IL CARBONIO IN NATURA: UBICAZIONE, PROPRIETÀ E USI - GEOGRAFÍA - 2024

Il carbonio in natura può essere trovato in diamanti, petrolio e grafiti, tra molti altri scenari. Questo elemento chimico occupa il sesto posto nella tavola periodica e si trova nella riga orizzontale o periodo 2 e colonna 14. Non è metallico e tetravalente; cioè, può stabilire 4 legami chimici elettronici condivisi o legami covalenti.

Il carbonio è l'elemento più abbondante nella crosta terrestre. Questa abbondanza, la sua diversità unica nella formazione di composti organici e la sua eccezionale capacità di formare macromolecole o polimeri alle temperature che si trovano comunemente sulla Terra, lo rendono un elemento comune di tutte le forme di vita conosciute.

Figura 1. Carbonio nella sua forma minerale. Fonte: Rdamian1234, da Wikimedia Commons

Il carbonio esiste in natura come elemento chimico senza combinarsi nelle forme di grafite e diamante. Tuttavia, per la maggior parte è combinato per formare composti chimici del carbonio, come il carbonato di calcio (CaCO ₃ ) e altri composti nel petrolio e nel gas naturale.

Forma anche vari minerali come antracite, carbone, lignite e torba. La massima importanza del carbonio è che costituisce il cosiddetto "mattone della vita" ed è presente in tutti gli organismi viventi.

Dove si trova il carbonio e in quale forma?

Oltre ad essere l'elemento chimico componente comune in tutte le forme di vita, il carbonio in natura è presente in tre forme cristalline: diamante, grafite e fullerene.

Esistono anche diverse forme minerali amorfe di carbone (antracite, lignite, carbone, torba), forme liquide (varietà petrolifere) e gassose (gas naturale).

Forme cristalline

Nelle forme cristalline, gli atomi di carbonio si uniscono per formare modelli ordinati con disposizione spaziale geometrica.

Grafite

È un solido nero morbido con una lucentezza metallica o lucentezza e resistente al calore (refrattario). La sua struttura cristallina presenta atomi di carbonio uniti in anelli esagonali che, a loro volta, si uniscono formando fogli.

I depositi di grafite sono rari e sono stati trovati in Cina, India, Brasile, Corea del Nord e Canada.

Diamante

È un solido molto duro, trasparente al passaggio della luce e molto più denso della grafite: il valore della densità del diamante è quasi il doppio di quello della grafite.

Gli atomi di carbonio nel diamante sono uniti insieme nella geometria tetraedrica. Allo stesso modo, il diamante è formato dalla grafite sottoposta a condizioni di temperature e pressioni molto elevate (3.000 ^° C e 100.000 atm).

La maggior parte dei diamanti si trova tra 140 e 190 km di profondità nel mantello. Attraverso profonde eruzioni vulcaniche, il magma può trasportarli a distanze vicine alla superficie.

Ci sono depositi di diamanti in Africa (Namibia, Ghana, Repubblica Democratica del Congo, Sierra Leone e Sud Africa), America (Brasile, Colombia, Venezuela, Guyana, Perù), Oceania (Australia) e Asia (India).

Figura 3. Carbone e diamante. Fonte: XAVI999, da Wikimedia Commons.

I fullereni

Sono forme molecolari di carbonio che formano gruppi di 60 e 70 atomi di carbonio in molecole quasi sferiche, simili ai palloni da calcio.

Ci sono anche fullereni più piccoli di 20 atomi di carbonio. Alcune forme di fullereni includono nanotubi di carbonio e fibre di carbonio.

Figura 4. Fullerene. IMeowbot, tramite Wikimedia Commons

Forme amorfe

Nelle forme amorfe, gli atomi di carbonio non si uniscono, costituendo una struttura cristallina ordinata e regolare. Invece, contengono anche impurità di altri elementi.

Antracite

È il più antico carbone minerale metamorfico (che deriva dalla modificazione delle rocce per effetto della temperatura, della pressione o dell'azione chimica dei fluidi), poiché la sua formazione risale all'era primaria o Paleozoica, il periodo Carbonifero.

L'antracite è la forma amorfa del carbonio con il più alto contenuto di questo elemento: tra l'86 e il 95%. È di colore grigio-nero con una lucentezza metallica ed è pesante e compatto.

L'antracite si trova generalmente nelle zone di deformazione geologica e costituisce circa l'1% delle riserve mondiali di carbone.

Geograficamente si trova in Canada, Stati Uniti, Sud Africa, Francia, Gran Bretagna, Germania, Russia, Cina, Australia e Colombia.

Figura 5. Antracite, il carbone più antico con il più alto contenuto di carbonio. Educerva, da Wikimedia Commons

Carbone

È un carbone minerale, una roccia sedimentaria di origine organica, la cui formazione risale al Paleozoico e al Mesozoico. Ha un contenuto di carbonio compreso tra il 75 e l'85%.

È di colore nero, caratterizzato dall'essere opaco e dall'aspetto opaco e grasso, poiché ha un alto contenuto di sostanze bituminose. È formato dalla compressione della lignite nell'era Paleozoica, nei periodi Carbonifero e Permiano.

È la forma di carbonio più abbondante del pianeta. Ci sono grandi giacimenti di carbone negli Stati Uniti, Gran Bretagna, Germania, Russia e Cina.

Lignite

È un carbone fossile minerale formato nell'era terziaria dalla torba per compressione (alte pressioni). Ha un contenuto di carbonio inferiore rispetto al carbone, tra il 70 e l'80%.

È un materiale leggermente compatto, friabile (caratteristica che lo distingue dagli altri minerali di carbonio), di colore bruno o nero. La sua consistenza è simile a quella del legno e il suo contenuto di carbonio varia dal 60 al 75%.

È un combustibile di facile accensione, con un basso potere calorifico e un contenuto di acqua inferiore alla torba.

Esistono importanti miniere di lignite in Germania, Russia, Repubblica Ceca, Italia (Veneto, Toscana, Umbria) e Sardegna. In Spagna, i depositi di lignite si trovano nelle Asturie, Andorra, Saragozza e La Coruña.

Torba

È un materiale di origine organica la cui formazione risale all'era quaternaria, molto più recente rispetto ai carboni precedenti.

È di colore giallo brunastro e si presenta sotto forma di una massa spugnosa a bassa densità, in cui è possibile vedere i resti della pianta dal luogo in cui ha avuto origine.

A differenza dei carboni sopra citati, la torba non proviene dai processi di carbonizzazione di materiale legnoso o legno, ma si è formata dall'accumulo di piante - principalmente erbe e muschi - in aree paludose attraverso un processo di carbonizzazione non completato. .

La torba ha un alto contenuto di acqua; per questo motivo necessita di essiccazione e compattazione prima dell'uso.

Ha un basso contenuto di carbonio (solo il 55%); quindi, ha un valore energetico basso. Sottoposto a combustione, il suo residuo di cenere è abbondante ed emette molto fumo.

Sono presenti importanti giacimenti di torba in Cile, Argentina (Tierra del Fuego), Spagna (Espinosa de Cerrato, Palencia), Germania, Danimarca, Olanda, Russia, Francia.

Figura 6. Serbatoio di torba. Christian Fischer, di Wikimedia Commons

Petrolio, gas naturale e bitume

Il petrolio (dal latino petrae, che significa "pietra"; e oleum, che significa "olio": "olio di roccia") è una miscela di molti composti organici - la maggior parte dei quali idrocarburi - prodotti dalla decomposizione batterica anaerobica (in assenza di ossigeno) di materia organica.

Si è formato nel sottosuolo, a grandi profondità e in particolari condizioni sia fisiche (alte pressioni e temperature) che chimiche (presenza di specifici composti catalizzatori) in un processo che ha richiesto milioni di anni.

Durante questo processo, C e H sono stati rilasciati dai tessuti organici e uniti, ricombinandosi nuovamente, per formare un numero immenso di idrocarburi che si mescolano secondo le loro proprietà, formando gas naturale, petrolio e bitume.

I giacimenti petroliferi del pianeta si trovano principalmente in Venezuela, Arabia Saudita, Iraq, Iran, Kuwait, Emirati Arabi Uniti, Russia, Libia, Nigeria e Canada.

Ci sono riserve di gas naturale in Russia, Iran, Venezuela, Qatar, Stati Uniti, Arabia Saudita ed Emirati Arabi Uniti, tra gli altri.

Proprietà fisiche e chimiche

Tra le proprietà del carbonio possiamo citare le seguenti:

Simbolo chimico

C.

Numero atomico

6.

Stato fisico

Solido, in condizioni normali di pressione e temperatura (1 atmosfera e 25 ^° C).

Colore

Grigio (grafite) e trasparente (diamante).

Massa atomica

12,011 g / mol.

Punto di fusione

500 ^° C.

Punto di ebollizione

827 ^° C.

Densità

2,62 g / cm ³ .

solubilità

Insolubile in acqua, solubile in tetracloruro di carbonio CCl ₄ .

Configurazione elettronica

1s ² 2s ² 2p ² .

Numero di elettroni nel guscio esterno o di valenza

Quattro.

Capacità di collegamento

Quattro.

Catenation

Ha la capacità di formare composti chimici in lunghe catene.

Ciclo biogeochimico

Il ciclo del carbonio è un processo circolare biogeochimico attraverso il quale il carbonio può essere scambiato tra la biosfera, l'atmosfera, l'idrosfera e la litosfera della Terra.

La conoscenza di questo processo ciclico del carbonio sulla Terra rende possibile dimostrare l'azione umana su questo ciclo e le sue conseguenze sul cambiamento climatico globale.

Il carbonio può circolare tra gli oceani e altri corpi idrici, nonché tra la litosfera, nel suolo e nel sottosuolo, nell'atmosfera e nella biosfera. Nell'atmosfera e nell'idrosfera, il carbonio esiste in forma gassosa come CO ₂ (anidride carbonica).

Fotosintesi

Il carbonio dell'atmosfera viene catturato dagli organismi produttori terrestri e acquatici negli ecosistemi (organismi fotosintetici).

La fotosintesi consente il verificarsi di una reazione chimica tra CO ₂ e acqua, mediata dall'energia solare e dalla clorofilla delle piante, per produrre carboidrati o zuccheri. Questo processo trasforma semplici molecole a basso contenuto energetico di CO ₂ , H ₂ O e ossigeno O ₂ , in forme molecolari complesse ad alta energia, che sono gli zuccheri.

Gli organismi eterotrofi - che non possono fotosintetizzare e sono consumatori negli ecosistemi - ottengono carbonio ed energia nutrendosi di produttori e altri consumatori.

Respirazione e decomposizione

La respirazione e la decomposizione sono processi biologici che rilasciano carbonio nell'ambiente sotto forma di CO ₂ o CH ₄ (metano prodotto in decomposizione anaerobica, cioè in assenza di ossigeno).

Processi geologici

Attraverso processi geologici e come conseguenza del passare del tempo, il carbonio della decomposizione anaerobica può essere trasformato in combustibili fossili come petrolio, gas naturale e carbone. Allo stesso modo, il carbonio fa anche parte di altri minerali e rocce.

Interferenza nell'attività umana

Quando l'uomo utilizza la combustione di combustibili fossili per produrre energia, il carbonio ritorna nell'atmosfera sotto forma di enormi quantità di CO ₂ che non possono essere assimilate dal ciclo biogeochimico naturale del carbonio.

Questo eccesso di CO ₂ prodotto dall'attività umana ha un impatto negativo sull'equilibrio del ciclo del carbonio ed è la principale causa del riscaldamento globale.

Figura 2. Ciclo biogeochimico del carbonio. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: utente Kevin Saff su en.wikipedia Lavoro derivato: FischX Traduzione: Tomás Clarke, tramite Wikimedia Commons

applicazioni

Gli usi del carbonio e dei suoi composti sono estremamente vari. Il più prominente con quanto segue:

Petrolio e gas naturale

Il principale utilizzo economico del carbonio è rappresentato dal suo utilizzo come un idrocarburo fossile, come il gas metano e il petrolio.

L'olio viene distillato nelle raffinerie per ottenere più derivati ​​come benzina, diesel, cherosene, asfalto, lubrificanti, solventi e altri, che a loro volta vengono utilizzati nell'industria petrolchimica che produce materie prime per le industrie di plastica, fertilizzanti, farmaci e vernici. , tra l'altro.

Grafite

La grafite viene utilizzata nelle seguenti azioni:

- Viene utilizzato nella produzione di matite, mescolato con argille.

- Fa parte dell'elaborazione di mattoni e crogioli refrattari, resistenti al calore.

- In vari dispositivi meccanici come rondelle, cuscinetti, pistoni e guarnizioni.

- È un ottimo lubrificante solido.

- Per la sua conducibilità elettrica e la sua inerzia chimica, viene utilizzato nella fabbricazione di elettrodi, carboni per motori elettrici.

- Viene utilizzato come moderatore nelle centrali nucleari.

Diamante

Il diamante ha proprietà fisiche particolarmente eccezionali, come il più alto grado di durezza e conduttività termica finora conosciute.

Queste caratteristiche consentono applicazioni industriali in strumenti utilizzati per eseguire tagli e strumenti per la lucidatura grazie alla loro elevata abrasività.

Le sue proprietà ottiche, come la trasparenza e la capacità di abbattere la luce bianca e rifrangere la luce, gli conferiscono molte applicazioni negli strumenti ottici, come nella produzione di lenti e prismi.

La caratteristica lucentezza derivante dalle sue proprietà ottiche è molto apprezzata anche nell'industria della gioielleria.

Antracite

L'antracite è difficile da accendere, brucia lentamente e richiede molto ossigeno. La sua combustione produce poca fiamma azzurra ed emette molto calore.

Alcuni anni fa l'antracite veniva utilizzata negli impianti termoelettrici e per il riscaldamento domestico. Il suo utilizzo presenta vantaggi come la produzione di poca cenere o polvere, poco fumo e un processo di combustione lento.

A causa del suo alto costo economico e della sua scarsità, l'antracite è stata sostituita dal gas naturale negli impianti termoelettrici e dall'elettricità nelle abitazioni.

Carbone

Il carbone viene utilizzato come materia prima per ottenere:

- Coke, combustibile da altiforni nelle acciaierie.

- Creosoto, ottenuto mescolando i distillati di catrame del carbone e utilizzato come sigillante protettivo per il legno esposto alle intemperie.

- Cresol (chimicamente metilfenolo) estratto dal carbone e utilizzato come disinfettante e antisettico,

- Altri derivati ​​come gas, catrame o pece e composti utilizzati nella fabbricazione di profumi, insetticidi, plastica, vernici, pneumatici e pavimentazioni stradali, tra gli altri.

Lignite

La lignite rappresenta un carburante di media qualità. Jet, una varietà di lignite, si caratterizza per essere molto compatta a causa del lungo processo di carbonizzazione e delle alte pressioni, ed è utilizzata in gioielleria e ornamenti.

Torba

La torba viene utilizzata nelle seguenti attività;

- Per la crescita, il supporto e il trasporto di specie vegetali.

- Come compost organico.

- Come letto per animali nelle stalle.

- Come carburante di bassa qualità.

Riferimenti

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