Carbonul
Stare naturala
1. Carbonul se gaseste, in natura, in stare elementara, in cele doua forma alotropice, diamantul si grafitul.
Diamantul se gaseste fie in zacaminte primare, in care s-a formar, fie in aluviunile (provenite din aceste roci primare) unor rauri. Zacamintele primare sunt roci eruptive (silicati), care au luat nastere din magma topita, patrunsa vertical din adancime prin scoarta solida a pamantului, unde s-a solidificat sub presiune mare. In zacamintele diamantifere, care se gasesc numai in putine puncte de pe glob, diamantele sunt continute de obicei sub forma de cristale mici (0.1-0.5 g la tona) si numai rar ca bucati mai mari de forme neregulate. Numai cca. 5% din diamantele extrase sunt destul de pure (incolore) pentru a servi ca podoabe. La slefuire se pierde cea mai mare parte din diamantul brut. Diamantele impure (negre, din cauza unui mic continut de grafit) servesc pentru scopuri industriale.
Grafitul apare mai frecvent si in cantitati mai mari decat diamantul, fiind totusi un mineral destul de rar. Grafitul natural contine adesea silicati, greu de indepartat, cu care este amestecat in zacamant.
2. Cantitati mult mai mari de carbon se gasesc in natura in stare combinata. Atmosfera contine 0.03 % bioxid de carbon. Din acesta provin toate celelalte combinatii ale carbonului de pe glob. Importante roci sedimentare, din scoarta pamantului, sunt compuse din carbonati. Carbonatul de calciu, CaCO3, apare in natura in cantitati uriase sub forma de conglomerat policristalin ca piatra de var sau marmura, mai rar de calcita, cristalizata. Alti carbonati naturali sunt : carbonatul de magneziu sau magnezita, MgCO3, carbonatul dublu de calciu si magneziu sau dolomita, MgCa(CO3)2 si carbonatul de fer, sideroza, FeCO3. Creta, care apare sub forma de zacaminte mari in unele regiuni, este un carbonat de calciu de origine biologica, compus din cochilii microscopice de foraminifere. Tot din carbonat de calciu este constituit scheletul coralilor, animale marine sedentare, ce traiesc in marile calde, unde se acumuleaza in cantitati uriase dand nastere la recife si insule de dimensiuni mari.
3. Desi carbonul nu apare decat in proportie mica (0.09%) in straturile exterioare ale planetei (litosfera, hidrosfera si atmosfera), acest element a contribuit mai mult decat oricare altul la determinarea aspectului actual al planetei noastre, prin rolul esential pe care il joaca in compunerea vietuitoarelor si prin insusirile extraordinare ale acestora. Combinatiile carbonului din plante si animale formeaza obiectul de studiu al chimiei organice si al biochimiei.
In cursul epocilor geologice trecute, viata vegetala pe planeta noastra a fost probabil mult mai abundenta decat in prezent. Numai asa se explica formarea imenselor zacaminte fosile de materiale bogate in carbon, care se gasesc la mica adancime in cele mai variate regiuni ale globului, unde s-au conservat la adapost de oxigenul atmosferic pana in zilele noastre. Se disting doua mari clase de asemenea zacaminte, carbunii de pamant si bitumurile. Ambele sunt exploatate in prezent, servind drept combustibili si materii prime pentru cele mai variate combinatii ale carbonului.
Carbunii fosili sau carbunii de pamant s-au format din plante prin transformari biologice (sub actiunea unor microorganisme) si chimice, in timpul unor lungi perioade in conditii nu pra bine cunoscute, dar in orice caz in absenta oxigenului din aer. In cursul acestor transformari anaerobe, oxigenul continut in materialul initial s-a eliminat, in cea mai mare parte, sub forma de H2O si CO2, iar azotul sub forma de NH3 si N2. In cursul acestui proces lent de incarbonizare, continutul in carbon a crescut cu varsta zacamantului. Dupa urmele gasite, au putut fi identificate speciile botanice din care s-au format diferitii carbuni.
Se disting trei specii principale (si numeroase varietati) de carbuni fosili : carbunii de pamant propriu-zisi, carbunii bruni si turba. Carbunii de pamant, cum sunt antracitul si huila, lasa pe o placa de portelan poros o dara neagra, iar carbunii bruni o dara cafenie. Lignitul, in care se mai recunoaste structura lemnului initial, este o varietate de carbune brun. Turba, care se mai formeaza si in zilele noastre din muschi si plante acvatice ce apar in mlastini sau turbarii, este un carbune inferior ce retine multa apa. In antracit incarbonizarea este cea mai avansata.
Bitumurile sunt amestecuri complicate de materiale organice, in mare parte hidrocarburi, solide sau lichide, de culoare neagra, imbibate in diferite roci (sisturi bituminoase, argile bituminoase). Printre bitumuri se numara si petrolul. In marea lor majoritate, bitumurile provin din vietuitoare microscopice marine (plancton), sare s-au depus in cursul epocilor geologice trecute (mai ales in tertiar) pe fundul unor mari interioare sau lagune, unde au suferit, in conditii anaerobe, procese biochimice si chimice reductive, transformandu-se cea mai mare parte in hidrocarburi. Asfaltul este o componenta a bitumurilor care se formeaza secundar din petroluri, probabil printr-o polimerizare oxidativa.
Gazele naturale combustibile, continute la presiuni mari in unele straturi ale scoartei pamantului, sunt fie metan curat (99.9% la gazele din Ardeal), fie metan amestecat cu azot, hidrogen sulfurat si unele chiar cu heliu (provenit din dezintegrarea unor elemente radioactive, din rocile cu care a venit in contact), fie amestecuri de metan, etan, propan, butani si putin pentani. Aceste asa-numite gaze umede sau gaze de sonda insotesc petrolul in zacamintele de petrol.
Forme alotropice ale carbonului. Diamant, grafit si carbune negru
Carbonul cristalizeaza in doua forme alotropice bine caracterizate, mult deosebite una de alta, diamantul si grafitul. Afara de acestea exista numeroase varietati de carbune negru, cu structuri neregulate derivand de la aceea a grafitului.
1. Diamantul
Incolor si straveziu, cand este pur, cristalizeaza in sistemul cubic. Densitatea este 3.51 g/cm3. Indicele de refractie, neobisnuit de mare da nastere jocului de lumina specific acestei pietre pretioase. Diamantul este rau conductor de caldura si electricitate.
Diamantul este una dintre cele mai dure substante cunoscute si din aceasta cauza este de neinlocuit pentru fabricarea de scule destinate a taia, gauri sau lustrui materiale foarte dure. El insusi nu poate fi lustruit decat cu propria sa pulbere. Pe de alta parte, diamantul este casant ; el poate fi pulverizat intr-un mojar de otel.
Proprietatile diamantului.
Structura cristalina a diamantului da socoteala de toate proprietatile acestei substante. Temperatura inalta de vaporizare, aproape 4000º, lipsa unei faze lichide si caldura mare de vaporizare, egala cu caldura de atomizare (171.7 kcal/mol) se explica prin faptul ca, la trecerea din starea cristalina in starea de vapori trebuie rupte covalente. La temperatura inalta la care are loc vaporizarea, vaporii de carbon sunt compusi din atomi liberi.
2. Grafitul
In natura se gasesc rar, mai rar decat diamantele, cristale bine formate de grafit. Acestea au forma de placi sau prisme plate cu baza hexagonala, ce cliveaza usor, paralel cu baza. Forma obisnuita a grafitului natural este aceea a unei mase pamantoase sau stratificate, opaca, cenusie, cu luciu metalic, rece si grasa la pipait.
Proprietati
Punctul de topire foarte inalt nu poate fi determinat cu precizie deoarece grafitul (ca si diamantul) sublimeaza, la presiune normala, fara a se topi. Densitatea grafitului este 2.26 g/cm3. Foitele subtiri de grafit sunt flexibile. Grafitul este moale si lasa o dara cenusie pe hartie (proprietate folosita pentru fabricarea creioanelor ; denumirea grafit deriva de la cuvantul grec, graphein=a scrie). Din cauza reactivitatii chimice reduse (grafitul nu reactioneaza cu acizii diluati nici cu bazele si se aprinde, in oxigen molecular, abia la 700º) se fabrica din grafit creuzete si alte aparate rezistente la coroziune. Grafitul este bun conducator de caldura si electricitate. Este utilizat pentru fabricarea de electrozi, colectoare pentru motoare electrice etc. Grafitul foarte pur serveste ca moderator al neutronilor in reactoare nucleare.
3. Carbuni negri si grafit artificial.
Prin descompunerea termica a multor materiale organice se obtin numeroase varietati de carbune negru. Proprietatile acestora difera mult cu substanta initiala si cu conditiile in care a fost efectuata carbonizarea.
a. Electrozii de carbune se fabrica din carbuni negri saraci in cenusa (cocs de petrol si unele specii de antracit). Dupa macinare, praful de carbune se amesteca cu un liant organic (gudroane, smoala de petrol), se preseaza in forme si se incalzeste mai multe zile, la 1400-1600º, in cuptoare incalzite cu gaz. Se obtine astfel un material compact, bun conducator de electricitate. Electrozii obtinuti pe aceasta cale servesc in industria metalurgica (aluminiu, ferosiliciu) si chimica (carbura de calciu etc.).
b. Electrografit. Dupa un procedeu mult raspandit (Acheson, 1895) se incalzesc bare sau blocuri de carbune (de tipul carbunelui de electrozi descris mai sus) intr-un cuptor electric in care aceste bare servesc ca rezistente electrice. Se ating astfel progresiv temperaturi de cca. 2200º. Electrografitul obtinut, desi include inca spatii goale, caci densitatea sa (1.5 g/cm3) este mult mai mica decat a grafitului monocristalin, este dur si rezistent si un foarte bun conductor electric. Serveste in mari cantitati in electrotehnica, in electochimie, ca moderator in reactoare nucleare etc.
c. Pirografit. Prin descompunerea termica a metanului sau a altor hidrocarburi, pe un suport incalzit la 2000-2800º prin trecerea unui curent electric, se depune grafit cu planurile de atomi orientate paralel cu suprafata suportului. Obiectele confectionate din electrografit si acoperite cu un strat de pirografit prezinta o rezistenta exceptionala la oxidare si la alte actiuni chimice. Piese de grafit astfel pirolizate servesc pentru fabricarea de aparate chimice si in constructia navelor spatiale.
d. Grafit artificial compact. Se pot obtine piese de dimensiuni mai mari de grafit aproape ideal, folosind un procedeu ce seamana cu unele tratamente termice aplicate in metalurgie (anelare).
e. Fibre de carbon. Fibre sintetice organice (de ex. fibre de poliacrilonitril, de novolac si chiar de asfalt de petrol) sunt depanate de pe un mosor pe altul, strabatand un cuptor tubular intr-o atmosfera de gaz inert (argon). Temperatura cuptorului se urca cu 50º pe zi, pana la 600º, apoi cu 100º pe zi pana la 1000º; in sfarsit firele sunt trecute, timp de 100 de minute, printr-un al doilea cuptor, la 3100º. Fibrele astfel obtinute sunt remarcabile printr-o mare rezistenta la solicitari mecanice si in special prin elasticitatea lor. Fibrele de carbon se utilizeaza, intre altele, ca armaturi in rasini sintetice organice, obtinandu-se materiale ce intrec mult metalele, prin rezistenta lor mecanica.
f. Carbune sticlos. Spuma de carbune. Prin piroliza unor rasini sintetice organice, cu structura macromoleculara tridimensionala, se obtine un carbune negru necristalizat, de densitate mica (1.5 g/cm3), dar de duritate foarte mare (poate fi lucrat numai cu scule de diamant). Este impermeabil la gaze. Serveste intre altele la captusirea rachetelor spatiale.
Prin piroliza, in anumite conditii, a celulozei microcristaline se obtine un carbune extrem de poros (75% spatii goale), o asa-numita spuma de carbune, cu densitatea 0.05-0.06 g/cm3. Serveste ca suport pentru catalizatori si electrozi pentru pile de combustie etc.
4. Alte varietati tehnice de carbune negru.
Cele mai variate materiale organice, incalzite la temperaturi inalte, sufera o descompunere termica (carbonizare). Elementele straine continute in materialul initial, se elimina sub forma de produse volatile: H2O, NH3, H2S si amestecuri de hidrocarburi numite gudroane. Cele nevolatile raman in carbune, ca cenusa. Mentionam cateva varietati tehnice de carbune negru.
a. Carbunele de lemn sau mangalul se obtine prin descompunerea termica a lemnului, la temperatura relativ joasa. Carbunele de lemn este un material afanat, de densitate joasa (1.5 g/cm3), cu structura initiala a lemnului inca vizibila. Compozitia medie este: C 94%, H 0.7-1%, restul O, N si 1% cenusa. Reactivitatea chimica este mare. Punctul de aprindere este 300º; o data aprins, arde fara flacara.
b. Cocsul este produsul de carbonizare al carbunilor fosili. Se fabrica diferite sorturi de cocs, variind dupa materia prima si destinatia lor. Cocsul metalurgic, folosit pentru obtinerea fontei in furnale inalte, se fabrica din anumite specii de huile, cu un continut relativ mare de bitum, care se topeste si constituie un liant care se carbonizeaza si el. Temperatura de cocsificare este de cca. 1000º. Continutul in carbon este cca. 95%, hidrogen 1%, oxigen 3% si azot 0.5-1%. Cocsul metalurgic este un material compact (d=2 g/cm3), cenusiu, lucios, dur si rezistent la compresiune (putand suporta, fara a se pulveriza, greutatea enorma a sarjei din furnal). Este mult mai putin reactiv decat carbunele de lemn (punct de aprindere in aer cca. 700º).
c. Negrul de fum se obtine prin arderea cu aer insuficient a gudroanelor de carbuni, a unor fractiuni grele de petrol, a acetilenei sau a metanului. Deosebirea fata de alte specii de carbune negru rezida in aceea ca particulele negrului de fum iau nastere in faza gazoasa, in timp ce cocsul se formeaza in faza solida. Negrul de fum este compus din particule mici de carbune, care contin componente volatile (gudroane). Are o mare putere de acoperire si aderenta la alte materiale, in special macromoleculare. Serveste pentru fabricarea anvelopelor de automobil (care contin cca. 30% din acest produs) si a cernelii de tipar.
d. Carbunele activ. Se cunoaste de mult proprietatea carbunelui de lemn de a absorbi gaze. Absorbtia este favorizata de temperaturi joase si presiuni mari.
Un carbune activ bun se obtine prin carbonizarea cojilor samburilor de fructe, de ex. de nuca de cocos, imbibate uneori cu ZnCl2. Mai avantajoase sunt procedeele noi de activare cu gaze. Se porneste de la un carbune de lemn obisnuit, care se trateaza, in cuptoare speciale, la 800-1200º, cu gaze care reactioneaza cu carbonul, ca O2 (aer), CO2 si mai ales H2O. Acestea sapa in masa carbunelui canale inguste sau pori adanci, ceea ce are ca efect o marire enorma a suprafetei.
Carbunele activ serveste pentru a separa asa-numita gazolina (un amestec de butani, pentani si putini hexani) din gazele de sonda. Alta utilizare importanta a carbunelui activ este ca material absorbant in mastile de protectie contra gazelor toxice (masti filtrante). Carbunele absoarbe cantitati de gaze sau vapori cu atat mai mari cu cat masa moleculara a acestora este mai mare. Asa de ex. carbunele din mastile filtrante nu absoarbe oxidul de carbon, CO, si deci nu ofera protectie impotriva acestui gaz foarte toxic, dar absoarbe vapori de benzen, cloropicrina si iperita. Se mai foloseste carbune activ pentru a decolora solutii care contin impuritati colorate, cu mase moleculare mai mari decat solutul principal.
