, Gran Bretanya, Alemanya, Rússia i Xina.

lignit

És un carbó fòssil mineral format en l'era terciària a partir de la torba per compressió (altes pressions). Posseeix un contingut de carboni menor que la hulla, entre 70 i 80%.

És un material poc compacte, engrunadís (característica que el distingeix dels altres minerals de carboni), de color marró o negre. La seva textura és semblant a la de la fusta i el seu contingut de carboni va de 60 a 75%.

És un combustible fàcil d'encendre, amb poder calorífic baix i amb menor contingut d'aigua que la torba.

Hi ha importants mines de lignit a Alemanya, Rússia, República Txeca, Itàlia (regions de l'Vèneto, Toscana, Úmbria) i Sardenya. A Espanya els jaciments de lignit estan a Astúries, Andorra, Saragossa i La Corunya.

torba

És un material d'origen orgànic la formació prové de l'era quaternària, molt més recent que els carbons anteriors.

És de color groc terrós i apareix en forma de massa esponjosa de baixa densitat, en la qual es poden observar restes vegetals de el lloc on es va originar.

A diferència dels carbons citats anteriorment, la torba no prové de processos de carbonització de material llenyós o fustes, sinó que s'ha format per acumulació de plantes -principalment herbes i molses- en zones pantanoses mitjançant un procés de carbonització que no s'ha completat.

La torba posseeix alt contingut d'aigua; per aquesta raó requereix assecat i compactació abans del seu ús.

Té un baix contingut de carboni (només 55%); per tant, té un baix valor energètic. A l'sotmetre a combustió, la seva residu de cendres és abundant i emet molt de fum.

Hi ha jaciments importants de torba a Xile, Argentina (Terra de l'Foc), Espanya (Espinosa de Cerrato, Palència), Alemanya, Dinamarca, Holanda, Rússia, França.

Figura 6. Jaciment de torba. Christian Fischer, from Wikimedia Commons

Petroli, gas natural i betum

El petroli (de el llatí petrae, que significa «pedra», i oleum, que significa «oli»: «oli de roca») és una barreja de molts compostos orgànics -la majoria hidrocarburs- produïts per la descomposició bacteriana anaeròbica (en absència de oxigen) de matèria orgànica.

Es va formar al subsòl, a grans profunditats i sota condicions especials tant físiques (altes pressions i temperatures) com químiques (presència de compostos catalitzadors específics) en un procés que va trigar milions d'anys.

Durant aquest procés el C i l'H es van alliberar dels teixits orgànics i es van unir recombinant de nou, per formar un immens nombre d'hidrocarburs que es barregen segons les seves propietats, formant el gas natural, el petroli i el betum.

Els jaciments petrolífers de l'planeta estan situats principalment a Veneçuela, Aràbia Saudita, Iraq, Iran, Kuwait, Emirats Àrabs Units, Rússia, Líbia, Nigèria i Canadà.

Hi reserves de gas natural a Rússia, Iran, Veneçuela, Qatar, Estats Units, Aràbia Saudita i Emirats Àrabs, entre d'altres.

Propietats físiques i químiques

Entre les propietats de l'carboni podem esmentar les següents:

símbol químic

C.

nombre atòmic

6.

estat físic

Sòlid, en condicions normals de pressió i temperatura (1 atmosfera i 25 ^° C).

color

Gris (grafit) i transparent (diamant).

massa atòmica

12,011 g / mol.

Punt de fusió

500 ^° C.

Punt d'ebullició

827 ^° C.

densitat

2,62 g / cm ³.

solubilitat

Insoluble en aigua, soluble en tetraclorur de carboni CCl ₄.

configuració electrònica

1s ² 2s ² 2p ².

Nombre d'electrons de la capa externa o de valència

4.

Capacitat d'enllaç

4.

Catenación

Té la capacitat de formar compostos químics en llargues cadenes.

cicle biogeoquímic

El cicle de l'carboni és un procés circular biogeoquímic a través del qual el carboni pot intercanviar-se entre la biosfera, l'atmosfera, la hidrosfera i la litosfera terrestres.

El coneixement d'aquest procés cíclic de l'carboni a la Terra permet evidenciar l'acció humana sobre aquest cicle i les seves conseqüències sobre el canvi climàtic global.

El carboni pot circular entre els oceans i altres cossos d'aigua, així com entre la litósfera, en sòl i subsòl, en l'atmosfera i en la biosfera. En l'atmosfera i la hidrosfera, el carboni existeix en forma gasosa com CO ₂ (diòxid de carboni).

fotosíntesi

El carboni de l'atmosfera és captat pels organismes productors terrestres i aquàtics dels ecosistemes (organismes fotosintètics).

La fotosíntesi permet que passi una reacció química entre el CO ₂ i l'aigua, intervinguda per l'energia solar i la clorofil·la de les plantes, per produir carbohidrats o sucres. Aquest procés transforma molècules senzilles de baix contingut energètic de CO ₂, H ₂ O i oxigen O ₂, en formes moleculars complexes d'alta energia, que són els sucres.

Els organismes heteròtrofs -que no poden realitzar la fotosíntesi i que són els consumidors en els ecosistemes- obtenen carboni i energia a l'alimentar-se dels productors i d'altres consumidors.

Respiració i descomposició

La respiració i la descomposició són processos biològics que alliberen carboni a l'ambient en forma de CO ₂ o CH ₄ (metà produït en la descomposició anaeròbia, és a dir, en absència d'oxigen).

processos geològics

Mitjançant processos geològics i com a conseqüència de l'transcurs de el temps, el carboni de la descomposició anaeròbica pot transformar-se en combustibles fòssil com el petroli, el gas natural i el carbó. Així mateix, el carboni també forma part d'altres minerals i roques.

Interferència de l'activitat humana

Quan l'home utilitza la crema de combustibles fòssils per obtenir energia, el carboni retorna a l'atmosfera en forma d'immenses quantitats de CO ₂ que no poden ser assimilades pel cicle biogeoquímic natural de l'carboni.

Aquest excés de CO ₂ produït per l'activitat humana impacta negativament en l'equilibri de el cicle de l'carboni i és la causa principal de l'escalfament de l'planeta.

Figura 2. Cicle biogeoquímic de l'carboni. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: User Kevin Saff on en.wikipediaDerivative work: FischXTraducción: Tomàs Clarke, via Wikimedia Commons

usos

Els usos de l'carboni i els seus compostos són extremadament variats. Els més destacats amb els següents:

Petroli i de el gas natural

L'ús econòmic principal de l'carboni està representat en la seva utilització com hidrocarbur combustible fòssil, com el gas metà i el petroli.

El petroli es destil·la en refineries per obtenir múltiples derivats com gasolina, dièsel, kerosén, asfalt, lubricants, solvents i altres, que al seu torn es fan servir en la indústria petroquímica productora de matèries primeres per a les indústries de plàstics, fertilitzants, fàrmacs i pintures, entre d'altres.

grafit

El grafit s'empra en les següents accions:

- S'usa en la fabricació de llapis, barrejat amb argiles.

- Forma part de l'elaboració de maons i gresols refractaris, resistents a la calor.

- En diversos dispositius mecànics com volanderes, rodaments, pistons i juntes.

- És un excel·lent lubricant sòlid.

- Per la seva conductivitat elèctrica i la seva inèrcia química, s'empra en la fabricació d'elèctrodes, carbons de motors elèctrics.

- S'usa com a moderador en centrals nuclears.

diamant

El diamant té propietats físiques particularment excepcionals, com el major grau de duresa i conductivitat tèrmica coneguts fins ara.

Aquestes característiques permeten aplicacions industrials en eines usades per efectuar talls i instruments per a polit per la seva alta abrasivitat.

Les seves propietats òptiques -com la transparència i la capacitat de descompondre la llum blanca i refractar la llum-li confereixen moltes aplicacions en instruments òptics, com en la fabricació de lents i prismes.

La brillantor característic derivat de les seves propietats òptiques també és molt apreciat en la indústria de la joieria.

antracita

La antracita presenta dificultat per encendre, és de combustió lenta i de molt requeriment d'oxigen. La seva combustió produeix poca flama de color blau pàl·lid i emissió de molta calor.

Fa alguns anys, l'antracita s'utilitzava en les centrals termoelèctriques i per a calefacció domèstica. El seu ús presenta avantatges com la producció de poca cendra o pols, poc fum i un procés lent de combustió.

Per la seva cost econòmic elevat i la seva escassetat, l'antracita ha estat substituïda pel gas natural en centrals termoelèctriques i per l'energia elèctrica en llars.

hulla

La hulla s'empra com a matèria primera per obtenir:

- Coque, combustible dels alts forns en les acereries.

- Creosota, obtinguda a l'barrejar els destil·lats de el quitrà provinent de la hulla i emprada com segellador protector de fustes exposades a la intempèrie.

- Cresol (químicament metilfenol) extret de l'hulla i utilitzat com a desinfectant i antisèptic, - Altres derivats com a gas, quitrà o brea, i compostos emprats en fabricació de perfums, insecticides, plàstics, pintures, pneumàtics i paviments de carreteres, entre d'altres.

lignit

El lignit representa un combustible de mitjana qualitat. El atzabeja, varietat de lignit, es caracteritza per ser molt compacte pel llarg procés de carbonització i altes pressions, i s'empra en joieria i ornamentació.

torba

La torba s'usa en les següents activitats;

- Per al creixement, sosteniment i transport d'espècies vegetals.

- Com adob orgànic.

- Com llit d'animals en estables.

- Com a combustible de baixa qualitat.

referències

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). Chemistry3: Introducing Inorganic, Organic and Physical Chemistry. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). King of the elements? Nanotechnology. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). Superlubricity of Graphite. Physical Review Letters. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H. (2003). Materials: Ultrahard polycrystalline diamond from graphite. Nature. 421 (6923): 599-600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963-2003). Carbon. 43 (6): 1115. doi: 10.1016