CARBONO NA NATUREZA: LOCALIZAÇÃO, PROPRIEDADES E USOS - GEOGRAFÍA - 2024

O carbono na natureza pode ser encontrado 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 eletrônicas compartilhadas 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 em temperaturas comumente encontradas na Terra, fazem com que sirva como elemento comum a todas as formas de vida conhecidas.

Figura 1. Carbono em sua forma mineral. Fonte: Rdamian1234, do Wikimedia Commons

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

Também forma vários minerais, como antracite, carvão, linhite 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 o carbono é encontrado 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 (antracita, linhita, carvão, turfa), formas líquidas (variedades de óleo) e gasosas (gás natural).

Formas cristalinas

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

Grafite

É um sólido preto macio com brilho metálico ou brilho e resistente ao calor (refratário). Sua estrutura cristalina apresenta átomos de carbono unidos em anéis hexagonais que, por sua vez, se unem formando lâminas.

Os depósitos de grafite são raros e foram encontrados na China, Índia, Brasil, Coreia do Norte e Canadá.

Diamante

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

Os átomos de carbono no diamante são unidos em geometria tetraédrica. Da mesma forma, o diamante é formado a partir do grafite submetido a condições de temperaturas e pressões muito altas (3.000 ^° C e 100.000 atm).

A maioria dos diamantes está localizada entre 140 e 190 km de profundidade no manto. Por meio de erupções vulcânicas profundas, 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).

Figura 3. Carvão e diamante. Fonte: XAVI999, do Wikimedia Commons.

Fulerenos

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

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

Figura 4. Fulereno. IMeowbot, via Wikimedia Commons

Formas amorfas

Na forma amorfa, os átomos de carbono não se unem, 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 (proveniente da modificação das rochas por efeitos da temperatura, pressão ou ação química dos fluidos), já que sua formação data da era primária ou paleozóica, o período Carbonífero.

O antracito é a forma amorfa do carbono com maior teor deste elemento: entre 86 e 95%. É cinza-escuro com brilho metálico e é pesado e compacto.

O antracito é geralmente encontrado em zonas de deformação geológica e constitui cerca de 1% das reservas mundiais de carvão.

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

Figura 5. Antracito, o carvão mais antigo com maior teor de carbono. Educerva, do Wikimedia Commons

Carvão

É um carvão mineral, uma rocha sedimentar de origem orgânica, cuja formação data das eras Paleozóica e Mesozóica. Possui um teor de carbono entre 75 e 85%.

É de cor preta, caracterizada por ser opaca e ter um aspecto fosco e gorduroso, por possuir alto teor de substâncias betuminosas. É formada pela compressão da lignita na era Paleozóica, nos períodos Carbonífero e Permiano.

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

Lignite

É um carvão mineral fóssil formado no período terciário a partir da turfa por compressão (altas pressões). Possui menor teor de carbono do que o carvão, entre 70 e 80%.

É um material ligeiramente compacto, quebradiço (característica que o distingue de outros minerais de carbono), de cor castanha ou preta. Sua textura é semelhante à da madeira e seu teor de carbono varia de 60 a 75%.

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

Existem importantes minas de linhito na Alemanha, Rússia, República Tcheca, Itália (regiões de Veneto, Toscana, Umbria) e Sardenha. Na Espanha, os depósitos de linhito estão nas Astúrias, Andorra, Zaragoza e La Coruña.

Turfa

É um material de origem orgânica cuja formação vem desde o Quaternário, muito mais recente que os carvões anteriores.

De cor amarelo acastanhada, apresenta-se sob a forma de uma massa esponjosa de baixa densidade, na qual se podem observar restos vegetais do local de origem.

Ao contrário dos carvões mencionados acima, a turfa não vem dos 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 que não foi concluído.

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

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

Existem importantes depósitos de turfa no Chile, Argentina (Tierra del Fuego), Espanha (Espinosa de Cerrato, Palencia), Alemanha, Dinamarca, Holanda, Rússia, França.

Figura 6. Reservatório de turfa. Christian Fischer, do Wikimedia Commons

Petróleo, gás natural e betume

Petróleo (do latim petrae, que significa "pedra"; e oleum, que significa "óleo": "óleo de rocha") é uma mistura de muitos compostos orgânicos - a maioria deles hidrocarbonetos - produzidos por decomposição bacteriana anaeróbica (na ausência de oxigênio) de matéria orgânica.

Formou-se no subsolo, em grandes profundidades e sob condições especiais tanto físicas (altas pressões e temperaturas) quanto químicas (presença de compostos catalisadores específicos) em um processo que durou milhões de anos.

Nesse processo, C e H foram liberados dos tecidos orgânicos e unidos, recombinados 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 mundo 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 as seguintes:

Símbolo químico

C.

Número atômico

6

Estado físico

Sólido, sob 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 eletronica

1s ² 2s ² 2p ².

Número de elétrons na camada externa ou de valência

Quatro.

Capacidade do link

Quatro.

Catenação

Ele tem a capacidade de formar compostos químicos em cadeias longas.

Ciclo biogeoquímico

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

O conhecimento desse processo cíclico do carbono na Terra permite demonstrar a ação humana sobre esse ciclo e suas consequências nas mudanças climáticas globais.

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

Fotossíntese

O carbono da atmosfera é capturado por organismos produtores terrestres e aquáticos em ecossistemas (organismos fotossintéticos).

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

Organismos heterotróficos - que não podem fotossintetizar e são consumidores em ecossistemas - obtêm carbono e energia alimentando-se de produtores e outros consumidores.

Respiração e decomposição

A respiração e a 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

Por meio de processos geológicos e como consequência da passagem do tempo, o carbono da decomposição anaeróbia 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 a queima de combustíveis fósseis para obter energia, o carbono retorna à atmosfera na forma de enormes quantidades de CO ₂ que não podem ser assimiladas pelo ciclo biogeoquímico natural do carbono.

Esse excesso de CO ₂ produzido pela atividade humana impacta negativamente o equilíbrio do ciclo do carbono e é a principal causa do aquecimento global.

Figura 2. Ciclo biogeoquímico do carbono. Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: Usuário Kevin Saff em en.wikipedia Trabalho derivado: FischX Tradução: Tomás Clarke, via Wikimedia Commons

Formulários

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 por seu uso como hidrocarboneto de combustível fóssil, como gás metano e petróleo.

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

Grafite

O grafite é usado nas seguintes ações:

- É utilizado na fabricação de lápis, misturado com argilas.

- Faz parte da elaboração 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 à sua inércia química, é utilizado na fabricação de eletrodos, carbonos para motores elétricos.

- É usado como moderador em usinas nucleares.

Diamante

O diamante tem propriedades físicas particularmente excepcionais, como o mais alto grau de dureza e condutividade térmica conhecido até hoje.

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

Suas propriedades ópticas - como transparência e capacidade de decompor a luz branca e refratar a luz - fornecem muitas aplicações em instrumentos ópticos, como na fabricação de lentes e prismas.

O brilho característico derivado de suas propriedades ópticas também é altamente valorizado na indústria joalheira.

Antracite

O antracito é difícil de inflamar, tem combustão lenta e requer muito oxigênio. Sua combustão produz pouca chama azul claro e emite muito calor.

Há alguns anos, o antracito era usado em termelétricas e aquecimento doméstico. A sua utilização apresenta vantagens como a produção de pouca cinza ou pó, pouca fumaça e um processo de combustão lento.

Devido ao seu alto custo econômico e à sua escassez, o antracito foi substituído pelo gás natural nas termelétricas e pela eletricidade nas residências.

Carvão

O carvão é usado como matéria-prima para obter:

- Coque, combustível de altos-fornos em siderúrgicas.

- Creosoto, obtido pela mistura dos destilados do alcatrão do carvão e utilizado como selante protetor de madeira exposta às intempéries.

- Cresol (quimicamente metilfenol) extraído do carvão e usado como desinfetante e anti-séptico, - Outros derivados, como gás, alcatrão ou piche, e compostos utilizados na fabricação de perfumes, inseticidas, plásticos, tintas, pneus e pavimentos rodoviários, entre outros.

Lignite

A linhita representa um combustível de qualidade média. Jet, uma variedade do linhito, se caracteriza por ser muito compacto devido ao longo processo de carbonização e altas pressões, sendo utilizado em joalheria e ornamentação.

Turfa

A turfa é usada nas seguintes atividades;

- Para o crescimento, suporte e transporte de espécies de plantas.

- Como composto orgânico.

- Como cama para animais nos 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. Imprensa da Universidade de Oxford.
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). Superlubricity of Graphite. Cartas de revisão física. 92 (12): 126101. doi: 10,1103
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5. Savvatimskiy, A. (2005). Medições do ponto de fusão da grafite e as propriedades do carbono líquido (uma revisão de 1963–2003). Carvão. 43 (6): 1115. doi: 10.1016