الكربون في الطبيعة: الموقع والخصائص والاستخدامات - GEOGRAFÍA - 2026

و الكربون في الطبيعة ويمكن العثور عليها في الماس والنفط والجرافيت، من بين العديد من السيناريوهات الأخرى. يحتل هذا العنصر الكيميائي المرتبة السادسة في الجدول الدوري ويقع في الصف الأفقي أو الفترة 2 والعمود 14. وهو عنصر غير معدني ورباعي التكافؤ. أي أنه يمكن إنشاء 4 روابط كيميائية إلكترونية مشتركة أو روابط تساهمية.

الكربون هو العنصر الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. هذه الوفرة ، وتنوعها الفريد في تكوين المركبات العضوية ، وقدرتها الاستثنائية على تكوين الجزيئات الكبيرة أو البوليمرات في درجات حرارة شائعة على الأرض ، تجعلها بمثابة عنصر مشترك لجميع أشكال الحياة المعروفة.

الشكل 1. الكربون في شكله المعدني. المصدر: Rdamian1234 ، من ويكيميديا ​​كومنز

يوجد الكربون في الطبيعة كعنصر كيميائي دون أن يتحد في أشكال الجرافيت والماس. ومع ذلك ، يتم دمجها في معظمها لتكوين مركبات كيميائية كربون ، مثل كربونات الكالسيوم (CaCO ₃) ومركبات أخرى في النفط والغاز الطبيعي.

كما أنه يشكل معادن مختلفة مثل الأنثراسايت والفحم والليغنيت والجفت. تكمن الأهمية الكبرى للكربون في أنه يشكل ما يسمى بـ "لبنة بناء الحياة" وهو موجود في جميع الكائنات الحية.

أين يوجد الكربون وبأي شكل؟

بالإضافة إلى كونه عنصرًا كيميائيًا مكونًا شائعًا في جميع أشكال الحياة ، يوجد الكربون في الطبيعة في ثلاثة أشكال بلورية: الماس والجرافيت والفوليرين.

هناك أيضًا العديد من الأشكال المعدنية غير المتبلورة للفحم (أنثراسايت ، ليجنيت ، فحم ، خث) ، أشكال سائلة (أنواع زيتية) وغازية (غاز طبيعي).

أشكال بلورية

في الأشكال البلورية ، تنضم ذرات الكربون لتشكل أنماطًا مرتبة بترتيب مكاني هندسي.

الجرافيت

وهي مادة صلبة سوداء ناعمة ذات بريق معدني أو لمعان ومقاومة للحرارة (مقاومة للحرارة). يقدم هيكلها البلوري ذرات كربون مرتبطة في حلقات سداسية ، والتي بدورها تنضم إلى صفائح مشكلة.

رواسب الجرافيت نادرة وقد تم العثور عليها في الصين والهند والبرازيل وكوريا الشمالية وكندا.

الماس

إنه مادة صلبة جدًا ، وشفافة لمرور الضوء وأكثف بكثير من الجرافيت: قيمة كثافة الماس تقارب ضعف كثافة الجرافيت.

ذرات الكربون في الماس مرتبطة ببعضها البعض في هندسة رباعية السطوح. وبالمثل ، يتكون الماس من الجرافيت المعرض لظروف درجات حرارة وضغوط عالية جدًا (3000 ^درجة مئوية و 100000 ضغط جوي).

تقع معظم الماسات على عمق يتراوح بين 140 و 190 كيلومترًا في الوشاح. من خلال الانفجارات البركانية العميقة ، يمكن للصهارة نقلها إلى مسافات قريبة من السطح.

توجد رواسب الماس في إفريقيا (ناميبيا وغانا وجمهورية الكونغو الديمقراطية وسيراليون وجنوب إفريقيا) وأمريكا (البرازيل وكولومبيا وفنزويلا وغيانا وبيرو) وأوقيانوسيا (أستراليا) وآسيا (الهند).

الشكل 3. الفحم والماس. المصدر: XAVI999 ، من ويكيميديا ​​كومنز.

الفوليرين

إنها أشكال جزيئية من الكربون تشكل مجموعات من 60 و 70 ذرة كربون في جزيئات كروية تقريبًا ، على غرار كرات كرة القدم.

هناك أيضًا فوليرين أصغر من 20 ذرة كربون. تشمل بعض أشكال الفوليرين الأنابيب النانوية الكربونية وألياف الكربون.

الشكل 4. الفوليرين. IMeowbot ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

أشكال غير متبلورة

في الأشكال غير المتبلورة ، لا تتحد ذرات الكربون ، وتشكل بنية بلورية منتظمة ومنتظمة. بدلاً من ذلك ، تحتوي حتى على شوائب من عناصر أخرى.

أنثراسايت

إنه أقدم فحم معدني متحول (يأتي من تعديل الصخور بتأثيرات درجة الحرارة أو الضغط أو التأثير الكيميائي للسوائل) ، حيث يعود تكوينه إلى العصر الأولي أو العصر الباليوزوي ، العصر الكربوني.

أنثراسايت هو الشكل غير المتبلور من الكربون الذي يحتوي على أعلى محتوى من هذا العنصر: بين 86 و 95٪. لونه رمادي-أسود مع بريق معدني ، وهو ثقيل ومضغوط.

يوجد أنثراسايت بشكل عام في مناطق التشوه الجيولوجي ويشكل حوالي 1 ٪ من احتياطيات الفحم في العالم.

يوجد جغرافيًا في كندا والولايات المتحدة الأمريكية وجنوب إفريقيا وفرنسا وبريطانيا العظمى وألمانيا وروسيا والصين وأستراليا وكولومبيا.

الشكل 5. أنثراسيت ، أقدم فحم يحتوي على أعلى محتوى كربون. Educerva ، من ويكيميديا ​​كومنز

فحم

إنه فحم معدني ، صخرة رسوبية ذات أصل عضوي ، يعود تكوينها إلى عصور الحياة القديمة والحقبة الوسطى. يحتوي على نسبة كربون تتراوح بين 75 و 85٪.

لونه أسود ، يتميز بأنه معتم ومظهر دهني غير لامع ، حيث يحتوي على نسبة عالية من المواد البيتومينية. يتم تشكيله عن طريق ضغط الليغنيت في عصر الباليوزويك ، في العصرين الكربوني والبرمي.

إنه أكثر أشكال الكربون وفرة على هذا الكوكب. توجد رواسب كبيرة من الفحم في الولايات المتحدة وبريطانيا العظمى وألمانيا وروسيا والصين.

Lignite

إنه فحم أحفوري معدني تشكل في العصر الثالث من الخث بالضغط (الضغط العالي). يحتوي على نسبة كربون أقل من الفحم ، بين 70 و 80٪.

إنها مادة مضغوطة قليلاً ، متفتتة (خاصية تميزها عن معادن الكربون الأخرى) ، بنية أو سوداء اللون. قوامه مشابه لنسيج الخشب ويتراوح محتواه الكربوني من 60 إلى 75٪.

إنه وقود سهل الاشتعال ، ذو قيمة منخفضة من السعرات الحرارية ومحتوى مائي أقل من الخث.

توجد مناجم ليجنيت مهمة في ألمانيا وروسيا وجمهورية التشيك وإيطاليا (مناطق فينيتو وتوسكانا وأومبريا) وسردينيا. في إسبانيا ، توجد رواسب الليغنيت في أستورياس وأندورا وسرقسطة ولاكورونيا.

الخث

إنها مادة ذات أصل عضوي يأتي تكوينها من العصر الرباعي ، وهو أحدث بكثير من الفحم السابق.

لونه أصفر بني ويظهر على شكل كتلة إسفنجية منخفضة الكثافة ، حيث يمكنك رؤية بقايا النباتات من المكان الذي نشأت فيه.

على عكس أنواع الفحم المذكورة أعلاه ، لا يأتي الخث من عمليات كربنة المواد الخشبية أو الخشب ، ولكنه يتكون من تراكم النباتات - خاصة الحشائش والطحالب - في مناطق المستنقعات من خلال عملية كربنة لم تكتمل بعد..

يحتوي الخث على نسبة عالية من الماء ؛ لهذا السبب يتطلب التجفيف والضغط قبل الاستخدام.

يحتوي على نسبة منخفضة من الكربون (55٪ فقط) ؛ لذلك ، لها قيمة طاقة منخفضة. عند التعرض للاحتراق ، تكون بقايا الرماد وفيرة وينبعث منها الكثير من الدخان.

توجد رواسب مهمة من الجفت في تشيلي والأرجنتين (تييرا ديل فويغو) وإسبانيا (إسبينوزا دي سيراتو وبالينثيا) وألمانيا والدنمارك وهولندا وروسيا وفرنسا.

الشكل 6. خزان الخث. كريستيان فيشر ، من ويكيميديا ​​كومنز

النفط والغاز الطبيعي والبيتومين

البترول (المشتق من الكلمة اللاتينية بترا ، والذي يعني "الحجر" ؛ والزيت ، والذي يعني "الزيت": "الزيت الصخري") هو خليط من العديد من المركبات العضوية - معظمها هيدروكربونات - ينتج عن التحلل البكتيري اللاهوائي (في حالة عدم وجود الأكسجين) من المواد العضوية.

تم تشكيله في باطن الأرض ، على أعماق كبيرة وتحت ظروف خاصة فيزيائية (ضغوط ودرجات حرارة عالية) وكيميائية (وجود مركبات محفز معينة) في عملية استغرقت ملايين السنين.

خلال هذه العملية ، تم إطلاق C و H من الأنسجة العضوية وضموا مرة أخرى ، لتكوين عدد هائل من الهيدروكربونات التي تختلط وفقًا لخصائصها ، مكونة الغاز الطبيعي والزيت والقار.

تقع حقول النفط العالمية بشكل رئيسي في فنزويلا والمملكة العربية السعودية والعراق وإيران والكويت والإمارات العربية المتحدة وروسيا وليبيا ونيجيريا وكندا.

توجد احتياطيات من الغاز الطبيعي في روسيا وإيران وفنزويلا وقطر والولايات المتحدة والمملكة العربية السعودية والإمارات العربية المتحدة ، من بين دول أخرى.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

من بين خصائص الكربون يمكن أن نذكر ما يلي:

الرمز الكيميائي

ج.

العدد الذري

6.

الحالة الفيزيائية

صلب ، تحت ضغط ودرجة حرارة عادية (1 جو و 25 ^درجة مئوية).

اللون

رمادي (جرافيت) وشفاف (ماسي).

الكتلة الذرية

12.011 جم / مول.

نقطة الانصهار

500 ^درجة مئوية.

نقطة الغليان

827 ^درجة مئوية.

كثافة

2.62 جم / سم ³.

الذوبان

غير قابلة للذوبان في الماء، قابل للذوبان في لجنة علم المناخ ₄ رابع كلوريد الكربون.

التكوين الإلكترونية

1s ² 2s ² 2p ².

عدد الإلكترونات في الغلاف الخارجي أو غلاف التكافؤ

أربعة.

قدرة الارتباط

أربعة.

السلسال

لها القدرة على تكوين مركبات كيميائية في سلاسل طويلة.

الدورة البيوجيوكيميائية

دورة الكربون هي عملية دائرية كيميائية حيوية يمكن من خلالها تبادل الكربون بين الغلاف الجوي للأرض والغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري.

إن معرفة هذه العملية الدورية للكربون على الأرض تجعل من الممكن إظهار العمل البشري في هذه الدورة وعواقبها على تغير المناخ العالمي.

يمكن أن ينتشر الكربون بين المحيطات والمسطحات المائية الأخرى ، وكذلك بين الغلاف الصخري ، في التربة وباطن الأرض ، في الغلاف الجوي وفي المحيط الحيوي. في الغلاف الجوي والغلاف المائي، يوجد الكربون في شكل غازي كما CO ₂ (ثاني أكسيد الكربون).

البناء الضوئي

يتم التقاط الكربون من الغلاف الجوي بواسطة الكائنات الحية الأرضية والمائية المنتجة في النظم البيئية (كائنات التمثيل الضوئي).

الضوئي يتيح تفاعل كيميائي بين CO ₂ والمياه أن يحدث بوساطة الطاقة الشمسية والكلوروفيل من النباتات، إلى الكربوهيدرات المنتجات أو السكريات. هذه العملية تحول جزيئات بسيطة منخفض المحتوى من الطاقة من CO ₂ ، H ₂ O والأكسجين O ₂ ، إلى أشكال الجزيئية عالية الطاقة المعقدة، والتي هي السكريات.

الكائنات غيرية التغذية - التي لا تستطيع التمثيل الضوئي وهي مستهلكة في النظم البيئية - تحصل على الكربون والطاقة من خلال تغذيتها على المنتجين والمستهلكين الآخرين.

التنفس والتحلل

التنفس والتحلل والعمليات البيولوجية التي الإفراج الكربون في البيئة في شكل CO ₂ أو CH ₄ (الميثان تنتج في التحلل اللاهوائي، وهذا هو، في غياب الأكسجين).

العمليات الجيولوجية

من خلال العمليات الجيولوجية ونتيجة لمرور الوقت ، يمكن تحويل الكربون الناتج عن التحلل اللاهوائي إلى وقود أحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم. وبالمثل ، فإن الكربون هو أيضًا جزء من المعادن والصخور الأخرى.

تدخل النشاط البشري

عندما يستخدم الرجل حرق الوقود الاحفوري للحصول على الطاقة، والعودة الكربون إلى الغلاف الجوي في شكل كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون ₂ التي لا يمكن استيعابها من قبل دورة الكربون البيولوجية الكيميائية الطبيعية.

هذا CO الزائد ₂ الناتجة عن النشاط البشري يؤثر سلبا على التوازن في دورة الكربون وهو السبب الرئيسي لظاهرة الاحتباس الحراري.

الشكل 2. الدورة البيوجيوكيميائية للكربون. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: المستخدم كيفن ساف على en.wikipedia عمل مشتق: ترجمة FischX: Tomás Clarke ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

التطبيقات

إن استخدامات الكربون ومركباته متنوعة للغاية. أبرزها ما يلي:

النفط والغاز الطبيعي

يتمثل الاستخدام الاقتصادي الرئيسي للكربون في استخدامه كوقود أحفوري هيدروكربون ، مثل غاز الميثان والنفط.

يتم تقطير الزيت في المصافي للحصول على مشتقات متعددة مثل البنزين والديزل والكيروسين والأسفلت وزيوت التشحيم والمذيبات وغيرها ، والتي بدورها تستخدم في صناعة البتروكيماويات التي تنتج المواد الخام للصناعات البلاستيكية والأسمدة والأدوية والدهانات. ، من بين أمور أخرى.

الجرافيت

يستخدم الجرافيت في الإجراءات التالية:

- يستخدم في صناعة أقلام الرصاص الممزوجة بالطين.

- هو جزء من وضع الطوب والبوتقات المقاومة للحرارة.

- في الأجهزة الميكانيكية المختلفة مثل الغسالات والمحامل والمكابس والأختام.

- إنها مادة تشحيم صلبة ممتازة.

- نظرا لقابليته للتوصيل الكهربائي وخامله الكيميائي ، فإنه يستخدم في تصنيع الأقطاب الكهربائية والكربون للمحركات الكهربائية.

- يستخدم كوسيط في محطات الطاقة النووية.

الماس

الماس له خصائص فيزيائية استثنائية بشكل خاص ، مثل أعلى درجة من الصلابة والتوصيل الحراري المعروف حتى الآن.

تسمح هذه الخصائص بالتطبيقات الصناعية في الأدوات المستخدمة لعمل القطع وأدوات التلميع نظرًا لقدرتها العالية على التآكل

خصائصه البصرية - مثل الشفافية والقدرة على تحطيم الضوء الأبيض وانكسار الضوء - تمنحه العديد من التطبيقات في الأدوات البصرية ، مثل صناعة العدسات والمنشورات.

اللمعان المميز المستمد من خصائصه البصرية ذو قيمة عالية أيضًا في صناعة المجوهرات.

أنثراسايت

يصعب اشتعال الأنثراسايت ، فهو بطيء الاحتراق ويتطلب الكثير من الأكسجين. ينتج عن احتراقه لهب أزرق باهت قليلاً وينبعث منه الكثير من الحرارة.

منذ بضع سنوات ، كان أنثراسايت يستخدم في محطات الطاقة الحرارية وللتدفئة المنزلية. يتميز استخدامه بمزايا مثل إنتاج القليل من الرماد أو الغبار ، وقليل من الدخان وعملية الاحتراق البطيئة.

بسبب تكلفتها الاقتصادية العالية وندرتها ، تم استبدال الأنثراسيت بالغاز الطبيعي في محطات الطاقة الحرارية والكهرباء في المنازل.

فحم

يستخدم الفحم كمادة خام للحصول على:

- فحم الكوك ، وقود من أفران الصهر في مصانع الصلب.

- الكريوزوت ، الذي يتم الحصول عليه عن طريق خلط نواتج القطران من الفحم واستخدامها كمادة مانعة للتسرب واقية للخشب المعرض للعناصر.

- كريسول (ميثيل فينول كيميائيا) المستخرج من الفحم ويستخدم كمطهر ومطهر ،

- المشتقات الأخرى مثل الغاز والقطران والقار والمركبات المستخدمة في صناعة العطور والمبيدات الحشرية والبلاستيك والدهانات والإطارات وأرصفة الطرق وغيرها.

Lignite

يمثل اللجنايت وقودًا متوسط ​​الجودة. يتميز Jet ، وهو مجموعة متنوعة من الليغنيت ، بكونه مضغوطًا جدًا بسبب عملية الكربنة الطويلة والضغط العالي ، ويستخدم في المجوهرات والزخرفة.

الخث

يستخدم الخث في الأنشطة التالية ؛

- لنمو ودعم ونقل الأنواع النباتية.

- كسماد عضوي.

- كسرير حيوان في اسطبلات.

- كوقود منخفض الجودة.

المراجع

1. بوروز ، أ ، هولمان ، جيه ، بارسونز ، إيه ، بيلينج ، جي أند برايس ، جي (2017). الكيمياء 3: إدخال الكيمياء غير العضوية والعضوية والفيزيائية. مطبعة جامعة أكسفورد.
2. دمينغ ، أ. (2010). ملك العناصر؟ تقنية النانو. 21 (30): 300201. دوى: 10.1088
3. دينويبيل ، إم ، فيرهوفن ، جي ، براديب ، إن ، فرينكين ، جيه ، هايمبرج ، جيه ، زاندبيرجين ، هـ. (2004). التشحيم الفائق للجرافيت. رسائل المراجعة البدنية. 92 (12): 126101. دوى: 10.1103
4. إيريفون ، ت. ، كوريو ، أ ، ساكاموتو ، س ، إينو ، ت. وسوميا ، هـ. (2003). المواد: الماس متعدد الكريستالات فائق الصلابة من الجرافيت. طبيعة. 421 (6923): 599-600. دوى: 10.1038.0000
5. ساففاتيمسكي ، أ. (2005). قياسات نقطة انصهار الجرافيت وخصائص الكربون السائل (مراجعة 1963-2003). فحم. 43 (6): 1115. دوى: 10.1016