LE CARBONE DANS LA NATURE: LOCALISATION, PROPRIÉTÉS ET UTILISATIONS - GEOGRAFÍA - 2025

Le carbone dans la nature peut être trouvé dans les diamants, le pétrole et les graphites, parmi de nombreux autres scénarios. Cet élément chimique occupe la sixième place dans le tableau périodique et est situé dans la ligne horizontale ou période 2 et colonne 14. Il est non métallique et tétravalent; c'est-à-dire qu'il peut établir 4 liaisons chimiques électroniques partagées ou liaisons covalentes.

Le carbone est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre. Cette abondance, sa diversité unique dans la formation de composés organiques et sa capacité exceptionnelle à former des macromolécules ou des polymères à des températures couramment rencontrées sur Terre, en font un élément commun à toutes les formes de vie connues.

Figure 1. Carbone sous sa forme minérale. Source: Rdamian1234, de Wikimedia Commons

Le carbone existe dans la nature en tant qu'élément chimique sans se combiner sous les formes du graphite et du diamant. Cependant, pour la plupart, il est combiné pour former des composés chimiques carbonés, tels que le carbonate de calcium (CaCO ₃) et d'autres composés dans le pétrole et le gaz naturel.

Il forme également divers minéraux tels que l'anthracite, le charbon, le lignite et la tourbe. La plus grande importance du carbone est qu'il constitue le soi-disant «élément constitutif de la vie» et qu'il est présent dans tous les organismes vivants.

Où trouve-t-on le carbone et sous quelle forme?

En plus d'être l'élément chimique commun à toutes les formes de vie, le carbone dans la nature est présent sous trois formes cristallines: le diamant, le graphite et le fullerène.

Il existe également plusieurs formes minérales amorphes de charbon (anthracite, lignite, houille, tourbe), liquides (variétés pétrolières) et gazeuses (gaz naturel).

Formes cristallines

Dans les formes cristallines, les atomes de carbone se rejoignent pour former des motifs ordonnés avec une disposition spatiale géométrique.

Graphite

C'est un solide noir doux avec un lustre ou un lustre métallique et résistant à la chaleur (réfractaire). Sa structure cristalline présente des atomes de carbone joints en anneaux hexagonaux qui, à leur tour, rejoignent des feuilles de formation.

Les gisements de graphite sont rares et ont été trouvés en Chine, en Inde, au Brésil, en Corée du Nord et au Canada.

diamant

C'est un solide très dur, transparent au passage de la lumière et beaucoup plus dense que le graphite: la valeur de la densité du diamant est presque deux fois celle du graphite.

Les atomes de carbone du diamant sont réunis en géométrie tétraédrique. De même, le diamant est formé à partir de graphite soumis à des conditions de températures et de pressions très élevées (3 000 ^° C et 100 000 atm).

La plupart des diamants sont situés entre 140 et 190 km de profondeur dans le manteau. Grâce à des éruptions volcaniques profondes, le magma peut les transporter à des distances proches de la surface.

Il existe des gisements de diamants en Afrique (Namibie, Ghana, République démocratique du Congo, Sierra Leone et Afrique du Sud), en Amérique (Brésil, Colombie, Venezuela, Guyane, Pérou), en Océanie (Australie) et en Asie (Inde).

Figure 3. Charbon et diamant. Source: XAVI999, de Wikimedia Commons.

Fullerènes

Ce sont des formes moléculaires de carbone qui forment des amas de 60 et 70 atomes de carbone dans des molécules presque sphériques, semblables aux ballons de football.

Il existe également des fullerènes plus petits de 20 atomes de carbone. Certaines formes de fullerènes comprennent les nanotubes de carbone et les fibres de carbone.

Figure 4. Fullerène. IMeowbot, via Wikimedia Commons

Formes amorphes

Dans les formes amorphes, les atomes de carbone ne s'unissent pas, constituant une structure cristalline ordonnée et régulière. Au lieu de cela, ils contiennent même des impuretés provenant d'autres éléments.

Anthracite

C'est le charbon minéral métamorphique le plus ancien (qui provient de la modification des roches par les effets de la température, de la pression ou de l'action chimique des fluides), puisque sa formation date de l'ère primaire ou paléozoïque, la période carbonifère.

L'anthracite est la forme amorphe de carbone la plus riche en cet élément: entre 86 et 95%. Il est de couleur gris-noir avec un éclat métallique, et il est lourd et compact.

L'anthracite se trouve généralement dans les zones de déformation géologique et constitue environ 1% des réserves mondiales de charbon.

Géographiquement, on le trouve au Canada, aux États-Unis, en Afrique du Sud, en France, en Grande-Bretagne, en Allemagne, en Russie, en Chine, en Australie et en Colombie.

Figure 5. Anthracite, le charbon le plus ancien avec la plus forte teneur en carbone. Educerva, de Wikimedia Commons

Charbon

C'est un charbon minéral, une roche sédimentaire d'origine organique, dont la formation date des époques paléozoïque et mésozoïque. Il a une teneur en carbone comprise entre 75 et 85%.

Il est de couleur noire, caractérisé par son opacité et son aspect mat et gras, car il a une teneur élevée en substances bitumineuses. Il est formé par compression de lignite à l'époque paléozoïque, aux périodes carbonifère et permienne.

C'est la forme de carbone la plus abondante de la planète. Il existe de grands gisements de charbon aux États-Unis, en Grande-Bretagne, en Allemagne, en Russie et en Chine.

Lignite

C'est un charbon fossile minéral formé à l'ère tertiaire à partir de la tourbe par compression (hautes pressions). Il a une teneur en carbone inférieure à celle du charbon, entre 70 et 80%.

C'est un matériau légèrement compact, friable (une caractéristique qui le distingue des autres minéraux carbonés), de couleur brune ou noire. Sa texture est similaire à celle du bois et sa teneur en carbone varie de 60 à 75%.

C'est un combustible facile à allumer, avec un faible pouvoir calorifique et une teneur en eau plus faible que la tourbe.

Il existe d'importantes mines de lignite en Allemagne, en Russie, en République tchèque, en Italie (régions de Vénétie, Toscane, Ombrie) et en Sardaigne. En Espagne, les gisements de lignite se trouvent dans les Asturies, Andorre, Saragosse et La Corogne.

Tourbe

C'est un matériau d'origine organique dont la formation remonte à l'époque quaternaire, bien plus récente que les charbons précédents.

Il est de couleur jaune brunâtre et se présente sous la forme d'une masse spongieuse de faible densité, dans laquelle vous pouvez voir des restes de plantes de l'endroit où il est originaire.

Contrairement aux charbons mentionnés ci-dessus, la tourbe ne provient pas de processus de carbonisation de la matière ligneuse ou du bois, mais a été formée par l'accumulation de plantes - principalement des graminées et des mousses - dans les zones marécageuses par un processus de carbonisation qui n'a pas été achevé..

La tourbe a une teneur élevée en eau; pour cette raison, il nécessite un séchage et un compactage avant utilisation.

Il a une faible teneur en carbone (seulement 55%); par conséquent, il a une faible valeur énergétique. Lorsqu'il est soumis à la combustion, ses résidus de cendres sont abondants et il émet beaucoup de fumée.

Il existe d'importants gisements de tourbe au Chili, en Argentine (Terre de Feu), en Espagne (Espinosa de Cerrato, Palencia), en Allemagne, au Danemark, en Hollande, en Russie et en France.

Figure 6. Réservoir de tourbe. Christian Fischer, de Wikimedia Commons

Pétrole, gaz naturel et bitume

Le pétrole (du latin petrae, qui signifie «pierre»; et l'oléum, qui signifie «huile»: «huile de roche») est un mélange de nombreux composés organiques - pour la plupart des hydrocarbures - produits par décomposition bactérienne anaérobie (en l'absence de oxygène) de matière organique.

Il s'est formé dans le sous-sol, à de grandes profondeurs et dans des conditions spéciales à la fois physiques (pressions et températures élevées) et chimiques (présence de composés catalytiques spécifiques) dans un processus qui a pris des millions d'années.

Au cours de ce processus, C et H ont été libérés des tissus organiques et réunis par recombinaison à nouveau, pour former un nombre immense d'hydrocarbures qui se mélangent selon leurs propriétés, formant du gaz naturel, du pétrole et du bitume.

Les gisements de pétrole du monde sont situés principalement au Venezuela, en Arabie saoudite, en Irak, en Iran, au Koweït, aux Émirats arabes unis, en Russie, en Libye, au Nigéria et au Canada.

Il existe des réserves de gaz naturel en Russie, en Iran, au Venezuela, au Qatar, aux États-Unis, en Arabie saoudite et aux Émirats arabes unis, entre autres.

Proprietes physiques et chimiques

Parmi les propriétés du carbone, on peut citer les suivantes:

Symbole chimique

C.

Numéro atomique

6.

État physique

Solide, dans des conditions normales de pression et de température (1 atmosphère et 25 ^° C).

Couleur

Gris (graphite) et transparent (diamant).

Masse atomique

12,011 g / mol.

Point de fusion

500 ^° C

Point d'ébullition

827 ^° C

Densité

2,62 g / cm ³.

Solubilité

Insoluble dans l'eau, soluble dans le tétrachlorure de carbone CCl ₄.

Configuration électronique

1s ² 2s ² 2p ².

Nombre d'électrons dans la coquille externe ou de valence

Quatre.

Capacité de liaison

Quatre.

Caténation

Il a la capacité de former des composés chimiques en longues chaînes.

Cycle biogéochimique

Le cycle du carbone est un processus circulaire biogéochimique par lequel le carbone peut être échangé entre la biosphère, l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère de la Terre.

La connaissance de ce processus cyclique du carbone sur Terre permet de démontrer l'action humaine sur ce cycle et ses conséquences sur le changement climatique global.

Le carbone peut circuler entre les océans et d'autres plans d'eau, ainsi qu'entre la lithosphère, dans le sol et le sous-sol, dans l'atmosphère et dans la biosphère. Dans l'atmosphère et l'hydrosphère, le carbone existe sous forme gazeuse sous forme de CO ₂ (dioxyde de carbone).

Photosynthèse

Le carbone de l'atmosphère est capturé par les organismes producteurs terrestres et aquatiques dans les écosystèmes (organismes photosynthétiques).

La photosynthèse permet à une réaction chimique entre le CO ₂ et l'eau de se produire, médiée par l'énergie solaire et la chlorophylle des plantes, pour produire des glucides ou des sucres. Ce processus transforme des molécules simples à faible teneur énergétique en CO ₂, H ₂ O et oxygène O ₂ en formes moléculaires complexes à haute énergie, qui sont des sucres.

Les organismes hétérotrophes - qui ne peuvent pas photosynthétiser et sont des consommateurs dans les écosystèmes - obtiennent du carbone et de l'énergie en se nourrissant de producteurs et d'autres consommateurs.

Respiration et décomposition

La respiration et la décomposition sont des processus biologiques qui libèrent du carbone dans l'environnement sous forme de CO ₂ ou de CH ₄ (méthane produit par décomposition anaérobie, c'est-à-dire en l'absence d'oxygène).

Processus géologiques

Grâce à des processus géologiques et à la suite du passage du temps, le carbone issu de la décomposition anaérobie peut être transformé en combustibles fossiles tels que le pétrole, le gaz naturel et le charbon. De même, le carbone fait également partie d'autres minéraux et roches.

Interférence de l'activité humaine

Lorsque l'homme utilise la combustion de combustibles fossiles pour produire de l'énergie, le carbone retourne dans l'atmosphère sous la forme d'énormes quantités de CO ₂ qui ne peuvent être assimilées par le cycle biogéochimique naturel du carbone.

Cet excès de CO ₂ produit par l'activité humaine a un impact négatif sur l'équilibre du cycle du carbone et est la principale cause du réchauffement climatique.

Figure 2. Cycle biogéochimique du carbone. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Utilisateur Kevin Saff sur en.wikipedia Travail dérivé: FischX Traduction: Tomás Clarke, via Wikimedia Commons

Applications

Les utilisations du carbone et de ses composés sont extrêmement variées. Le plus important avec ce qui suit:

Pétrole et gaz naturel

La principale utilisation économique du carbone est représentée par son utilisation comme hydrocarbure fossile, comme le méthane et le pétrole.

Le pétrole est distillé dans les raffineries pour obtenir de multiples dérivés tels que l'essence, le diesel, le kérosène, l'asphalte, les lubrifiants, les solvants et autres, qui à leur tour sont utilisés dans l'industrie pétrochimique qui produit des matières premières pour les industries des plastiques, des engrais, des médicaments et des peintures., entre autres.

Graphite

Le graphite est utilisé dans les actions suivantes:

- Il est utilisé dans la fabrication de crayons, mélangés à des argiles.

- Il fait partie de l'élaboration de briques et creusets réfractaires, résistants à la chaleur.

- Dans divers dispositifs mécaniques tels que rondelles, roulements, pistons et joints.

- C'est un excellent lubrifiant solide.

- Du fait de sa conductivité électrique et de son inertie chimique, il est utilisé dans la fabrication d'électrodes, charbons pour moteurs électriques.

- Il est utilisé comme modérateur dans les centrales nucléaires.

diamant

Le diamant possède des propriétés physiques particulièrement exceptionnelles, telles que le plus haut degré de dureté et de conductivité thermique connu à ce jour.

Ces caractéristiques permettent des applications industrielles dans les outils utilisés pour effectuer des coupes et des instruments de polissage en raison de leur forte abrasivité.

Ses propriétés optiques - telles que la transparence et la capacité à décomposer la lumière blanche et à réfracter la lumière - lui confèrent de nombreuses applications dans les instruments optiques, comme dans la fabrication de lentilles et de prismes.

Le lustre caractéristique dérivé de ses propriétés optiques est également très apprécié dans l'industrie de la bijouterie.

Anthracite

L'anthracite est difficile à enflammer, il brûle lentement et nécessite beaucoup d'oxygène. Sa combustion produit peu de flamme bleu pâle et émet beaucoup de chaleur.

Il y a quelques années, l'anthracite était utilisé dans les installations thermoélectriques et pour le chauffage domestique. Son utilisation présente des avantages tels que la production de peu de cendres ou de poussières, peu de fumée et un processus de combustion lent.

En raison de son coût économique élevé et de sa rareté, l'anthracite a été remplacé par le gaz naturel dans les centrales thermoélectriques et par l'électricité dans les maisons.

Charbon

Le charbon est utilisé comme matière première pour obtenir:

- Le coke, combustible des hauts fourneaux des aciéries.

- La créosote, obtenue en mélangeant les distillats de goudron de charbon et utilisée comme mastic protecteur pour le bois exposé aux éléments.

- Crésol (chimiquement méthylphénol) extrait du charbon et utilisé comme désinfectant et antiseptique, - Autres dérivés tels que le gaz, le goudron ou le brai, et les composés utilisés dans la fabrication de parfums, d'insecticides, de plastiques, de peintures, de pneus et de chaussées, entre autres.

Lignite

Le lignite représente un carburant de qualité moyenne. Jet, une variété de lignite, se caractérise par être très compact en raison du long processus de carbonisation et des pressions élevées, et est utilisé dans les bijoux et l'ornementation.

Tourbe

La tourbe est utilisée dans les activités suivantes;

- Pour la croissance, le soutien et le transport des espèces végétales.

- Comme compost organique.

- Comme lit pour animaux dans les étables.

- En tant que carburant de mauvaise qualité.

Références

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