Carbono na natureza: localização, propriedades e usos

O carbono na natureza podem ser encontrados em diamantes, petróleo e grafites, entre muitos outros cenários. Este elemento químico ocupa o sexto lugar na tabela periódica e está localizado na linha horizontal ou período 2 e coluna 14. É não metálico e tetravalente; isto é, pode estabelecer 4 ligações químicas de elétrons compartilhados ou ligações covalentes.

O carbono é o elemento mais abundante na crosta terrestre. Essa abundância, sua diversidade única na formação de compostos orgânicos e sua capacidade excepcional de formar macromoléculas ou polímeros às temperaturas normalmente encontradas na Terra, fazem com que sirva como um elemento comum de todas as formas de vida conhecidas.

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Figura 1. Carbono em sua forma mineral. Fonte: Rdamian1234 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

O carbono existe na natureza como um elemento químico sem combinar nas formas de grafite e diamante. No entanto, na maioria das vezes, ele é combinado para formar compostos químicos de carbono, como o carbonato de cálcio (CaCO 3 ) e outros compostos em petróleo e gás natural.

Também forma vários minerais como antracite, carvão, carvão marrom e turfa. A maior importância do carbono é que ele constitui o chamado “bloco de construção da vida” e está presente em todos os organismos vivos.

Onde está o carbono e de que forma?

Além de ser o elemento químico componente comum em todas as formas de vida, o carbono na natureza está presente em três formas cristalinas: diamante, grafite e fulereno.

Existem também várias formas minerais amorfas de carvão (antracite, linhita, carvão, turfa), formas líquidas (variedades de óleos) e refrigerantes (gás natural).

Formas cristalinas

Nas formas cristalinas, os átomos de carbono se unem formando padrões ordenados com arranjo espacial geométrico.

Grafite

É um sólido preto macio com brilho ou brilho metálico e resistente ao calor (refratário). Sua estrutura cristalina possui átomos de carbono unidos em anéis hexagonais que, por sua vez, juntam folhas formadoras.

Depósitos de grafite são escassos e foram encontrados na China, Índia, Brasil, Coréia do Norte e Canadá.

Diamond

É um sólido muito duro, transparente à passagem da luz e muito mais denso que a grafite: o valor da densidade do diamante é quase o dobro do da grafite.

Os átomos de carbono no diamante se unem à geometria tetraédrica. Da mesma forma, o diamante é formado a partir de grafite sob condições de temperaturas e pressões muito altas (3000 ° C e 100 000 atm).

A maioria dos diamantes está localizada entre 140 e 190 km de profundidade no manto. Através de profundas erupções vulcânicas, o magma pode transportá-los a distâncias próximas à superfície.

Existem depósitos de diamantes na África (Namíbia, Gana, República Democrática do Congo, Serra Leoa e África do Sul), América (Brasil, Colômbia, Venezuela, Guiana, Peru), Oceania (Austrália) e Ásia (Índia).

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Figura 3. Carvão e diamante. Fonte: XAVI999 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecomfigura mons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons.

Fulerenos

São formas moleculares de carbono que formam grupos de 60 e 70 átomos de carbono em moléculas quase esféricas, semelhantes às bolas de futebol.

Existem também fulerenos menores de 20 átomos de carbono. Algumas formas de fulerenos incluem nanotubos de carbono e fibras de carbono.

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Figura 4. Fulerene. IMeowbot [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Formas amorfas

Nas formas amorfas, os átomos de carbono não se ligam, constituindo uma estrutura cristalina ordenada e regular. Em vez disso, eles ainda contêm impurezas de outros elementos.

Antracite

É o carvão mineral metamórfico mais antigo (que provém da modificação de rochas devido aos efeitos da temperatura, pressão ou ação química dos fluidos), pois sua formação data da era primária ou paleozóica, um período carbonífero.

Antracite é a forma amorfa de carbono que possui o maior conteúdo desse elemento: entre 86 e 95%. É brilho cinza-preto e metálico e é pesado e compacto.

Geralmente, o antracito é encontrado em áreas de deformação geológica e constitui aproximadamente 1% das reservas mundiais de carvão.

Geograficamente, é encontrado no Canadá, EUA, África do Sul, França, Grã-Bretanha, Alemanha, Rússia, China, Austrália e Colômbia.

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Figura 5. Antracite, o carbono mais antigo com o maior conteúdo de carbono. Educerva [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ou GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], do Wikimedia Commons

Carvão

É um carvão mineral, rocha sedimentar de origem orgânica, cuja formação data das épocas paleozóica e mesozóica. Tem um teor de carbono entre 75 e 85%.

É de cor preta, caracteriza-se por ser opaco e de aparência fosca e gordurosa, pois possui um alto teor de substâncias betuminosas. É formado por compressão de linhita na era paleozóica, nos períodos carbonífero e permiano.

É a forma mais abundante de carvão do planeta. Existem grandes depósitos de carvão nos Estados Unidos, Grã-Bretanha, Alemanha, Rússia e China.

Linhite

É um carvão mineral fóssil formado na era terciária a partir de turfa por compressão (altas pressões). Tem um teor de carbono menor que o carvão, entre 70 e 80%.

É um material um pouco compacto e quebradiço (característica que o distingue de outros minerais de carbono), marrom ou preto. Sua textura é semelhante à da madeira e seu conteúdo de carbono varia de 60 a 75%.

É um combustível fácil de inflamar, com baixo valor calorífico e com menor teor de água que a turfa.

Existem importantes minas de linhita na Alemanha, Rússia, República Tcheca, Itália (regiões de Veneto, Toscana, Úmbria) e Sardenha. Na Espanha, os depósitos de linhito estão nas Astúrias, Andorra, Saragoça e Corunha.

Turfa

É um material de origem orgânica cuja formação vem da era quaternária, muito mais recente que os carvões anteriores.

É amarelo acastanhado e aparece na forma de uma massa esponjosa de baixa densidade, na qual é possível ver restos vegetais do local de origem.

Ao contrário dos carvões mencionados acima, a turfa não provém de processos de carbonização de material lenhoso ou madeira, mas foi formada pelo acúmulo de plantas – principalmente gramíneas e musgos – em áreas pantanosas por meio de um processo de carbonização ainda não concluído. .

A turfa tem um alto teor de água; por esse motivo, requer secagem e compactação antes do uso.

Possui baixo teor de carbono (apenas 55%); portanto, tem um baixo valor energético. Quando sujeito a combustão, seu resíduo de cinza é abundante e emite muita fumaça.

Existem importantes depósitos de turfa no Chile, Argentina (Terra do Fogo), Espanha (Espinosa de Cerrato, Palencia), Alemanha, Dinamarca, Holanda, Rússia, França.

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Figura 6. Depósito de turfa. Christian Fischer [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], de Wikimedia Commons

Petróleo, gás natural e betume

Óleo (Latina Petrae , significando “pedra”; e óleum , o que significa “óleo”, “óleo de rocha”) é uma mistura de diversos compostos orgânicos -O produzido mais hydrocarbons- por decomposição bacteriana anaeróbia ( na ausência de oxigênio) da matéria orgânica.

Foi formado no subsolo, em grandes profundidades e sob condições especiais físicas (altas pressões e temperaturas) e químicas (presença de compostos catalisadores específicos) em um processo que levou milhões de anos.

Durante esse processo, C e H foram liberados dos tecidos orgânicos e reunidos novamente, para formar um imenso número de hidrocarbonetos que se misturam de acordo com suas propriedades, formando gás natural, óleo e betume.

Os campos de petróleo do planeta estão localizados principalmente na Venezuela, Arábia Saudita, Iraque, Irã, Kuwait, Emirados Árabes Unidos, Rússia, Líbia, Nigéria e Canadá.

Existem reservas de gás natural na Rússia, Irã, Venezuela, Catar, Estados Unidos, Arábia Saudita e Emirados Árabes Unidos, entre outros.

Propriedades físicas e químicas

Entre as propriedades do carbono, podemos citar o seguinte:

Símbolo químico

C.

Número atômico

6

Estado físico

Sólido, em condições normais de pressão e temperatura (1 atmosfera e 25 ° C).

Cor

Cinza (grafite) e transparente (diamante).

Massa atômica

12,011 g / mol.

Ponto de fusão

500 ° C.

Ponto de ebulição

827 ° C.

Densidade

2,62 g / cm 3 .

Solubilidade

Insolúvel em água, solúvel em tetracloreto de carbono CCl 4 .

Configuração eletrônica

1s 2 2s 2 2p 2 .

Número de elétrons na camada externa ou valência

4)

Capacidade do link

4)

Cateration

Tem a capacidade de formar compostos químicos em cadeias longas.

Ciclo biogeoquímico

O ciclo do carbono é um processo biogeoquímico circular através do qual o carbono pode ser trocado entre a biosfera da Terra, a atmosfera, a hidrosfera e a litosfera.

O conhecimento desse processo cíclico de carbono na Terra nos permite mostrar a ação humana nesse ciclo e suas conseqüências nas mudanças climáticas globais.

O carbono pode circular entre os oceanos e outros corpos de água, bem como entre a litosfera, no solo e no subsolo, na atmosfera e na biosfera. Na atmosfera e hidrosfera, existe como carbono gasoso de CO 2 (dióxido de carbono).

Fotossíntese

O carbono na atmosfera é capturado por organismos terrestres e aquáticos que produzem ecossistemas (organismos fotossintéticos).

A fotossíntese permite que ocorra uma reação química entre o CO 2 e a água, mediada pela energia solar e pela clorofila das plantas, para produzir carboidratos ou açúcares. Este processo transforma moléculas simples de baixo teor de energia de CO 2 , H 2 O e oxigénio ó 2 , em formas moleculares complexas de alta energia que são açúcares.

Organismos heterotróficos – que não conseguem realizar a fotossíntese e são consumidores nos ecossistemas – obtêm carbono e energia alimentando-se de produtores e outros consumidores.

Respiração e decomposição

Respiração e decomposição são processos biológicos que liberam carbono no meio ambiente na forma de CO 2 ou CH 4 (metano produzido na decomposição anaeróbica; ou seja, na ausência de oxigênio).

Processos geológicos

Através de processos geológicos e como conseqüência do curso do tempo, o carbono anaeróbico da decomposição pode ser transformado em combustíveis fósseis, como petróleo, gás natural e carvão. Da mesma forma, o carbono também faz parte de outros minerais e rochas.

Interferência da atividade humana

Quando o homem usa combustíveis fósseis para energia, devoluções de carbono para a atmosfera como enormes quantidades de CO 2 que não podem ser assimilados pelo ciclo biogeoquímico natural do carbono.

Este excesso de CO 2 produzido pela actividade humana negativamente impactos equilíbrio ciclo de carbono e é a principal causa do aquecimento global.

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Figura 2. Ciclo de carbono biogeoquímico. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Usuário Kevin Saff em en.wikipedia Trabalho derivado: FischXTranslation: Tomás Clarke [Domínio público], via Wikimedia Commons

Usos

Os usos do carbono e seus compostos são extremamente variados. O mais proeminente com o seguinte:

Petróleo e gás natural

O principal uso econômico do carbono é representado em seu uso como hidrocarboneto de combustível fóssil, como gás metano e petróleo.

O óleo é destilado nas refinarias para obter vários derivados, como gasolina, diesel, querosene, asfalto, lubrificantes, solventes e outros, que por sua vez são utilizados na indústria petroquímica, produzindo matérias-primas para as indústrias de plásticos, fertilizantes, drogas e tintas , entre outras.

Grafite

O grafite é usado nas seguintes ações:

– É utilizado na fabricação de lápis, misturados com argilas.

– Faz parte da preparação de tijolos e cadinhos refratários, resistentes ao calor.

– Em vários dispositivos mecânicos, como arruelas, rolamentos, pistões e vedações.

– É um excelente lubrificante sólido.

– Devido à sua condutividade elétrica e inércia química, é utilizado na fabricação de eletrodos, carbonos de motores elétricos.

– É usado como moderador em usinas nucleares.

Diamond

O diamante possui propriedades físicas particularmente excepcionais, como o mais alto grau de dureza e condutividade térmica conhecidos até agora.

Essas características permitem aplicações industriais em ferramentas usadas para fazer instrumentos de corte e polimento devido à sua alta abrasividade.

Suas propriedades ópticas – como transparência e a capacidade de quebrar a luz branca e refratar a luz – oferecem muitas aplicações em instrumentos ópticos, como na fabricação de lentes e prismas.

O brilho característico derivado de suas propriedades ópticas também é muito apreciado na indústria de joias.

Antracite

O antracito tem dificuldade em acender, é combustão lenta e necessidade de oxigênio. Sua combustão produz pouca chama azul pálida e alta emissão de calor.

Alguns anos atrás, o antracito era usado em usinas termelétricas e para aquecimento doméstico. Seu uso tem vantagens como a produção de baixa cinza ou poeira, baixa fumaça e um processo de combustão lento.

Devido ao alto custo econômico e à escassez, o antracito foi substituído pelo gás natural nas usinas termelétricas e pela energia elétrica nas residências.

Carvão

O carvão é usado como matéria-prima para obter:

– Coque, combustível de altos fornos em aciaria.

– Creosote, obtido por mistura dos destilados de alcatrão do carvão e utilizado como selador protetor de madeira exposta.

– Cresol (quimicamente metilfenol) extraído do carvão e utilizado como desinfetante e anti-séptico,

– Outros derivados, como gás, alcatrão ou breu, e compostos utilizados na fabricação de perfumes, inseticidas, plásticos, tintas, pneus e pavimentos de estradas, entre outros.

Linhite

O linhito representa um combustível de qualidade média. O jato, uma variedade de linhita, caracteriza-se por ser muito comp
cto devido ao longo processo de carbonização e altas pressões, e é usado em jóias e ornamentos.

Turfa

A turfa é usada nas seguintes atividades;

– Para o crescimento, apoio e transporte de espécies vegetais.

– Como fertilizante orgânico.

– Como uma cama de animais em estábulos.

– Como combustível de baixa qualidade.

Referências

  1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. e Price, G. (2017). Química3: Introdução à Química Inorgânica, Orgânica e Física. Oxford University Press.
  2. Deming, A. (2010). Rei dos elementos? Nanotecnologia 21 (30): 300201. doi: 10.1088
  3. Dienwiebel, M., Verhoeven, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. e Zandbergen, H. (2004). Superlubricidade de grafite. Cartas de Revisão Física. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
  4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. e Sumiya, H. (2003). Materiais: Diamante policristalino ultra-duro de grafite. Natureza 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
  5. Savvatimskiy, A. (2005). Medições do ponto de fusão da grafite e das propriedades do carbono líquido (uma revisão para 1963–2003). Carbono 43 (6): 1115. doi: 10.1016

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