HIILI LUONNOSSA: SIJAINTI, OMINAISUUDET JA KÄYTTÖTAVAT - GEOGRAFÍA - 2026

Hiiltä luonnossa löytyy timantteja, öljyä ja grafiitit, joukossa monia muita mahdollisuuksia. Tämä kemiallinen elementti vie kuudennen sijan jaksotaulukossa ja sijaitsee vaakasuuntaisessa rivissä tai jaksossa 2 ja sarakkeessa 14. Se on ei-metalli ja tetravalentti; ts. se voi muodostaa 4 jaettua elektronikemiallista sidosta tai kovalenttista sidosta.

Hiili on maapallon kuoren runsain alkuaine. Tämä runsaus, sen ainutlaatuinen monimuotoisuus orgaanisten yhdisteiden muodostumisessa ja sen poikkeuksellinen kyky muodostaa makromolekyylejä tai polymeerejä yleisesti lämpötiloissa, joita maapallolla esiintyy, tekee siitä toimivan kaikkien tunnettujen elämänmuotojen yhteisenä elementtinä.

Kuva 1. Hiili mineraalimuodossaan. Lähde: Rdamian1234, Wikimedia Commonsista

Hiili esiintyy luonnossa kemiallisena alkuaineena yhdistämättä grafiitin ja timantin muotoihin. Suurimmaksi osaksi se kuitenkin yhdistetään hiilikemiallisten yhdisteiden, kuten kalsiumkarbonaatin (CaCO ₃) ja muiden yhdisteiden muodostamiseksi öljyssä ja maakaasussa.

Se muodostaa myös erilaisia ​​mineraaleja, kuten antrasiitti, hiili, ruskohiili ja turve. Hiilen tärkein merkitys on, että se muodostaa ns. "Elämän rakennuspalikan" ja sitä esiintyy kaikissa elävissä organismeissa.

Missä hiiltä löytyy ja missä muodossa?

Sen lisäksi, että hiili on yleinen kemiallinen alkuaine kaikissa elämän muodoissa, sitä esiintyy kolmessa kiteisessä muodossa: timantti, grafiitti ja fullereeni.

Hiilestä on myös useita amorfisia mineraalimuotoja (antrasiitti, ruskohiili, kivihiili, turve), nestemäisiä muotoja (öljylajeja) ja kaasumaisia ​​(maakaasu).

Kiteiset muodot

Kiteisissä muodoissa hiiliatomit yhdistyvät muodostaen järjestettyjä kuvioita geometrisella alueellisella järjestelyllä.

Grafiitti

Se on pehmeää mustaa kiinteää ainetta, jossa on metallinen kiilto tai kiilto ja lämmönkestävä (tulenkestävä). Sen kiteinen rakenne esittää hiiliatomeja, jotka on liitetty kuusikulmaisiin renkaisiin, jotka puolestaan ​​liittyvät muodostaviin levyihin.

Grafiittiesiintymät ovat harvinaisia, ja niitä on löydetty Kiinasta, Intiasta, Brasiliasta, Pohjois-Koreasta ja Kanadasta.

Timantti

Se on erittäin kova kiinteä aine, läpinäkyvä valon läpi ja paljon tiheämpi kuin grafiitti: timanttitiheyden arvo on melkein kaksinkertainen grafiitin arvoon nähden.

Timantin hiiliatomit on liitetty yhteen tetraedrisessa geometriassa. Samoin timantti muodostetaan grafiitista, jolle altistetaan erittäin korkeat lämpötilat ja paineet (3 000 ^° C ja 100 000 atm).

Suurin osa timanteista sijaitsee 140 - 190 km syvyydessä vaipassa. Syvien tulivuorenpurkausten kautta magma voi kuljettaa ne etäisyyksiin lähellä pintaa.

Timanttitalletuksia on Afrikassa (Namibia, Ghana, Kongon demokraattinen tasavalta, Sierra Leonessa ja Etelä-Afrikassa), Amerikassa (Brasilia, Kolumbia, Venezuela, Guyana, Peru), Oseaniassa (Australia) ja Aasiassa (Intia).

Kuva 3. Hiili ja timantti. Lähde: XAVI999, Wikimedia Commonsista.

fullereenit

Ne ovat hiilen molekyylimuotoja, jotka muodostavat 60 ja 70 hiiliatomin klustereita melkein pallomaisissa molekyyleissä, samanlaisia ​​kuin jalkapallopallo.

On myös pienempiä 20 hiiliatomin fullereenia. Joitakin fullereenien muotoja ovat hiilinanoputket ja hiilikuitut.

Kuva 4. Fullereeni. IMeowbot Wikimedia Commonsin kautta

Amorfiset muodot

Amorfisissa muodoissa hiiliatomit eivät yhdisty, muodostaen järjestäytyneen ja säännöllisen kiteisen rakenteen. Sen sijaan ne sisältävät jopa epäpuhtauksia muista alkuaineista.

Antrasiitti

Se on vanhin metamorfinen mineraalihiili (joka syntyy kivien modifioinnista lämpötilan, paineen tai nesteiden kemiallisen vaikutuksen vaikutuksesta), koska sen muodostuminen on peräisin primäärisestä tai paleozojaisesta ajasta, hiilestä.

Antrasiitti on hiilen amorfinen muoto, jolla on korkein tämän alkuaineen pitoisuus: välillä 86–95%. Se on väriltään harmaa-musta ja metallisella kiillolla, ja se on raskas ja kompakti.

Antrasiittia esiintyy yleensä geologisissa muodonmuutosvyöhykkeissä, ja se muodostaa noin 1% maailman hiilivarannoista.

Maantieteellisesti se on Kanadassa, Yhdysvalloissa, Etelä-Afrikassa, Ranskassa, Isossa-Britanniassa, Saksassa, Venäjällä, Kiinassa, Australiassa ja Kolumbiassa.

Kuva 5. Antrasiitti, vanhin hiili, jolla on suurin hiilipitoisuus. Educerva, Wikimedia Commonsista

kivihiili

Se on mineraalihiili, orgaanisen alkuperän sedimenttikivi, jonka muodostuminen on alkanut paleo- ja mesozoic-aikakausista. Sen hiilipitoisuus on 75–85%.

Se on väriltään musta, jolle on tunnusomaista se, että se on läpinäkymätön ja mattapintainen ja rasvainen, koska siinä on runsaasti bitumisia aineita. Se muodostuu puristamalla ruskohiileä paleozojassa, hiili- ja permi-aikana.

Se on planeetan runsain hiilimuoto. Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa, Saksassa, Venäjällä ja Kiinassa on suuria hiilivarastoja.

ruskohiili

Se on mineraalifossiilihiili, joka muodostui kolmannessa aikakaudella turpeesta puristamalla (korkeat paineet). Sen hiilipitoisuus on alhaisempi kuin hiilen, välillä 70–80%.

Se on hiukan kompakti materiaali, muru (ominaisuus, joka erottaa sen muista hiilimineraaleista), ruskean tai mustanvärinen. Sen rakenne on samanlainen kuin puun ja sen hiilipitoisuus on 60 - 75%.

Se on helposti syttyvä polttoaine, jolla on alhainen lämpöarvo ja alhaisempi vesipitoisuus kuin turpeessa.

Saksassa, Venäjällä, Tšekin tasavallassa, Italiassa (Veneto, Toscana, Umbrian alueet) ja Sardiniassa on tärkeitä ruskohiilen kaivoksia. Espanjassa ruskohiilen esiintymät ovat Asturiassa, Andorrassa, Zaragozassa ja La Coruñassa.

turve

Se on orgaanista alkuperää oleva materiaali, jonka muodostuminen on peräisin kvaternäärikaudesta, paljon uudempi kuin aiemmat hiilet.

Se on väriltään ruskehtavan keltaista ja esiintyy pienitiheyksisen sienimäisenä massana, jossa voit nähdä kasvinjäännökset alkuperäpaikastaan.

Toisin kuin edellä mainitut hiilet, turve ei ole peräisin puumateriaalin tai puun hiilentämisprosesseista, vaan se on muodostettu kasaantumalla kasveja - pääasiassa ruohoja ja sammalta - soisiin alueisiin hiilentämisprosessin kautta, jota ei ole vielä saatettu loppuun..

Turveessa on korkea vesipitoisuus; tästä syystä se vaatii kuivauksen ja tiivistämisen ennen käyttöä.

Sillä on alhainen hiilipitoisuus (vain 55%); siksi sillä on alhainen energia-arvo. Palaessaan sen tuhkajäämiä on runsaasti ja se tuottaa paljon savua.

Merkittäviä turvevarastoja on Chilessä, Argentiinassa (Tierra del Fuego), Espanjassa (Espinosa de Cerrato, Palencia), Saksassa, Tanskassa, Hollannissa, Venäjällä, Ranskassa.

Kuva 6. Turvevesisäiliö. Christian Fischer, Wikimedia Commonsista

Öljy, maakaasu ja bitumi

Maaöljy (latinalaisista petraeista, mikä tarkoittaa "kiveä"; ja oleum, joka tarkoittaa "öljyä": "kiviöljyä") on seos monista orgaanisista yhdisteistä - useimmissa niistä hiilivedyistä -, joita tuotetaan anaerobisella bakteerien hajoamisella (ilman happea) orgaanisesta aineesta.

Se muodostui pohjakerroksessa, suuressa syvyydessä ja erityisissä olosuhteissa sekä fysikaalisesti (korkeat paineet ja lämpötilat) että kemiallisesti (tiettyjen katalyyttiyhdisteiden läsnäolo) prosessissa, joka kesti miljoonia vuosia.

Tämän prosessin aikana C ja H vapautuivat orgaanisista kudoksista ja yhdistettiin yhdistyen uudelleen muodostamaan valtavan määrän hiilivetyjä, jotka sekoittuvat ominaisuuksiensa mukaan muodostaen maakaasua, öljyä ja bitumia.

Maapallon öljykentät sijaitsevat pääasiassa Venezuelassa, Saudi-Arabiassa, Irakissa, Iranissa, Kuwaitissa, Arabiemiirikunnissa, Venäjällä, Libyassa, Nigeriassa ja Kanadassa.

Maakaasuvarantoja on muun muassa Venäjällä, Iranissa, Venezuelassa, Qatarissa, Yhdysvalloissa, Saudi-Arabiassa ja Yhdistyneissä arabiemiirikunnissa.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Hiilen ominaisuuksista voidaan mainita seuraavat:

Kemiallinen symboli

C.

Atominumero

6.

Fyysinen tila

Kiinteä aine normaaleissa paine- ja lämpötilaolosuhteissa (1 atmosfääri ja 25 ^° C).

Väri

Harmaa (grafiitti) ja läpinäkyvä (timantti).

Atomimassa

12,011 g / mol.

Sulamispiste

500 ^° C.

Kiehumispiste

827 ^° C.

Tiheys

2,62 g / cm ³.

Liukoisuus

Ei liukene veteen, liukenee CCI _4- hiilitetrakloridiin.

Sähköinen kokoonpano

1s ² 2s ² 2p ².

Elektronien lukumäärä ulko- tai valenssikuoressa

Neljä.

Linkki kapasiteetti

Neljä.

katenaatio

Sillä on kyky muodostaa kemiallisia yhdisteitä pitkiin ketjuihin.

Biogeokemiallinen sykli

Hiilisykli on biogeokemiallinen ympyräprosessi, jonka kautta hiili voidaan vaihtaa maan biosfäärin, ilmakehän, hydrosfäärin ja litosfäärin välillä.

Tämän syklisen hiiliprosessin tuntemus maapallolla antaa mahdollisuuden osoittaa ihmisen toiminta tällä syklillä ja sen vaikutukset maailmanlaajuiseen ilmastomuutokseen.

Hiili voi kiertää valtamerten ja muiden vesistöjen välillä, samoin kuin litosfäärin, maaperän ja pohjakerroksen välillä, ilmakehässä ja biosfäärissä. Ilmakehässä ja vesikehän, hiili esiintyy kaasumaisena CO ₂ (hiilidioksidi).

Fotosynteesi

Maa- ja vesieliöitä tuottavat organismit tarttuvat ekosysteemeihin ilmakehän hiiltä (fotosynteettisiä organismeja).

Fotosynteesi mahdollistaa kemiallisen reaktion tapahtua välillä CO ₂ ja vesi, välittyy aurinkoenergian ja klorofylli kasveista, ja tuottaa hiilihydraatteja tai sokereita. Tämä prosessi muuntaa yksinkertaisten molekyylien, joilla on alhainen energiasisältö CO ₂, H ₂ O ja happi O ₂, monimutkaisia korkean energian molekyylipainon muotoja, jotka ovat sokerit.

Heterotrofiset organismit - jotka eivät pysty syntetisoimaan ja ovat ekosysteemien kuluttajia - saavat hiiltä ja energiaa ruokkimalla tuottajia ja muita kuluttajia.

Hengitys ja hajoaminen

Hengitys- ja hajoaminen ovat biologisia prosesseja, jotka vapautuminen hiilen ympäristöön muodossa CO ₂ tai CH ₄ (metaani tuotettu anaerobinen hajottaminen in situ, se on, ilman happea).

Geologiset prosessit

Geologisten prosessien ja ajan myötä anaerobisen hajoamisen aiheuttama hiili voidaan muuttaa fossiilisiin polttoaineisiin, kuten öljyyn, maakaasuun ja hiileen. Samoin hiili on osa muita mineraaleja ja kiviä.

Ihmisen toiminnan häiriöt

Kun ihminen käyttää fossiilisten polttoaineiden energian, hiilen palaa ilmakehään muodossa valtavia määriä CO ₂, jota ei voida rinnastaa luonnollinen biogeokemiallinen hiilen kiertoa.

Tämän CO-ylimäärä ₂ tuotettu ihmisen toiminta vaikuttaa negatiivisesti tasapaino hiilen kierron, ja se on tärkein syy ilmaston lämpenemistä.

Kuva 2. Hiilen biogeokemiallinen sykli. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Käyttäjä Kevin Saff en.wikipediassa Johdannaisteos: FischX Käännös: Tomás Clarke, Wikimedia Commonsin kautta

Sovellukset

Hiilen ja sen yhdisteiden käyttö on erittäin monipuolista. Näkyvin seuraavilla:

Öljy ja maakaasu

Hiilen pääasiallista taloudellista käyttöä edustaa sen käyttö fossiilisten polttoaineiden hiilivedyinä, kuten metaanikaasu ja öljy.

Öljy tislataan jalostamoissa monien johdannaisten, kuten bensiinin, dieselin, petrolin, asfaltin, voiteluaineiden, liuottimien ja muiden saamiseksi, joita puolestaan ​​käytetään petrokemian teollisuudessa, joka tuottaa raaka-aineita muovi-, lannoite-, lääke- ja maaliteollisuudelle., muun muassa.

Grafiitti

Grafiittia käytetään seuraavissa toimissa:

- Sitä käytetään kynien valmistukseen sekoitettuna savin kanssa.

- Se on osa tulenkestävien tiilien ja upokkaiden, jotka kestävät kuumuutta, kehittämistä.

- Erilaisissa mekaanisissa laitteissa, kuten aluslaatat, laakerit, männät ja tiivisteet.

- Se on erinomainen kiinteä voiteluaine.

- Sähkönjohtavuutensa ja kemiallisen inerttinsä vuoksi sitä käytetään elektrodien, hiilivetyjen valmistukseen sähkömoottoreille.

- Sitä käytetään moderaattorina ydinvoimalaitoksissa.

Timantti

Timantilla on erityisen poikkeukselliset fysikaaliset ominaisuudet, kuten korkein kovuus ja lämmönjohtavuus, joka on tähän mennessä tiedossa.

Nämä ominaisuudet sallivat teollisuuden sovelluksissa työkaluissa, joita käytetään leikkausten tekemiseen, ja kiillotusvälineissä niiden korkean hankaavuuden vuoksi.

Sen optiset ominaisuudet - kuten läpinäkyvyys ja kyky hajottaa valkoista valoa ja taiteta valoa - antavat sille monia sovelluksia optisissa instrumenteissa, kuten linssien ja prismien valmistuksessa.

Optisista ominaisuuksistaan ​​johdettu ominainen kiilto on myös arvokkaasti koruteollisuudessa.

Antrasiitti

Antrasiitti on vaikea syttyä, se on hitaasti palava ja vaatii paljon happea. Sen palaminen tuottaa vähän vaaleansinistä liekkiä ja säteilee paljon lämpöä.

Muutama vuosi sitten antrasiittia käytettiin lämpövoimalaitoksissa ja kotitalouksien lämmitykseen. Sen käytöllä on etuja, kuten vähän tuhkaa tai pölyä, vähän savua ja hidas palamisprosessi.

Korkeiden taloudellisten kustannustensa ja niukkuudensa vuoksi antrasiitti on korvattu maakaasulla termoelektroniikkalaitoksissa ja sähköllä kotona.

kivihiili

Hiiltä käytetään raaka-aineena saadakseen:

- Koksi, polttoaine terästehtaiden masuuneista.

- Kreosootti, saatu sekoittamalla terva tisleitä kivihiilestä ja jota käytetään suojaavana tiivisteaineena elementeille altistuneelle puulle.

- hiilestä uutettu kresoli (kemiallisesti metyylifenoli), jota käytetään desinfiointiaineena ja antiseptisenä aineena, - Muut johdannaiset, kuten kaasu, terva tai piki, sekä yhdisteet, joita käytetään muun muassa hajuvesien, hyönteismyrkkyjen, muovien, maalien, renkaiden ja tienpäällysteiden valmistuksessa.

ruskohiili

Ruskohiili edustaa keskipitkälaatuista polttoainetta. Jetille, usealle ruskohiilelle, on tunnusomaista se, että se on erittäin kompakti pitkästä hiilihapumisprosessista ja korkeista paineista johtuen, ja sitä käytetään koruissa ja koristeissa.

turve

Turvetta käytetään seuraavissa toiminnoissa;

- Kasvilajien kasvua, tukemista ja kuljetusta varten.

- Luomukompostina.

- Eläinten sängynä tallissa.

- Heikkolaatuisena polttoaineena.

Viitteet

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. ja Price, G. (2017). Kemia3: Epäorgaanisen, orgaanisen ja fysikaalisen kemian esittely. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Elementtien kuningas? Nanoteknologia. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. ja Zandbergen, H. (2004). Grafiitin superlubricity. Fyysiset tarkistuskirjeet. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. ja Sumiya, H. (2003). Materiaalit: Erittäin kova monikiteinen timantti grafiitista. Nature. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). Grafiitin sulamispisteen ja nestemäisen hiilen ominaisuuksien mittaukset (katsaus vuosille 1963–2003). Hiili. 43 (6): 1115. doi: 10.1016