自然界中的碳：位置，性质和用途 - GEOGRAFÍA - 2025

自然界中的碳可以在钻石，石油和石墨中找到，还有许多其他场景。该化学元素在周期表中占据第六位，位于水平行或周期2和列14中。也就是说，它可以建立4个共享的电子化学键或共价键。

碳是地壳中最丰富的元素。这种丰度，其在有机化合物形成中的独特多样性以及在地球上通常发现的温度下具有形成大分子或聚合物的出色能力，使其成为所有已知生命形式的共同要素。

图1.矿物形式的碳。来源：Rdamian1234，来自Wikimedia Commons

碳作为化学元素存在于自然界中，而没有以石墨和金刚石的形式结合在一起。但是，在大多数情况下，它会结合形成碳化合物，例如碳酸钙（CaCO ₃）和石油和天然气中的其他化合物。

它还会形成各种矿物质，例如无烟煤，煤炭，褐煤和泥煤。碳的最大重要性在于，它构成了所谓的“生命的基础”，并存在于所有活生物体中。

在哪里发现碳，以什么形式存在？

除了是所有生命形式中的常见化学元素外，自然界中的碳还以三种结晶形式存在：金刚石，石墨和富勒烯。

煤（无烟煤，褐煤，煤，泥煤），液态形式（石油品种）和气态（天然气）也有几种非晶态矿物形式。

结晶形式

碳原子以晶体形式结合，形成具有几何空间排列的有序图案。

石墨

它是一种柔软的黑色固体，具有金属光泽或耐热性（耐火材料）。它的晶体结构显示碳原子连接成六边形环，而六边形环又连接形成薄片。

石墨沉积物很少见，在中国，印度，巴西，朝鲜和加拿大都有发现。

钻石

它是一种非常坚硬的固体，对光的透过是透明的，并且比石墨要致密得多：金刚石的密度值几乎是石墨的两倍。

钻石中的碳原子以四面体几何形状连接在一起。同样，金刚石是由经受高温和高压（3,000 ^° C和100,000 atm）的石墨形成的。

大多数钻石位于地幔深140至190公里之间。通过深层火山喷发，岩浆可以将它们运送到接近地表的距离。

非洲（纳米比亚，加纳，刚果民主共和国，塞拉利昂和南非），美洲（巴西，哥伦比亚，委内瑞拉，圭亚那，秘鲁），大洋洲（澳大利亚）和亚洲（印度）都有钻石矿床。

图3.煤炭和钻石。来源：XAVI999，来自Wikimedia Commons。

富勒烯

它们是碳的分子形式，在几乎球形的分子中形成60和70个碳原子的簇，类似于足球。

还有20个碳原子的较小的富勒烯。富勒烯的某些形式包括碳纳米管和碳纤维。

图4。富勒烯。IMeowbot，通过Wikimedia Commons

非晶形式

在无定形形式中，碳原子不结合，构成有序且规则的晶体结构。相反，它们甚至包含其他元素的杂质。

无烟煤

它是最古老的变质矿物煤（由于温度，压力或流体化学作用的影响而对岩石进行改性），因为它的形成可追溯到石炭纪的原始或古生代时代。

无烟煤是碳的无定形形式，其含量最高：介于86％至95％之间。颜色为灰黑色，具有金属光泽，并且笨重。

无烟煤通常存在于地质变形带中，约占世界煤炭储量的1％。

从地理上看，它存在于加拿大，美国，南非，法国，英国，德国，俄罗斯，中国，澳大利亚和哥伦比亚。

图5.无烟煤，最老的煤，碳含量最高。Educerva，来自Wikimedia Commons

煤炭

它是一种矿物煤，是有机成因的沉积岩，其形成可追溯至古生代和中生代时代。它的碳含量为75％至85％。

它是黑色的，其特征是不透明并具有无光泽和油腻的外观，因为它含有大量的沥青物质。它是在石炭纪和二叠纪古生代压缩褐煤形成的。

它是地球上碳含量最高的形式。美国，英国，德国，俄罗斯和中国都有大量的煤炭矿床。

褐煤

它是第三纪时期由泥炭通过压缩（高压）形成的矿物化石煤。它的碳含量比煤炭低，介于70％和80％之间。

它是一种稍致紧凑的材料，呈棕色或黑色，易碎（与其他碳矿物质不同的特征）。它的质地类似于木材，碳含量为60％至75％。

它是一种易于燃烧的燃料，比泥煤具有较低的热值和较低的水含量。

在德国，俄罗斯，捷克共和国，意大利（威尼托，托斯卡纳，翁布里亚地区）和撒丁岛都有重要的褐煤矿。在西班牙，褐煤矿床位于阿斯图里亚斯，安道尔，萨拉戈萨和拉科鲁尼亚。

泥炭

它是有机起源的材料，其形成来自第四纪，比以前的煤炭要新得多。

它的颜色为棕黄色，呈低密度海绵状块状，您可以在其中看到植物起源的残骸。

与上述煤炭不同，泥炭并非来自木质材料或木材的碳化过程，而是通过尚未完成的碳化过程在沼泽地区堆积的植物（主要是草和苔藓）而形成的。 。

泥炭含水量高；因此，使用前需要干燥和压实。

它的碳含量低（仅为55％）；因此，它具有较低的能量值。燃烧时，其灰烬残留量丰富，并散发出大量烟气。

在智利，阿根廷（火地岛），西班牙（埃斯皮诺萨·德·塞拉托，帕伦西亚），德国，丹麦，荷兰，俄罗斯，法国有大量的泥炭沉积。

图6.泥炭容器。克里斯蒂安·菲舍尔（Christian Fischer），来自Wikimedia Commons

石油，天然气和沥青

石油（来自拉丁语petrae，意思是“石头”；发烟硫酸，意思是“石油”：“岩油”）是许多有机化合物的混合物，其中大多数是碳氢化合物，它们是由厌氧细菌分解（在没有氧气）中的有机物。

它是在深层土壤中，在物理条件（高压和高温）和化学条件（存在特定的催化剂化合物）下于特殊条件下形成的，历时数百万年。

在此过程中，C和H从有机组织中释放出来，并结合在一起，再次重新结合，形成了数量众多的碳氢化合物，这些碳氢化合物根据其性质进行混合，从而形成天然气，石油和沥青。

世界的油田主要位于委内瑞拉，沙特阿拉伯，伊拉克，伊朗，科威特，阿拉伯联合酋长国，俄罗斯，利比亚，尼日利亚和加拿大。

俄罗斯，伊朗，委内瑞拉，卡塔尔，美国，沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等地都有天然气储量。

物理和化学特性

在碳的特性中，我们可以提及以下内容：

化学符号

C。

原子数

6。

物理状态

固体，在常压和常温条件下（1个大气压和25 ^° C）。

颜色

灰色（石墨）和透明（钻石）。

原子质量

12.011克/摩尔

熔点

500 ^° C

沸点

827 ^℃。

密度

2.62克/厘米³。

溶解度

不溶于水，溶于CCl ₄四氯化碳。

电子配置

1s ² 2s ² 2p ²。

外壳或价壳中的电子数

四。

链接容量

四。

链状

它具有在长链中形成化合物的能力。

生物地球化学循环

碳循环是一种生物地球化学循环过程，通过该过程可以在地球的生物圈，大气层，水圈和岩石圈之间交换碳。

对地球上碳循环过程的了解使得有可能证明人类在这一循环上的行动及其对全球气候变化的影响。

碳可以在海洋和其他水体之间以及岩石圈，土壤和地下土壤，大气层和生物圈之间循环。在大气和水圈中，碳以气态形式作为CO ₂（二氧化碳）存在。

光合作用

大气中的碳被生态系统中的陆地和水生生物捕获（光合生物）。

光合作用允许CO ₂与水之间发生化学反应，该化学反应由植物的太阳能和叶绿素介导，从而产生碳水化合物或糖。该过程将具有低能量含量的CO ₂，H ₂ O和氧O _2的简单分子转变为复杂的高能分子形式，即糖。

异养生物无法光合作用，是生态系统中的消费者，它通过以生产者和其他消费者为食来获取碳和能量。

呼吸和分解

呼吸和分解是生物过程，以CO ₂或CH ₄（厌氧分解产生的甲烷；即在没有氧气的情况下产生）的形式将碳释放到环境中。

地质过程

通过地质过程以及随着时间的流逝，厌氧分解产生的碳可以转化为化石燃料，例如石油，天然气和煤炭。同样，碳也是其他矿物和岩石的一部分。

人类活动干扰

当人类使用化石燃料燃烧作为能源时，碳以大量CO ₂的形式返回大气，而天然生物地球化学碳循环无法吸收这些CO ₂。

人类活动产生的过量CO ₂对碳循环的平衡产生负面影响，并且是全球变暖的主要原因。

图2.碳的生物地球化学循环。Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg：en.wikipedia上的用户Kevin Saff衍生作品：FischX翻译：TomásClarke，通过Wikimedia Commons

应用领域

碳及其化合物的用途千差万别。以下是最突出的：

石油和天然气

碳的主要经济用途是将其用作化石燃料中的碳氢化合物，例如甲烷气和石油。

石油在炼油厂中进行蒸馏以获得多种衍生物，例如汽油，柴油，煤油，沥青，润滑剂，溶剂等，这些反过来又用于石油化学工业，该工业生产塑料，化肥，药物和油漆工业的原料。等等。

石墨

石墨用于以下操作：

-用于制造与粘土混合的铅笔。

-这是耐火的耐火砖和坩埚精制的一部分。

-在各种机械设备中，例如垫圈，轴承，活塞和密封件。

-这是一种出色的固体润滑剂。

-由于其导电性和化学惰性，可用于制造电极，电动机碳。

-在核电站中用作主持人。

钻石

钻石具有特别出色的物理性能，例如迄今为止已知的最高硬度和导热率。

这些特性由于具有很高的磨蚀性，因此可用于制造切口的工具和抛光工具的工业应用。

它的光学特性（例如透明性和分解白光和折射光的能力）使其在光学仪器中有许多应用，例如在透镜和棱镜的制造中。

由其光学特性产生的特征光泽在珠宝行业中也受到高度重视。

无烟煤

无烟煤很难点燃，燃烧缓慢，需要大量氧气。其燃烧几乎不产生淡蓝色火焰，并散发大量热量。

几年前，无烟煤被用于热电厂和家庭供暖。它的使用具有诸如产生少量灰烬或粉尘，少量烟雾和燃烧缓慢的优点。

由于其高昂的经济成本和稀缺性，无烟煤已被热电厂的天然气和家庭的电力所取代。

煤炭

煤被用作原料获得：

-焦炭，钢铁厂高炉的燃料。

-杂酚油，通过混合煤焦油馏分获得，并用作暴露于这些元素的木材的保护性密封剂。

-从煤中提取的甲酚（化学上是甲基苯酚），用作消毒剂和防腐剂，

-其他衍生物，例如气体，焦油或沥青，以及用于制造香水，杀虫剂，塑料，油漆，轮胎和路面的化合物。

褐煤

褐煤代表中等质量的燃料。Jet是多种褐煤，其特点是碳化时间长且压力高，因此非常紧凑，可用于珠宝和装饰品。

泥炭

泥炭用于以下活动；

-用于植物物种的生长，支持和运输。

-作为有机堆肥。

-作为马s中的动物床。

-作为低质量燃料。

参考文献

1. Burrows，A.，Holman，J.，Parsons，A.，Pilling，G.和Price，G.（2017）。化学3：介绍无机，有机和物理化学。牛津大学出版社。
2. Deming，A.（2010年）。元素之王？纳米技术。21（30）：300201. doi：10.1088
3. Dienwiebel，M.，Verhoeven，G.，Pradeep，N.，Frenken，J.，Heimberg，J。和Zandbergen，H。（2004年）。石墨的超润滑性。体检信。92（12）：126101. doi：10.1103
4. Irifune，T.，Kurio，A.，Sakamoto，S.，Inoue，T.和Sumiya，H.（2003）。材料：石墨制成的超硬多晶金刚石。性质。421（6923）：599–600。土井：10.1038
5. Savvatimskiy，A。（2005）。测量石墨的熔点和液态碳的性质（1963年至2003年综述）。煤炭。43（6）：1115. doi：10.1016