CARBONUL

Carbonul

Carbonul este un element chimic, aşezat în faimosul tablou periodic al lui Mendeleev, care are simbolul C şi numărul atomic 6.

Carbonul

El se găseşte rareori sub formă foarte pură. Îl găsim cel mai frecvent fie sub formă impurificată cu alte substanţe, fie sub forma unor combinaţii chimice.

Carbonul, în combinaţie chimică este forma cea mai răspândită în lumea subtanţelor organice şi mai ales în lumea vie

Izotopi

Carbonul are doi izotopi naturali stabili: carbon-12 şi carbon-13, şi un radioizotop natural, dar instabil, carbon-14.

(Există 15 izotopi cunoscuţi ai carbonului.)

Datarea Carbon-14

• Una din cele mai cunoscute metode este cea a “carbonului”. Carbon-14 este produs în straturile superioare din troposferă şi stratosferă prin absorbţia neutronului termic de către atomii de nitrogen. Când razele cosmice pătrund în atmosferă, acestea trec prin diferite transformări, inclusiv producţia de neutroni. Neutronii ce rezultă (1n) participă la următoarea reacţie:1n + 14N → 14C + 1H

Datarea Carbon-14

• Cea mai mare rată de producţie de carbon-14 are loc la altitudini de la 9 la 15 km şi la latitudini cu geomagnetism crescut, însă carbonul-14 se amestecă uşor şi devine egal distribuit prin atmosferă şi reacţionează cu oxigenul formând radioactiv dioxidul de carbon. CO2 se dizolvă în apă şi astfel pătrunde în oceane.

Dioxidul de Carbon

Dioxidul de carbon, format dintr-un atom de carbon şi doi atomi de oxigen este o anhidridă labilă a acidului carbonic (CO2.H2O ~ H2CO3), un compus chimic rezultat din oxidarea carbonului, în majoritate, de origine organică.

Carbon sau Cărbune ?

Carbonul, ca element chimic, s-a format odată cu Universul, în timp ce Cărbunii au început să se formeze abia în urmă cu câteva sute de milioane de ani, mult după apariţia vieţii pe Pământ.

Fulerene

Fulerenele reprezinta solide opace de culoare neagra cu duritate mica. Sunt proaste conducatoare de caldura si elctricitae si solibile in benzina. Densitatea variaza intre 1,75 si 2,19 g/cm3.

In 1996 a fost oferit Premiul Nobel in domeniul chimiei pentru descoperirea fulerenelor.

Apariţie – În corpul uman

Din moment ce toate sursele esenţiale ale hranei umane sunt derivate din plante, carbonul cuprins în corpurile umane conţin carbon-14 în aceeaşi concentraţie ca cea din atmosferă. Beta-transformarea din acest carbon radioactiv intern contribuie aprox. cu 0,01 mSv/an echivalenţa dozei de radiaţii ionizate a fiecărei persoane.

Apariţie – În combustibilii fosili

Majoritatea substanţelor chimice produse de om sunt produşi derivaţi din combustibili fosil, cum este petrolul sau cărbunele, în care carbonul-14 este de mult descompus. Totuşi, astfel de depozite adesea conţin urme de carbon-14 (variind semnificativ de la 1% găsit în organisme vii până la cantităţi comparabile cu aparenta vârstă de 40.000 ani în cazul produselor petrolifere cu nivel crescut de carbon-14).

Efectele combustibililor fosili asupra mediului

• Arderea combustibililor fosili generează acid sulfuric şi azotic, care cade pe Pământ ca ploaie acidă, având un impact atât asupra mediului natural cât şi asupra mediului artificial.

• Combustibilii fosili conţin şi materiale radioactive, mai ales uraniu şi toriu, care este emanat în atmosferă. În anul 2000 au fost emise în atmosferă circa 12.000 de tone de toriu şi 5000 de tone de uraniu prin arderea cărbunelui.

Fotosinteza

•Aproape fiecare plantă îşi “sintetizează” în “laboratorul” din frunze subtanţele chimice cu care se dezvoltă.

•Chimiştii au constatat că acestea sunt constituite dintr-un număr oarecare de atomi de apă, ca şi când apa s-ar fi alipit carbonului, de fapt în urma unor reacţii chimice

Fotosinteza

• Ştiind că plantele consumă CO2 din aer, şi apa din sol şi că ele elimina oxigen, s-a

descoperit şi reacţia care are loc în prezenţa luminii Soarelui:

6 CO2 + 6 H2O + lumină solară → C6H12O6 + 6 O2

Dioxid de carbon + Apă + Energie luminoasă → Glucoză + Oxigen

Fiind vorba de o combinare de molecule în prezenţa luminii, reacţiile de acest tip

s-au numit “fotosinteză”

Utilizare – ustensile de scris

Creionul clasic, minele de grafit, cărbunele de desen, toate acestea se obţin din prelucrarea carbonului prin diverse procese mecanice.

Utilizare – fibra de carbon

Fibra de carbon este considerată fibra cu un conṭinut de cel puṭin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un conṭinut mai mare de 99% carbon se foloseste termenul de fibră grafitică.

• Astăzi, fibra de carbon este fibra cu cea mai mare raspândire in industria aerospaţiala. Ca si raport rezistenta/greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială in acest moment.

Utilizare – utilizare în industrie

Fonta este un aliaj de fier şi carbon material casant, cu un conţinut ridicat de carbon (2- 2.5%).

Fonta prezinta urmatoarele caracterisrici generale: se toarna bine, se lucreaza prin aschiere, dar nu se poate prelucra plastic (nu se poate lamina sau forja) si nu se poate suda. Fontele turnate in piese mai sunt numite si fonte de a doua topire si se obtin din fonte brute, prin retopirea in cuptoare speciale (cubilouri) in scopul inlaturarii impuritatilor si a obtinerii anumitor compozitii. Ele pot fi: fonte cenusii,fonte nodulare si fonte maleabile.

Monoxidul de carbon

Monoxidul de carbon reprezintă o combinaţie între un atom de carbon şi un atom de oxigen (formula chimică: CO). Este un gaz asfixiant, toxic, incolor şi inodor, care ia naştere printr-o ardere (oxidare) incompletă a substanţelor care conţin carbon.

Acest proces are loc în cazul arderii la temperaturi înalte într-un loc sărac în oxigen, formându-se monoxidul în locul bioxidului de carbon. Monoxidul este un gaz inflamabil care arde cu o flacără albastră.

Toxicitatea monoxidului de carbon

Este un gaz foarte toxic omului, deoarece face legătura permanentă cu hemoglobina din sânge, astfel persoana murind prin asfixiere.

Timpul în care omul moare este determinat de concentraţia de monoxid de carbon din oxigen:

0.1% — omul moare într-o oră 1% — omul moare în 15 minute 10% — omul moare imediat

Sinteza monoxidului de carbon

În laborator, monoxidul de carbon se poate obţine prin mai multe căi:

Dehidratarea acidului formic cu acid sulfuric concentrat: HCOOH → H2O + CO

Trecerea unui curent de dioxid de carbon peste cărbune încins: CO2 + C → 2CO

Încălzirea unei pulberi de zinc metalic în prezenţa carbonatului de calciu: Zn + CaCO3 → ZnO + CaO + CO

Industrial, monoxidul de carbon este produs prin oxidarea gazului natural (gazului metan): 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2

Diamantul

Diamantul este un mineral nativ şi în acelaşi timp o piatră preţioasă. Din punct de vedere chimic este una din formele de existenţă ale carbonului pur, celelalte fiind carbonul amorf (grafitul) şi fulerenele. Diamantul cristalizează în sistemul cubic şi poate atinge duritatea maximă (10) pe scara Mohs, duritatea variind însă în funţie de gradul de puritate a cristalului. Din cauza durităţii ridicate, cristalele de diamant pot fi şlefuite numai cu pulbere de diamant şi din fulerită.

Formarea diamantului

Diamantele iau naştere la adâncimi mari (150 km), unde sunt temperaturi (1200-1400 °C) şi presiuni ridicate. Rocile mamă (de însoţire) a diamantului sunt Peridotit şi Eklogit sau in vulcani, sunt roci bogate în gaze Kimberlite şi Lamproite; acestea transportă la erupţia vulcanului şi diamant (topit) sau fragmente din mantaua scoarţei pământului. Formându-se în aceste condiţii, grafitulul sau diamantul, aceasta este determinată de timpul de răcire.

Diamante sintetice

Diamantele sintetice pot fi produse în laborator supunând carbonul unor presiuni şi temperaturi foate înalte. Poate fi folosit aproape orice material bogat în carbon, inclusiv zahărul şi alunele. Primele diamante sintetice de înalta calitate au fost produse în 1970.

Caracterul diamantului

Pe lângă cristalele de diamant din sistemul cubic, uneori se pot întâlni diamante cu cristale hexagonale denumite Lonsdaleit, unii consideră, aceste diamante s-au format în medii nefavorabile. Duritatea extremă a diamantului este explicată prin legătura stabilă simetrică dintre atomii de carbon. Diamantul arde într-un mediu cu oxigen pur la o temperatură de 720 °C, iar în aer la peste 800 °C cu formare de dioxid de carbon.

Diamantul este solubil în unele metale ca fier, nichel, cobalt, crom,titan, platină, paladium şi alte metale asemănătoare. Pe motivul reactivităţii reduse (datorată structurii stabile) a suprafeţei cristalului, prin iradiere cu neutroni creşte gradul lui de duritate.

Clasificarea diamantului după culoare

În funcţie de culoare diamantele sunt împărţite în două grupe principale: colorless (incolore) si fancy. Cele mai des folosite în bijuterii sunt diamantele incolore. Acestea au diferite nuanţe începând cu "D" care este cel mai puţin colorat dintre toate până la "Z" care este "cel mai" galben sau maroniu. Orice diamant care are o nuanţă mai închisă decât "Z" este considerat ca fiind de tipul "fancy".

Diamantele incolore sunt mai rare în natură si din acest motiv sunt mai valoroase. Clasificarea culorii conform standardelor GIA (Gemmological Institute of America) începe cu litera D, urmând valorile descrescătoare din alfabet. După litera J, diamantul capătă o nuanţă gălbuie. Diferenţele între fiecare literă este foarte mică, iar compararea culorilor diamantelor se face sub lumină specială.

Utilizarea industrială a diamantelor

Aplicaţiile în industria de folosire a diamantului sunt ca: abraziv, instrumente de tăiat sau găurit foarte ascuţite şi dure. În medicină (chirurgie), o aplicaţie tot mai largă o are folosirea lamelor de bisturiu acoperite cu un strat de carbon asemănător diamantului.

De asemenea, industria electronică prezintă interese pentru asemenea straturi aplicate pe electrozi, la fel de important este în tehnologia semiconductorilor sau în chimie.

Diamante celebre

Cel mai mare diamant descoperit vreodată, cu greutatea de 3 106 carate (621,2 g), numit "Cullinan", i-a fost oferit regelui Angliei, Edward al VII-lea, de catre guvernatorul Transvaal-ului. A fost tăiat în mai multe pietre încorporate în coroana regală britanică.

Koh-i-Noor (Muntele Luminii) a făcut parte iniţial din comoara capturată de la moguli de şahul Iranului, în 1739. Recucerit către Sikhs, a fost luată de Anglia când a cucerit Punjabul.

Grafitul

Grafitul sau plombagina (denumire de specialitate) este un mineral răspândit în natură ce face parte din categoria nemetalelor, fiind după diamant un element stabil datorită structurii simetrice de C60 cu o compoziţie chimică de Carbon pur cristalizând hexagonal, rar romboedric sau fiind sub formă amorfă.

Grafitul are în structură cristale opace de culoare neagră, hexagonale, formă tabulară, solzoasă, sau bare.Luciul fiind metalic la formele cristaline şi mat la agregatele amorfe. Duritatea pe scara Mohs este între 1 - 2, densitatea 2,1 - 2,3 având o urmă neagră cenuşie.

Caracteristici

Grafitul sublimează la o temperatură de 3825 °C, fiind insolubil în acizi, devine magnetic bipolar numai după o tratare pirolitică (încălzire), are un caracter anizotropic accentuat (de ex. radiaţia solară este izotropă (uniformă în cele 3 dimensiuni), laserul este anizotrop) şi este un bun conductor electric. - coeficientul de dilatare liniara pe °C - 7.86 - punct de fierbere °C - 4200 - căldura latentă de topire Kcal/Kg - ≈4000 - căldura specifică Kcal/Kg x °C - 1,170 - conductivitatea termică la 20 °C Kcalx0,001/°C x cm x s - 0,012 - căldura de combustie Kcal/Kg ≈7800

Structura grafitului

În grafitul cristalin există o structură de straturi paralele (straturi bazale); aceste straturi au legături covalente hexagonale între atomi (o legătură stabilă), în schimb două straturi alăturate sunt legate între ele prin legături ionice (legături labile).

Răspândire

Grafitul apare în natură sub formă de granule, în rocile metamorfice bogate în carbon, şi ca vinişoare sau sub formă de filon în pegmatite.Mineralul este exploatat în Romania, China, Coreea, Madagascar, Zimbabwe, Brazilia, Cehia, Ucraina şi India în mine şi cariere de exploatare la zi a grafitului, în total 600.000 tone pe an.

Obţinerea sintetică

Prin coxificarea (încălzirea sub un curent de aer la 3000 °C) a materialelor bogate în carbon, cum sunt cărbunele brun, antracitul, petrolul sau unele materiale sintetice, se produce o transformare a materialului amorf bogat în carbon în grafit policristalin.

Bibliografie

Bibliografie:– Http://www.en.wikipedia.org/– Http://www.images.google.com/– Http://www.web.mit.edu/– Manualul de chimie, Cls. a X-a