פחמן באופיו: מיקום, תכונות ושימושים - GEOGRAFÍA - 2025

ניתן למצוא את הפחמן בטבע ביהלומים, שמן וגרפיטים, בין תרחישים רבים אחרים. אלמנט כימי זה תופס את המקום השישי בטבלה המחזורית ונמצא בשורה האופקית או בתקופה 2 ובעמודה 14. הוא לא מתכתי וטראווליוונטי; כלומר הוא יכול ליצור 4 קשרים כימיים אלקטרוניים משותפים או קשרים קוולנטיים.

פחמן הוא היסוד השופע ביותר בקרום כדור הארץ. השפע הזה, המגוון הייחודי שלו ביצירת תרכובות אורגניות ויכולתו יוצאת הדופן ליצור מקרומולקולות או פולימרים בטמפרטורות הנפוצות על פני כדור הארץ, הופך אותו לשמש כמרכיב משותף בכל צורות החיים הידועות.

איור 1. איור 1. פחמן בצורתו המינרלית. מקור: Rdamian1234, מ- Wikimedia Commons

פחמן קיים בטבע כאלמנט כימי מבלי לשלב צורות של גרפיט ויהלום. עם זאת, לרוב זה משולב ליצירת תרכובות כימיות פחמניות, כמו סידן פחמתי (CaCO ₃ ) ותרכובות אחרות בשמן וגז טבעי.

כמו כן הוא יוצר מינרלים שונים כמו אנתרציט, פחם, ליגניט וכבול. החשיבות הגדולה ביותר של פחמן היא שהיא מהווה את מה שמכונה "אבן הבניין של החיים" ונמצאת בכל האורגניזמים החיים.

היכן נמצא פחמן ובאיזו צורה?

בנוסף להיותו המרכיב הכימי הנפוץ בכל צורות החיים, הפחמן באופיו קיים בשלוש צורות גבישיות: יהלום, גרפיט, פולרן.

ישנן גם כמה צורות מינרליות אמורפיות של פחם (אנתרציט, ליגניט, פחם, כבול), צורות נוזליות (זני שמן) וגזים (גז טבעי).

צורות קריסטליות

בצורות גבישיות, אטומי פחמן מצטרפים ליצירת תבניות מסודרות עם סידור מרחבי גיאומטרי.

גרָפִיט

זהו מוצק שחור ורך עם ברק או ברק מתכתי ועמיד בחום (עקשן). המבנה הגבישי שלו מציג אטומי פחמן המחוברים לטבעות משושים המצטרפות בתורן לסדינים היוצרים.

מרבצי גרפיט הם נדירים ונמצאו בסין, הודו, ברזיל, צפון קוריאה וקנדה.

יהלום

זהו מוצק קשה מאוד, שקוף למעבר האור וצפוף בהרבה מגרפיט: ערך הצפיפות של היהלום הוא כמעט כפול מזה של הגרפיט.

אטומי הפחמן ביהלום מחוברים זה לזה בגיאומטריה טטרהדראלית. כמו כן, היהלום נוצר מגרפיט הנתון לתנאים של טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד (3,000 ^מעלות צלזיוס ו- 100,000 אטמוספירה).

מרבית היהלומים ממוקמים בעומק 140-190 ק"מ. דרך התפרצויות געשיות עמוקות, מאגמה יכולה להעביר אותם למרחקים קרובים לפני השטח.

יש מרבצי יהלומים באפריקה (נמיביה, גאנה, הרפובליקה הדמוקרטית של קונגו, סיירה לאון ודרום אפריקה), אמריקה (ברזיל, קולומביה, ונצואלה, גיאנה, פרו), אוקיאניה (אוסטרליה) ואסיה (הודו).

איור 3. פחם ויהלום. מקור: XAVI999, מ- Wikimedia Commons.

פולרנים

מדובר בצורות פחמניות מולקולריות היוצרות אשכולות של 60 ו -70 אטומי פחמן במולקולות כדוריות כמעט, בדומה לכדורי כדורגל.

ישנם גם פולרנים קטנים יותר של 20 אטומי פחמן. צורות מסוימות של פולרנים כוללות צינורות פחמן וסיבי פחמן.

איור 4. פולרן. IMeowbot, באמצעות Wikimedia Commons

צורות אמורפיות

בצורות אמורפיות אטומי הפחמן אינם מתאחדים, ומהווים מבנה גבישי מסודר וסדיר. במקום זאת, הם אפילו מכילים זיהומים מגורמים אחרים.

פֶּחָם אֶבֶן

זוהי הפחם המינרלי הוותיק ביותר (שמקורו בשינוי סלעים כתוצאה מהשפעות הטמפרטורה, הלחץ או הפעולה הכימית של נוזלים), מאז היווצרותו מתקופת התקופה הראשונית או הפלאוזואית, התקופה הפחמימונית.

אנתרציט היא הצורה האמורפית של פחמן עם התוכן הגבוה ביותר של יסוד זה: בין 86 ל- 95%. צבעו אפור-שחור עם ברק מתכתי, והוא כבד וקומפקטי.

אנתרציט נמצא בדרך כלל באזורי עיוות גיאולוגיים ומהווה כ -1% משמורות הפחם העולמיות.

מבחינה גיאוגרפית זה נמצא בקנדה, ארה"ב, דרום אפריקה, צרפת, בריטניה, גרמניה, רוסיה, סין, אוסטרליה וקולומביה.

איור 5. אנתרציט, הפחם העתיק ביותר עם תכולת הפחמן הגבוהה ביותר. Educerva, מ- Wikimedia Commons

פֶּחָם

זהו פחם מינרלי, סלע משקע שמקורו אורגני, אשר היווצרותו מתקופת התקופות הפליוזואית והמזוזואית. יש לו תכולת פחמן בין 75 ל 85%.

צבעו שחור, מאופיין בכך שהוא אטום ובעל מראה מט ושומני, מכיוון שיש לו תכולה גבוהה של חומרים ביטומניים. זה נוצר על ידי דחיסת ליגניט בעידן הפליאוזי, בתקופות הפחמימיות והפרמיאניות.

זוהי צורת הפחמן השופעת ביותר בכוכב הלכת. יש מרבצי פחם גדולים בארצות הברית, בריטניה, גרמניה, רוסיה וסין.

ליגניט

זוהי פחם מאובן מינרלי שנוצר בעידן השלישי מכבול על ידי דחיסה (לחץ גבוה). יש לו תכולת פחמן נמוכה יותר מפחם, בין 70 ל- 80%.

זהו חומר מעט קומפקטי, מתפורר (מאפיין המבדיל אותו ממינרלים אחרים של פחמן), בצבע חום או שחור. המרקם שלו דומה לזה של העץ ותכולת הפחמן שלו נע בין 60 ל- 75%.

זהו דלק קל להצתה, עם ערך קלורי נמוך ותכולת מים נמוכה מכבול.

ישנם מכרות ליגניטייט חשובים בגרמניה, רוסיה, צ'כיה, איטליה (ונטו, טוסקנה, אזורי אומבריה) וסרדיניה. בספרד, מרבצי הליניט הם באסטוריאס, אנדורה, סרגוסה ולה לה קורוניה.

כָּבוּל

זהו חומר שמקורו אורגני אשר היווצרותו באה מהתקופה הרבעונית, האחרונה בהרבה מגחלים קודמות.

צבעו צהוב-חום הוא מופיע בצורת מסה ספוגית בצפיפות נמוכה, בה ניתן לראות שרידי צמחים מהמקום שמקורו.

בשונה מהגחלים שהוזכרו לעיל, הכבול אינו מגיע מתהליכי פחמימות של חומר מעץ או עץ, אלא נוצר על ידי הצטברות של צמחים - בעיקר עשבים וטחבים - באזורים ביציים דרך תהליך פחמימות שלא הושלם. .

כבול בעל תכולת מים גבוהה; מסיבה זו הוא דורש ייבוש ודחיסה לפני השימוש.

יש לו תכולת פחמן נמוכה (55% בלבד); לכן יש לו ערך אנרגיה נמוך. כאשר הוא נתקל בעירה, שאריות האפר שלו בשפע והיא פולטת הרבה עשן.

ישנם מרבצי כבול חשובים בצ'ילה, ארגנטינה (טיררה דל פוגו), ספרד (אספינוסה דה סררטו, פלנסיה), גרמניה, דנמרק, הולנד, רוסיה, צרפת.

איור 6. מאגר כבול. כריסטיאן פישר, מ- Wikimedia Commons

נפט, גז טבעי וביטומן

נפט (מהפטרה הלטינית שמשמעותו "אבן"; ואולאום שמשמעותו "שמן": "שמן סלע") הוא תערובת של תרכובות אורגניות רבות - רובן פחמימנים - המיוצרות על ידי פירוק חיידקים אנאירובי (בהיעדר חומר אורגני.

הוא נוצר בתת-הקרקע, בעומקים גדולים ובתנאים מיוחדים הן פיזיים (לחץ וטמפרטורות גבוהות) והן כימיות (נוכחות של תרכובות זרז ספציפיות) בתהליך שארך מיליוני שנים.

במהלך תהליך זה, C ו- H שוחררו מהרקמות האורגניות והצטרפו, בשילוב מחדש, ליצירת מספר עצום של פחמימנים המתערבבים לפי תכונותיהם ויוצרים גז טבעי, שמן וביטומן.

שדות הנפט של הכוכב ממוקמים בעיקר בוונצואלה, ערב הסעודית, עירק, איראן, כווית, איחוד האמירויות, רוסיה, לוב, ניגריה וקנדה.

ישנן מאגרי גז טבעי ברוסיה, איראן, ונצואלה, קטאר, ארצות הברית, ערב הסעודית ואיחוד האמירויות, בין היתר.

תכונות פיזיקליות וכימיות

בין המאפיינים של פחמן אנו יכולים להזכיר את הדברים הבאים:

סמל כימי

ג.

מספר אטומי

6.

מצב פיזי

מוצק, בתנאי לחץ וטמפרטורה רגילים (אטמוספרה אחת ו 25 ^מעלות צלזיוס).

צֶבַע

אפור (גרפיט) ​​ושקוף (יהלום).

מסה אטומית

12.011 גרם / מול.

נקודת המסה

500 ^° C.

נקודת רתיחה

827 ^° C.

צְפִיפוּת

2.62 גרם / ס"מ ³ .

מְסִיסוּת

מסיסים במים, מסיסים ב CCL ₄ טטרכלוריד פחמן .

תצורה אלקטרונית

1s ² 2s ² 2p ² .

מספר האלקטרונים במעטפת החיצונית או הערכית

ארבע.

קיבולת קישור

ארבע.

השראה

יש לו את היכולת ליצור תרכובות כימיות בשרשראות ארוכות.

מחזור ביוגיוכימי

מחזור הפחמן הוא תהליך מעגלי ביוגיוכימי, שבאמצעותו ניתן להחליף פחמן בין הביוספרה, האטמוספרה, ההידרוספרה וכדור הארץ של כדור הארץ.

הידע על תהליך מחזורי זה של פחמן על כדור הארץ מאפשר להפגין פעולה אנושית על מחזור זה ועל השלכותיו על שינויי אקלים עולמיים.

פחמן יכול להסתובב בין האוקיינוסים לגופי מים אחרים, כמו גם בין הליטוספירה, באדמה ותת-קרקע, באטמוספרה ובביוספרה. באטמוספרה ובהידרוספרה, הפחמן קיים בצורה גזי כ CO ₂ (דו תחמוצת הפחמן).

פוטוסינתזה

פחמן מהאטמוספרה נתפס על ידי אורגניזמים המייצרים יבשתית ומימית במערכות אקולוגיות (אורגניזמים פוטוסינתטיים).

הפוטוסינתזה מאפשרת תגובה כימית בין CO ₂ למים להיווצר , המתווכת על ידי אנרגיה סולארית וכלורופיל מצמחים, לייצר פחמימות או סוכרים. תהליך זה הופך מולקולות פשוטות עם תכולת אנרגיה נמוכה של CO ₂ , H ₂ O וחמצן O ₂ , לצורות מולקולריות מורכבות באנרגיה גבוהה, שהן סוכרים.

אורגניזמים הטרוטרופיים - שאינם יכולים פוטוסינתזה והם צרכנים במערכות אקולוגיות - משיגים פחמן ואנרגיה על ידי הזנת מפיקים וצרכנים אחרים.

נשימה ופירוק

נשימה ופירוק הם תהליכים ביולוגיים שמשחררים פחמן לסביבה בצורה של CO ₂ או CH ₄ (מתאן המיוצר בפירוק אנאירובי; כלומר, בהיעדר חמצן).

תהליכים גיאולוגיים

באמצעות תהליכים גיאולוגיים וכתוצאה מחלוף הזמן, ניתן להפוך את הפחמן מפירוק אנאירובי לדלקים מאובנים כמו נפט, גז טבעי ופחם. באופן דומה, פחמן הוא גם חלק ממינרלים וסלעים אחרים.

הפרעות בפעילות אנושית

כאשר האדם משתמש בשריפת דלקים מאובניים לצורך אנרגיה, פחמן חוזר לאטמוספרה בצורת כמויות עצומות של CO ₂ שלא ניתן להטמיע במחזור הפחמן הביוגיוכימי הטבעי.

עודף CO ₂ הנוצר על ידי פעילות אנושית משפיע לרעה על איזון מחזור הפחמן והוא הגורם העיקרי להתחממות כדור הארץ.

איור 2. איור 2. מחזור ביולוגי-כימי של פחמן. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: משתמש קווין סאף ב- en.wikipedia עבודה נגזרת: תרגום FischX: Tomás Clarke, באמצעות Wikimedia Commons

יישומים

השימושים בפחמן ובתרכובותיו מגוונים ביותר. הבולט עם הדברים הבאים:

נפט וגז טבעי

השימוש הכלכלי העיקרי בפחמן מיוצג על ידי השימוש בו כפחמימן דלק מאובנים, כמו גז מתאן ונפט.

שמן מזוקק בבתי זיקוק בכדי להשיג נגזרות מרובות כמו בנזין, דיזל, נפט, אספלט, חומרי סיכה, ממסים ואחרים, אשר בתורם משמשים בתעשייה הפטרוכימית המייצרת חומרי גלם לתעשיית הפלסטיקה, הדשנים, התרופות והצבעים. , בין השאר.

גרָפִיט

גרפיט משמש בפעולות הבאות:

- הוא משמש לייצור עפרונות, מעורבב עם טיט.

- זה חלק מההרחבה של לבנים וכורכי כיבוי עקשן, עמידים בפני חום.

- במכשירים מכניים שונים כגון מכונות כביסה, מיסבים, בוכנות וחותמות.

- זהו חומר סיכה מוצק מעולה.

- בגלל המוליכות החשמלית ואי האינטרטיות הכימית שלה, הוא משמש לייצור אלקטרודות, פחמן למנועים חשמליים.

- הוא משמש כמנחה בתחנות כוח גרעיניות.

יהלום

ליהלום יש תכונות פיזיות יוצאות דופן במיוחד, כמו דרגת הקשיחות הגבוהה והמוליכות התרמית הידועה עד כה.

מאפיינים אלה מאפשרים יישומים תעשייתיים בכלים המשמשים לייצור חתכים ומכשירים לליטוש בגלל השחיקה הגבוהה שלהם.

התכונות האופטיות שלו - כמו שקיפות והיכולת לפרק אור לבן ולשבור אור - מעניקות לו יישומים רבים במכשירים אופטיים, כגון ייצור עדשות ומנסרות.

הברק האופייני הנגזר מתכונותיו האופטיות מוערך מאוד גם בתעשיית התכשיטים.

פֶּחָם אֶבֶן

קשה להצית אנתרציט, הוא בוער באטיות ודורש הרבה חמצן. הבעירה שלה מייצרת להבה מעט כחולה בהירה ופולטת חום רב.

לפני כמה שנים שימש אנתרציט במפעלים תרמו-חשמליים ולחימום ביתי. לשימוש בו יתרונות כמו ייצור אפר או אבק מועט, מעט עשן ותהליך בעירה איטי.

בשל עלותו הכלכלית הגבוהה ומיעוטו, אנתרציט הוחלף בגז טבעי במפעלים תרמו-חשמליים ובחשמל בבתים.

פֶּחָם

פחם משמש כחומר גלם להשגת:

- קולה, דלק מתנורי פיצוץ בטחנות פלדה.

- קריאוזוט, המתקבל על ידי ערבוב תזקיקי הזפת מפחם ומשמש כאיטום מגן לעץ שנחשף ליסודות.

- קרסול (כימית מתילפנול) המופק מפחם ומשמש כחומר חיטוי וחיטוי,

- נגזרות אחרות כגון גז, זפת או זרע, ותרכובות המשמשות לייצור בשמים, קוטלי חרקים, פלסטיק, צבעים, צמיגים ומדרכות כביש, בין היתר.

ליגניט

ליגניט מייצג דלק באיכות בינונית. סילון, מגוון ליגניט, מאופיין בכך שהוא קומפקטי מאוד בגלל תהליך הפחמימות הארוך והלחצים הגבוהים, ומשמש בתכשיטים וקישוטים.

כָּבוּל

כבול משמש בפעילויות הבאות;

- לגידול, תמיכה והובלה של מיני צמחים.

- כקומפוסט אורגני.

- כמיטת בעלי חיים באורוות.

- כדלק באיכות נמוכה.

הפניות

1. Burrows, A., Holman, J., Parsons, A., Pilling, G. and Price, G. (2017). כימיה 3: הצגת כימיה אורגנית, אורגנית ופיזית. הוצאת אוניברסיטת אוקספורד.
2. Deming, A. (2010). מלך האלמנטים? ננו-טכנולוגיה. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. דיינוויבל, מ., ורהובן, ג., פראדעפ, נ., פרנקן, ג'., היימברג, ג'. וזנדברגן, ה. (2004). Superlubricity של גרפיט. מכתבי ביקורת גופנית. 92 (12): 126101. doi: 10.1103
4. Irifune, T., Kurio, A., Sakamoto, S., Inoue, T. and Sumiya, H. (2003). חומרים: יהלום רב-גביש אולטרה-גביש מגרפיט. טֶבַע. 421 (6923): 599–600. doi: 10.1038
5. Savvatimskiy, A. (2005). מדידות נקודת ההיתוך של גרפיט ותכונותיו של פחמן נוזלי (סקירה לשנים 1963–2003). פֶּחָם. 43 (6): 1115. doi: 10.1016