SZÉN A TERMÉSZETBEN: HELY, TULAJDONSÁGOK ÉS FELHASZNÁLÁSOK - GEOGRAFÍA - 2026

A természetben lévő szén sokféle forgatókönyv között megtalálható a gyémántokban, az olajban és a grafitokban. Ez a kémiai elem a periódusos rendszer hatodik helyét foglalja el, a vízszintes sorban vagy a 2. szakaszban és a 14. oszlopban található. Nemfémes és tetravalens; vagyis létrehozhat négy megosztott elektronkémiai kötést vagy kovalens kötést.

A szén a földkéreg leggazdagabb eleme. Ez a bőség, egyedülálló sokfélesége a szerves vegyületek képződésében, valamint az a kivételes képessége, hogy a Földön általánosan alkalmazott hőmérsékleten képezzen makromolekulákat vagy polimereket, ezért az összes ismert életforma közös elemét képezi.

1. ábra. Szén ásványi formájában. Forrás: Rdamian1234, a Wikimedia Commonsból

A szén a természetben kémiai elemként létezik anélkül, hogy a grafit és a gyémánt alakulna össze. Azonban a legtöbb esetben szénkémiai vegyületeket, például kalcium-karbonátot (CaCO ₃) és más vegyületeket képeznek az olajban és a földgázban.

Különböző ásványokat képez, mint például antracit, szén, lignit és tőzeg. A szén legnagyobb jelentősége az, hogy ez az úgynevezett „élet építőeleme”, és jelen van minden élő szervezetben.

Hol található a szén és milyen formában?

Amellett, hogy a természetben a szén a közös kémiai elem az élet minden formájában, három kristályos formában van jelen: gyémánt, grafit és fullerén.

Számos amorf ásványi forma létezik (antracit, lignit, szén, tőzeg), folyékony formák (olajfajták) és gáznemű (földgáz).

Kristályos formák

Kristályos formában a szénatomok geometriai térbeli elrendezéssel rendezett mintákat képeznek.

Grafit

Puha, fekete szilárd anyag, fém fényű vagy csillogó, hőálló (tűzálló). Kristályszerkezete szénatomokat tartalmaz, amelyek hatszögletű gyűrűkben vannak összekapcsolva, amelyek viszont összekapcsolnak képező lapokkal.

A grafitlerakódások ritkák, és Kínában, Indiában, Brazíliában, Észak-Koreában és Kanadában találhatók meg.

gyémánt

Nagyon kemény szilárd anyag, átlátszó a fény áthatolására és sokkal sűrűbb, mint a grafit: a gyémánt sűrűségének értéke majdnem kétszerese a grafit értékének.

A gyémánt szénatomjai tetraéder geometriában vannak összekapcsolva. Hasonlóképpen, a gyémánt grafitból is képződik, amelyet nagyon magas hőmérsékleten és nyomáson (3000 ^° C és 100 000 atm) tesznek ki.

A legtöbb gyémánt 140 és 190 km között helyezkedik el a köpenyben. Mély vulkáni kitöréseken keresztül a magma képes a felülethez közeli távolságokra szállítani őket.

Gyémántlerakók vannak Afrikában (Namíbia, Ghána, a Kongói Demokratikus Köztársaság, Sierra Leoné és Dél-Afrika), Amerikában (Brazília, Kolumbia, Venezuela, Guyana, Peru), Óceániában (Ausztrália) és Ázsiában (India).

3. ábra. Szén és gyémánt. Forrás: XAVI999, a Wikimedia Commonsból.

fullerének

Szén molekuláris formái, amelyek szinte gömb alakú molekulákban 60 és 70 szénatomos csoportokat képeznek, hasonlóan a futball-labdákhoz.

Vannak kisebb, 20 szénatomos fullerének is. A fullerének néhány formája magában foglalja a szén nanocsöveket és a szénszálakat.

4. ábra. Fullerén. IMeowbot, a Wikimedia Commonson keresztül

Amorf formák

Amorf formában a szénatomok nem egyesülnek, rendezett és szabályos kristályszerkezetet képezve. Ehelyett más elemek szennyeződéseit is tartalmazzák.

antracit

Ez a legrégebbi metamorf ásványi szén (amely a kőzetek hőmérséklet, nyomás vagy folyadékok kémiai hatása általi átalakításából származik), mivel kialakulása az elsődleges vagy paleozoikus korszakból, a széntartalmú időszakból származik.

Az antracit az amorf forma a szén, amelynek ezen elemtartalma a legnagyobb: 86–95%. Szürke-fekete színű, metál fényű, nehéz és kompakt.

Az antracit általában a geológiai deformációs övezetekben található, és a világ széntartalékának körülbelül 1% -át teszi ki.

Földrajzilag Kanadában, az Egyesült Államokban, Dél-Afrikában, Franciaországban, Nagy-Britanniában, Németországban, Oroszországban, Kínában, Ausztráliában és Kolumbiában található meg.

5. ábra Antracit, a legrégebbi szén a legmagasabb széntartalommal. Educerva, a Wikimedia Commonsból

Szén

Ez egy ásványi szén, egy szerves eredetű üledékes kőzet, amelynek kialakulása a paleozoikus és a mezozoikum korából származik. Széntartalma 75 és 85% között van.

Fekete színű, átlátszatlan, matt és zsíros megjelenésű, mivel magas bitumentartalmú. A lignit tömörítésével alakul ki a paleozoikus korszakban, a karbon és a permi időszakban.

Ez a szén legszélesebb formája a bolygón. Nagy szénlelőhelyek vannak az Egyesült Államokban, Nagy-Britanniában, Németországban, Oroszországban és Kínában.

Barnaszén

Ez egy ásványi fosszilis szén, amely a harmadlagos korszakban képződött tőzegből préseléssel (magas nyomás). Kevesebb széntartalommal rendelkezik, mint a szén, 70–80%.

Kissé kompakt anyag, morzsás (jellemző, amely megkülönbözteti a többi szén-ásványtól), barna vagy fekete színű. Textúrája hasonló a fa textúrájához, és széntartalma 60-75%.

Könnyen gyullad meg, alacsony fűtőértékkel és alacsonyabb víztartalommal, mint a tőzeg.

Fontos lignitbányák vannak Németországban, Oroszországban, a Cseh Köztársaságban, Olaszországban (Veneto, Toszkána, Umbria régiók) és Szardíniaban. Spanyolországban a barnaszén-lelőhelyek az Asztúria, Andorra, Zaragoza és La Coruña területén találhatóak.

Tőzeg

Szerves eredetű anyag, amelynek kialakulása a kvaterner korszakból származik, sokkal újabb, mint a korábbi szén.

Barnás-sárga színű és alacsony sűrűségű szivacsos tömeg formájában jelenik meg, amelyben a növény maradványai láthatók a származási helyről.

A fentebb említett szénel ellentétben a tőzeg nem a fás anyag vagy fa szénsavas folyamataiból származik, hanem a növények - elsősorban füvek és mohák - felhalmozódásával a mocsaras területeken egy még nem befejeződött karbonizációs folyamat során..

A tőzeg magas víztartalommal rendelkezik; ezért felhasználás előtt szárítást és tömörítést igényel.

Alacsony széntartalommal (csak 55%); ezért alacsony energiaértékkel rendelkezik. Égés közben hamumaradványa bőséges, és sok füstöt bocsát ki.

Fontos tőzeglelőhelyek vannak Chileben, Argentínában (Tierra del Fuego), Spanyolországban (Espinosa de Cerrato, Palencia), Németországban, Dániában, Hollandiában, Oroszországban, Franciaországban.

6. ábra: Tőzertartály. Christian Fischer, a Wikimedia Commonsból

Olaj, földgáz és bitumen

A kőolaj (a latin petrae-ből, amely azt jelenti, hogy "kő"; és az olaj, amely azt jelenti, hogy "olaj": "kőolaj") számos szerves vegyület keveréke - ezek többségében szénhidrogének -, amelyek anaerob baktériumok lebomlásával állnak elő (hiányában oxigén).

Az altalajban, nagy mélységben és speciális körülmények között alakult ki mind fizikai (magas nyomás és hőmérséklet), mind kémiai (speciális katalizátorvegyületek jelenléte) során, egy millió évig tartó folyamatban.

Ennek a folyamatnak a során a C és H felszabadul a szerves szövetekből és újra összekapcsolódnak, és óriási számú szénhidrogént képeznek, amelyek tulajdonságaik szerint keverednek, és így földgázt, olajat és bitumenet képeznek.

A világ olajmezői elsősorban Venezuelában, Szaúd-Arábiában, Irakban, Iránban, Kuvaitban, az Egyesült Arab Emírségekben, Oroszországban, Líbiában, Nigériában és Kanadában találhatók.

Földgáztartalékok vannak többek között Oroszországban, Iránban, Venezuelában, Katarban, az Egyesült Államokban, Szaúd-Arábiában és az Egyesült Arab Emírségekben.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

A szén tulajdonságai között megemlíthetjük a következőket:

Kémiai szimbólum

C.

Atomszám

6.

Fizikai állapot

Szilárd anyag, normál nyomás és hőmérséklet körülmények között (1 atmoszféra és 25 ^° C).

Szín

Szürke (grafit) és átlátszó (gyémánt).

Atomtömeg

12,011 g / mol.

Olvadáspont

500 ^° C

Forráspont

827 ^° C

Sűrűség

2,62 g / cm ³.

Oldhatóság

Vízben nem oldható CCl ₄ szén-tetrakloridban.

Elektronikus konfiguráció

1s ² 2s ² 2p ².

Az elektronok száma a külső vagy a valencia héjában

Négy.

Kapcsolat kapacitása

Négy.

catenation

Képes vegyületeket képezni hosszú láncokban.

Biogeokémiai ciklus

A szénciklus egy biogeokémiai körfolyamat, amelyen keresztül a szén cserélhető a Föld bioszféra, a légkör, a hidroszféra és a litoszféra között.

A Föld ezen ciklikus ciklikus folyamatának ismerete lehetővé teszi, hogy bemutassuk az emberi fellépést ezen a cikluson és annak következményeit a globális éghajlatváltozáson.

A szén keringhet az óceánok és más víztestek, valamint a litoszféra, a talaj és az altalaj, a légkör és a bioszféra között. A légkörben és a hidroszférában a szén gáz halmazállapotban létezik, mint CO ₂ (szén-dioxid).

Fotoszintézis

A légkörből származó szén-dioxidot az ökoszisztémákban szárazföldi és vízi termelő szervezetek (fotoszintézis-szervezetek) fogják fel.

A fotoszintézis lehetővé teszi a CO ₂ és a víz kémiai reakcióját, amelyet a növények napenergia és klorofill közvetít, és így szénhidrátokat vagy cukrokat állít elő. Ez a folyamat át egyszerű molekulák alacsony energiatartalma CO ₂, H ₂ O, és az O oxigén ₂, a komplex nagy energiájú molekuláris formák, amelyek a cukrok.

A heterotróf szervezetek - amelyek nem képesek fotoszintetizálni és az ökoszisztémákban fogyasztók - szén- és energiát nyernek a termelők és más fogyasztók táplálásával.

Légzés és bomlás

A légzés és a bomlás olyan biológiai folyamatok, amelyek szént engednek a környezetbe CO ₂ vagy CH _{4 formájában} (anaerob bomlás során előállított metán; vagyis oxigén hiányában).

Geológiai folyamatok

Geológiai folyamatok révén és az idő múlásával az anaerob bomlás során keletkező szén fosszilis tüzelőanyagokká, például olaj, földgáz és szén, alakulhat át. Hasonlóképpen, a szén más ásványok és kőzetek részét képezi.

Az emberi tevékenység zavarása

Amikor az ember használja a fosszilis tüzelőanyagok energia, szén visszatér a légkörbe formájában hatalmas mennyiségű CO ₂, amely nem hasonlítható a természetes biogeokémiai szénciklus.

Ez a többlet CO ₂ által termelt emberi tevékenység negatív hatást gyakorol az egyensúlyt a szén körforgása és a fő oka a globális felmelegedés.

2. ábra: A szén biogeokémiai ciklusa. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Kevin Saff felhasználó az en.wikipedia-ban Származékos munka: FischX Fordítás: Tomke Clarke, a Wikimedia Commons segítségével

Alkalmazások

A szén és vegyületeinek felhasználása rendkívül változatos. A legszembetűnőbb a következőkkel:

Olaj és földgáz

A szén fő gazdasági felhasználását az jelenti, hogy fosszilis tüzelőanyagként, például metán-gázként és olajként használják szénhidrogénként.

Az olajat a finomítókban desztillálják, hogy többszörös származékokat nyerjenek, például benzint, dízelolajat, kerozint, aszfaltot, kenőanyagokat, oldószereket és másokat, amelyeket viszont a petrolkémiai iparban használnak, amely alapanyagokat állít elő a műanyagok, műtrágyák, gyógyszerek és festékek számára., többek közt.

Grafit

A grafitot a következő műveletekben használják:

- Ceruzagyártásban használják, agyaggal keverve.

- A tűzálló téglák és hőszigetelő tégelyek kidolgozásának része.

- Különböző mechanikus eszközökben, például alátétek, csapágyak, dugattyúk és tömítések.

- Kiváló szilárd kenőanyag.

- Elektromos vezetőképessége és kémiai tehetetlensége miatt elektródák, szénhidrogének gyártásához használják.

- Atomerőművekben moderátorként használják.

gyémánt

A gyémánt különösen kivételes fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a mai napig ismert legmagasabb keménységi fok és hővezető képesség.

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik az ipari felhasználást a vágásokhoz használt szerszámokban és a polírozó műszerekben, nagy koptatóképességük miatt.

Optikai tulajdonságai - mint például az átlátszóság, a fehér fény és a fénytörés képessége - számos felhasználást kínálnak az optikai műszerekben, például lencsék és prizmák gyártásához.

Az optikai tulajdonságaiból fakadó jellegzetes fényt az ékszeripar is nagyra értékeli.

antracit

Az antracit nehéz meggyulladni, lassan ég és sok oxigént igényel. Égése kevés halványkék lángot eredményez és sok hőt bocsát ki.

Néhány évvel ezelőtt az antracit használtak termoelektromos berendezésekben és háztartási fűtésre. Használatának olyan előnyei vannak, mint például kevés hamu vagy por, kevés füst és lassú égési folyamat.

Magas gazdasági költségei és szűkössége miatt az antracitet helyettesítette a földgáz a termoelektromos erőművekben és az elektromosság az otthonokban.

Szén

A szén alapanyagként a következőket nyeri:

- Koksz, acélművek nagyolvasztóinak tüzelőanyaga.

- Kreozot, amelyet a kátrány desztillátumának a szénből történő desztillációjával állítanak elő, és az elemeknek kitett fa számára védő tömítőanyagként használnak.

- szénből extrahált krezol (kémiailag metil-fenol), fertőtlenítő és fertőtlenítőszerként felhasználva, - Egyéb származékok, például gáz, kátrány vagy szurok, valamint vegyületek, többek között parfümök, rovarirtó szerek, műanyagok, festékek, gumiabroncsok és útburkolatok gyártásához.

Barnaszén

A barnaszén közepes minőségű üzemanyagot jelent. A jet, a sokféle lignit, a hosszú karbonizációs folyamat és a magas nyomás miatt nagyon kompakt, és az ékszerekben és dísztárgyakban használatos.

Tőzeg

A tőzeget a következő tevékenységekben használják;

- A növényfajok növekedéséhez, támogatásához és szállításához.

- Szerves komposztként.

- Mint állati ágy az istállókban.

- Alacsony minőségű üzemanyagként.

Irodalom

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. és Price, G. (2017). Chemistry3: A szervetlen, szerves és fizikai kémia bemutatása. Oxford University Press.
2. Deming, A. (2010). Az elemek királya? Nanotechnológia. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. és Zandbergen, H. (2004). A grafit szubliceritása. Fizikai áttekintő levelek. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. és Sumiya, H. (2003). Anyagok: Ultrakemény polikristályos gyémánt grafitból. Természet. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). A grafit olvadáspontjának és a folyékony szén tulajdonságainak mérése (áttekintés 1963–2003-ra). Szén. 43 (6): 1115. doi: 10.1016