UHLÍK V PŘÍRODĚ: UMÍSTĚNÍ, VLASTNOSTI A POUŽITÍ - GEOGRAFÍA - 2026

Uhlíku v přírodě se nachází v diamanty, oleje a grafity, kromě mnoha jiných situacích. Tento chemický prvek zaujímá šesté místo v periodické tabulce a je umístěn v horizontálním řádku nebo periodě 2 a sloupci 14. Je nekovový a čtyřmocný; to znamená, že může vytvořit 4 sdílené elektronové chemické vazby nebo kovalentní vazby.

Uhlík je nejhojnějším prvkem v zemské kůře. Tato hojnost, její jedinečná rozmanitost při tvorbě organických sloučenin a její výjimečná schopnost tvořit makromolekuly nebo polymery při teplotách běžně na Zemi, činí z něj společný prvek všech známých forem života.

Obrázek 1. Uhlík v minerální formě. Zdroj: Rdamian1234, z Wikimedia Commons

Uhlík existuje v přírodě jako chemický prvek, aniž by se kombinoval ve formě grafitu a diamantu. Z větší části se však kombinuje za vzniku uhlíkatých chemických sloučenin, jako je uhličitan vápenatý (CaCO ₃) a dalších sloučenin v oleji a zemním plynu.

Vytváří také různé minerály jako antracit, uhlí, lignit a rašelinu. Největší význam uhlíku je, že tvoří takzvaný „stavební blok života“ a je přítomen ve všech živých organismech.

Kde se nachází uhlík a v jaké formě?

Kromě toho, že je společnou součástí chemického prvku ve všech formách života, je uhlík v přírodě přítomen ve třech krystalických formách: diamant, grafit a fulleren.

Existuje také několik amorfních minerálních forem uhlí (antracit, lignit, uhlí, rašelina), kapalných forem (olejnaté odrůdy) a plynných (zemní plyn).

Krystalické formy

V krystalických formách se atomy uhlíku spojují a vytvářejí uspořádané vzory s geometrickým prostorovým uspořádáním.

Grafit

Je to měkká černá pevná látka s kovovým leskem nebo leskem a žáruvzdorná (žáruvzdorná). Jeho krystalická struktura představuje atomy uhlíku spojené v hexagonálních kruzích, které zase spojují formující listy.

Vklady grafitu jsou vzácné a byly nalezeny v Číně, Indii, Brazílii, Severní Koreji a Kanadě.

diamant

Je to velmi tvrdá pevná látka, průhledná pro průchod světla a mnohem hustší než grafit: hodnota hustoty diamantu je téměř dvojnásobkem hodnoty grafitu.

Atomy uhlíku v diamantu jsou spojeny v tetrahedrální geometrii. Podobně je diamant tvořen z grafitu vystaveného podmínkám velmi vysokých teplot a tlaků (3 000 ^° C a 100 000 atm).

Většina diamantů se nachází v hloubce 140 až 190 km v plášti. Prostřednictvím hlubokých sopečných erupcí je magma může transportovat do vzdáleností blízko povrchu.

V Africe (Namibie, Ghana, Demokratické republice Kongo, Sierra Leone a Jižní Africe), Americe (Brazílie, Kolumbie, Venezuela, Guyana, Peru), Oceánii (Austrálie) a Asii (Indie) se nacházejí ložiska diamantů.

Obrázek 3. Uhlí a diamant. Zdroj: XAVI999, z Wikimedia Commons.

Fullereny

Jsou to molekulární formy uhlíku, které tvoří shluky s 60 a 70 atomy uhlíku v téměř kulovitých molekulách, podobné fotbalovým míčům.

Existují také menší fullereny s 20 atomy uhlíku. Některé formy fullerenů zahrnují uhlíkové nanotrubice a uhlíková vlákna.

Obrázek 4. Fulleren. IMeowbot, přes Wikimedia Commons

Amorfní formy

V amorfních formách se atomy uhlíku nesjednocují a tvoří uspořádanou a pravidelnou krystalickou strukturu. Místo toho dokonce obsahují nečistoty z jiných prvků.

Antracit

Je to nejstarší metamorfní minerální uhlí (které pochází z modifikace hornin vlivem teploty, tlaku nebo chemického působení tekutin), protože jeho vznik pochází z primární nebo paleozoické éry, karbonského období.

Antracit je amorfní forma uhlíku s nejvyšším obsahem tohoto prvku: mezi 86 a 95%. Je šedo-černé barvy s kovovým leskem a je těžký a kompaktní.

Antracit se obvykle nachází v geologických deformačních zónách a tvoří asi 1% světových zásob uhlí.

Geograficky se vyskytuje v Kanadě, USA, Jižní Africe, Francii, Velké Británii, Německu, Rusku, Číně, Austrálii a Kolumbii.

Obrázek 5. Antracit, nejstarší uhlí s nejvyšším obsahem uhlíku. Educerva, z Wikimedia Commons

Uhlí

Je to minerální uhlí, sedimentární hornina organického původu, jejíž vznik pochází z období paleozoika a mezozoika. Obsah uhlíku je mezi 75 a 85%.

Je černé barvy, vyznačuje se neprůhledností a matným a mastným vzhledem, protože má vysoký obsah živičných látek. To je tvořeno kompresí lignite v Paleozoic době, v Carboniferous a Permian období.

Je to nejhojnější forma uhlíku na planetě. Ve Spojených státech, Velké Británii, Německu, Rusku a Číně existují velká ložiska uhlí.

Hnědé uhlí

Je to minerální fosilní uhlí vytvořené ve třetihorách z rašeliny kompresí (vysoké tlaky). Má nižší obsah uhlíku než uhlí, mezi 70 a 80%.

Je to lehce kompaktní materiál, drobivý (charakteristika, která jej odlišuje od ostatních uhlíkových minerálů), hnědé nebo černé barvy. Struktura je podobná jako u dřeva a obsah uhlíku se pohybuje v rozmezí 60 až 75%.

Jedná se o snadno zapálitelné palivo s nízkou výhřevností a nižším obsahem vody než rašelina.

V Německu, Rusku, České republice, Itálii (oblasti Veneto, Toskánsko, Umbrie) a na Sardinii se vyskytují důležité hnědé uhlí. Ve Španělsku jsou ložiska hnědého uhlí v Asturii, Andorře, Zaragoze a La Coruñě.

Rašelina

Je to materiál organického původu, jehož vznik pochází z kvartérní éry, mnohem novější než předchozí uhlí.

Má nahnědlou barvu a objevuje se ve formě houbovité hmoty o nízké hustotě, ve které můžete vidět zbytky rostlin z místa, odkud pochází.

Na rozdíl od výše uvedených uhlí nepochází rašelina z karbonizačních procesů dřevin nebo dřeva, ale byla vytvořena akumulací rostlin - silně trávy a mechy - v bažinatých oblastech karbonizačním procesem, který nebyl dokončen..

Rašelina má vysoký obsah vody; z tohoto důvodu vyžaduje před použitím sušení a zhutnění.

Má nízký obsah uhlíku (pouze 55%); má tedy nízkou energetickou hodnotu. Když je spálen, jeho zbytky popela jsou hojné a vydávají hodně kouře.

Významná ložiska rašeliny jsou v Chile, Argentině (Tierra del Fuego), Španělsku (Espinosa de Cerrato, Palencia), Německu, Dánsku, Holandsku, Rusku, Francii.

Obrázek 6. Zásobník rašeliny. Christian Fischer, z Wikimedia Commons

Ropa, zemní plyn a bitumen

Ropa (z latinské petrae, což znamená „kámen“; a oleum, což znamená „olej“: „horninový olej“) je směs mnoha organických sloučenin - většinou uhlovodíků - produkovaných anaerobním bakteriálním rozkladem (v nepřítomnosti kyslíku) organické hmoty.

Byl tvořen v podloží, ve velkých hloubkách a za zvláštních podmínek jak fyzikálních (vysoké tlaky a teploty), tak chemických (přítomnost specifických katalyzátorových sloučenin) v procesu, který trval miliony let.

Během tohoto procesu byly C a H uvolněny z organických tkání a znovu se spojily, čímž se vytvořilo obrovské množství uhlovodíků, které se smísily podle svých vlastností, čímž se vytvořil zemní plyn, olej a bitumen.

Světová ropná pole se nacházejí hlavně ve Venezuele, Saúdské Arábii, Iráku, Íránu, Kuvajtu, Spojených arabských emirátech, Rusku, Libyi, Nigérii a Kanadě.

Zásoby zemního plynu jsou mimo jiné v Rusku, Íránu, Venezuele, Kataru, Spojených státech, Saúdské Arábii a Spojených arabských emirátech.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Mezi vlastnosti uhlíku patří:

Chemický symbol

C.

Protonové číslo

6.

Fyzický stav

Pevný, za normálních podmínek tlaku a teploty (1 atmosféra a 25 ^° C).

Barva

Šedá (grafitová) a průhledná (diamantová).

Atomová hmotnost

12,011 g / mol.

Bod tání

500 ^° C

Bod varu

827 ^° C

Hustota

2,62 g / cm ³.

Rozpustnost

Nerozpustný ve vodě, rozpustný v chlorid uhličitý CCI ₄.

Elektronická konfigurace

1s ² 2s ² 2p ².

Počet elektronů ve vnějším nebo valenčním obalu

Čtyři.

Kapacita propojení

Čtyři.

Katenace

Má schopnost vytvářet chemické sloučeniny v dlouhých řetězcích.

Biogeochemický cyklus

Uhlíkový cyklus je biogeochemický kruhový proces, jehož prostřednictvím lze uhlík vyměňovat mezi biosférou, atmosférou, hydrosférou a litosférou Země.

Znalost tohoto cyklického procesu uhlíku na Zemi umožňuje demonstrovat lidskou činnost v tomto cyklu a její důsledky na globální změnu klimatu.

Uhlík může cirkulovat mezi oceány a jinými vodními útvary, jakož i mezi litosférou, v půdě a podloží, v atmosféře a v biosféře. V atmosféře a hydrosféry, uhlík existuje v plynné formě, jako CO ₂ (oxid uhličitý).

Fotosyntéza

Uhlík z atmosféry je zachycen suchozemskými a vodními organismy v ekosystémech (fotosyntetické organismy).

Fotosyntéza umožňuje chemickou reakci mezi CO ₂ a vodou, která je zprostředkována sluneční energií a chlorofylem z rostlin, za vzniku sacharidů nebo cukrů. Tento proces transformuje jednoduché molekuly s nízkým energetickým obsahem CO ₂, H ₂ O a kyslíku O ₂ na komplexní vysoce energetické molekulární formy, kterými jsou cukry.

Heterotrofní organismy - které nemohou fotosyntetizovat a jsou spotřebiteli v ekosystémech - získávají uhlík a energii krmením producentů a dalších spotřebitelů.

Dýchání a rozklad

Dýchání a rozklad jsou biologické procesy, které uvolňování uhlíku do životního prostředí ve formě CO ₂ a CH ₄ (metanu v anaerobním rozkladu, to znamená v nepřítomnosti kyslíku).

Geologické procesy

Prostřednictvím geologických procesů a v důsledku plynutí času může být uhlík z anaerobního rozkladu přeměněn na fosilní paliva, jako je ropa, zemní plyn a uhlí. Rovněž uhlík je součástí jiných minerálů a hornin.

Interference lidské činnosti

Když člověk používá spalování fosilních paliv na energii, uhlíku vrací do atmosféry ve formě velkého množství CO ₂, které nemohou být přirovnány přirozeným bio-geochemického uhlíkového cyklu.

Tento přebytek CO ₂ produkovaný lidskou činností negativně ovlivňuje rovnováhu uhlíkového cyklu a je hlavní příčinou globálního oteplování.

Obrázek 2. Biogeochemický cyklus uhlíku. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Uživatel Kevin Saff na en.wikipedia Derivativní práce: FischX Překlad: Tomás Clarke, přes Wikimedia Commons

Aplikace

Použití uhlíku a jeho sloučenin je velmi rozmanité. Nejvýznamnější z následujících:

Ropa a zemní plyn

Hlavní ekonomické využití uhlíku představuje jeho použití jako uhlovodík z fosilních paliv, jako je metanový plyn a ropa.

Ropa se destiluje v rafinériích za účelem získání více derivátů, jako jsou benzín, nafta, petrolej, asfalt, mazadla, rozpouštědla a další, které se zase používají v petrochemickém průmyslu, který vyrábí suroviny pro průmysl plastů, hnojiv, drog a barev., mimo jiné.

Grafit

Grafit se používá v následujících akcích:

- Používá se při výrobě tužek ve směsi s jíly.

- Je součástí zpracování žáruvzdorných cihel a kelímků odolných vůči teplu.

- V různých mechanických zařízeních, jako jsou podložky, ložiska, písty a těsnění.

- Je to vynikající tuhé mazivo.

- Vzhledem k své elektrické vodivosti a chemické inertnosti se používá při výrobě elektrod, uhlíků pro elektromotory.

- Používá se jako moderátor v jaderných elektrárnách.

diamant

Diamant má zvláště výjimečné fyzikální vlastnosti, jako je dosud nejvyšší stupeň tvrdosti a tepelné vodivosti.

Tyto vlastnosti umožňují průmyslovou aplikaci nástrojů používaných k výrobě řezů a nástrojů pro leštění kvůli jejich vysoké abrazivitě.

Jeho optické vlastnosti - jako je průhlednost a schopnost rozkládat bílé světlo a refrakční světlo - mu poskytují mnoho aplikací v optických přístrojích, například při výrobě čoček a hranolů.

Charakteristický lesk odvozený z jeho optických vlastností je také vysoce ceněn v klenotnickém průmyslu.

Antracit

Antracit je obtížné vznítit, pomalu hoří a vyžaduje hodně kyslíku. Jeho spalování vytváří malý světle modrý plamen a vydává velké množství tepla.

Před několika lety byl antracit používán v termoelektrických elektrárnách a pro vytápění domácností. Jeho použití má výhody, jako je výroba malého popela nebo prachu, málo kouře a pomalý proces spalování.

Kvůli vysokým ekonomickým nákladům a jeho nedostatku byl antracit nahrazen zemním plynem v termoelektrických elektrárnách a elektřinou v domácnostech.

Uhlí

Uhlí se používá jako surovina k získání:

- Koks, palivo z vysokých pecí v ocelárnách.

- kreozot získaný smícháním dehtových destilátů z uhlí a používaný jako ochranný tmel na dřevo vystavené živlům.

- kresol (chemicky methylfenol) extrahovaný z uhlí a používaný jako dezinfekční a antiseptický prostředek, - Ostatní deriváty, jako je plyn, dehet nebo smola, a sloučeniny používané mimo jiné k výrobě parfémů, insekticidů, plastů, barev, pneumatik a vozovek.

Hnědé uhlí

Lignit představuje palivo střední kvality. Jet, různá lignit, se vyznačuje velmi kompaktním vzhledem k dlouhému procesu karbonizace a vysokým tlakům a používá se ve špercích a ozdobách.

Rašelina

Rašelina se používá v následujících činnostech;

- Pro růst, podporu a přepravu rostlinných druhů.

- Jako organický kompost.

- Jako zvířecí postel ve stájích.

- Jako palivo nízké kvality.

Reference

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). Chemie3: Představujeme anorganickou, organickou a fyzikální chemii. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Král prvků? Nanotechnologie. 21 (30): 300201. doi: 10,1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. a Zandbergen, H. (2004). Superlubricita grafitu. Dopisy fyzické kontroly. 92 (12): 126101. doi: 10,1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. a Sumiya, H. (2003). Materiály: Ultra tvrdý polykrystalický diamant z grafitu. Příroda. 421 (6923): 599–600. doi: 10,1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Měření bodu tání grafitu a vlastností tekutého uhlíku (přehled pro roky 1963–2003). Uhlí. 43 (6): 1115. doi: 10,016