C

Proprietati generale

Nume, Simbol, Număr Carbon, C, 6

Serie chimică Nemetale

Grupă, Perioadă 14, 2

Densitate 2267 kg/m³

Culoare Negru

Proprietăți fizice

Fază ordinară solid

Punct de topire 3500 °C

Punct de fierbere 4826,9 °C

Energie de fuziune n/a kJ/mol

Energie de evaporare 355,8 kJ/mol

Temperatură critică K

Volum molar 5,29×10-6 m³/kmol

Viteza sunetului 18.350 m/s la 20 °C

Proprietăți atomice

Masă atomică 12,0107 u

Rază atomică 70 (67) pm

Rază de covalență 77 pm

Rază van der Waals 150 pm

Configurație electronică [He] 2s2 2p2

Electroni pe nivelul de energie 2, 4

Număr de oxidare -4, 0, +2, +4

Oxid acid slab

Structură cristalină hexagonală

Carbonul a fost descoperit în preistorie și era cunoscut anticilor, care îl preparau prin arderea materialului organic în spații fără mult oxigen (creând cărbune). Diamantele au fost întotdeauna considerate rare și frumoase. Unul dintre ultimii alotropi ai carbonului, fulerenul, a fost descoperit ca produs secundar în experimente din anii 1980.Numele său vine din frantuzescul charbone, care, la rândul său, vine din latinescul carbo, însemnând carbune.

Istorie si etimologie

Carbonul este un element remarcabil din mai multe motive. Printre formele sale diferite se numără una dintre cele mai moi (grafit) și una dintre cele mai dure (diamant) dintre substanțele cunoscute. Mai mult, are o capacitate deosebită de a forma legături chimice cu alți atomi mici, incluzând atomii de carbon, iar mărimea sa îl face capabil de a forma legături multiple. Datorită acestor proprietăți, carbonul poate forma aproape zece milioane de compuși chimici diferiți. Compușii de carbon reprezintă baza vieții pe Pământ și ciclul carbon-azot produce o parte din energia radiată de Soare și de alte stele. În plus, carbonul are cele mai înalte puncte de topire/sublimare dintre toate elementele. La presiunea atmosferică nu are punct de topire deoarece punctul său triplu este la 10 MPa . Astfel, el rămâne solid la temperaturi mai înalte decât cele mai mari puncte de topire ale metalelor, precum wolframul sau reniul, indiferent de forma sa alotropică.Carbonul nu a fost creat în timpul Big Bang-ului, deoarece are nevoie de producerea unei coliziuni triple de particule alfa . Universul s-a extins inițial și apoi s-a răcit prea repede pentru ca acest lucru să fie posibil. Oricum, este produs în interiorul stelelor în ramura orizontală, unde un nucleu de heliu este transformat în carbon prin procesul triplu-alfa. A fost de asemenea creat în stări multi-atomice.

Cel mai cunoscut și important oxid al carbonului este dioxidul de carbon, CO2. Este o componentă minoră a atmosferei Pământului, produs și folosit de toate ființele vii, și un compus volatil în altă parte. În apă formează urme de acid formic, HCO2H, dar ca majoritatea compușilor cu mai mulți atomi de oxigen la un singur carbon este instabil.Prin acest intermediar, sunt produși ioni carbonați. Unele minerale importante sunt carbonații, precum calcitul.Alți oxizi sunt monoxidul de carbon, CO, și neobișnuitul suboxid de carbon, C3O2. Monoxidul de carbon se formează prin combustie incompletă și este un gaz incolor și inodor. Fiecare moleculă conține o legătură triplă, care este foarte puțin polară, rezultând tendința de a se atașa permanent de moleculele de hemoglobină, deci gazul este foarte otrăvitor.Cianura, CN-, are o structură similară și se comportă ca un ion halid; (CN)2, este înrudităcu metalele reactive, precum wolframul, carbonul formează fie carburi, C-, fie acetilide, C2

2-, aliaje cu puncte de topire foarte înalte. Cu o electronegativitate de 2,5, carbonul formează de obicei legături covalente. Unele carburi au matrice covalente, de exemplu carborundul, SiC, care seamănă cu diamantul.

Carbonul are capacitatea de a forma lanțuri lungi cu legături C-C. Această proprietate se numește concatenare. Legăturile carbon-carbon sunt destul de puternice și anormal de stabile. Această caracteristică este importantă deoarece permite carbonului să formeze un număr foarte mare de compuși; de fapt, există mai mulți compuși chimici care conțin carbon decât toți compușii celorlaltor elemente chimice la un loc.Cea mai simplă formă de moleculă organică este hidrocarbura - o familie mare de molecule organice care, prin definiție, sunt compuși din atomi de hidrogen legați de un lanț de atomi de carbon. Lungimea catenei, catenele laterale (ramificații) și grupele funcționale influențează proprietățile moleculelor organice.

Carbonul este în general sigur. Inhalarea de funingine în cantități mari poate fi periculoasă. Carbonul poate lua foc la temperaturi înalte și poate arde puternic (ca în accidentul nuclear din Windscale, Marea Britanie, pe 10 octombrie 1957)Există numeroși compuși chimici pe bază de carbon; unii sunt letali (cianurile, CN-), iar alții sunt esențiali vieții (glucoză).

Cărbunele este o rocă sedimentară de culoare brun - neagră cu proprietăți combustibile formată prin (carbonizare) îmbogățirea în carbon (în condițiile lipsei oxigenului) a resturilor unor plante din epocile geologice. Procesul de incarbonizare a plantelor preistorice s-a produs cu milioane de ani în urmă, prin două procese mai importante:faza biochimică produsă de bacterii și ciuperci care transformă celuloza și lignina din plante;faza geochimică, faza propriu zisă de incarbonizare, care se produce la temperaturi și presiuni ridicate formându-se într-un timp îndelungat huila și antracitul. Acest proces are ca rezultat o îmbogățire de peste 50 % din volum în carbon.Datorită energiei termice ridicate degajate prin ardere huila mai poartă numele de aurul negru.

În tehnică, compoziția cărbunilor se exprimă parțial în elemente chimice, carbon (C), hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) și sulf (S), parțial în substanțe ca masa minerală (A - de:Asche, en:ash) și umiditatea (W - de:Wasser, en:water).Compoziția se poate exprima ca:masă organică, care conține C, H, N, O și S din combinațiile organice;masă combustibilă (en:DAF - dry, ash free), care conține și S din combinațiile minerale (pirite), care arde și el, adică tot ce arde - ceea ce nu arde (masa minerală plus umiditatea) este balastul;masă anhidră, care conține și masa minerală, adică tot, mai puțin apa;masa uscată la aer (masa pentru analiză), care conține și umiditatea de constituție și cea higroscopică, compoziție folosită în determinările de laborator, fiind stabilă;masa inițială (en:raw), care conține și umiditatea de îmbibație, adică compoziția cărbunelui introdus în focare.În timpul încălzirii, din cărbune se degajă gaze combustibile, numite materii volatile. Cu cât se degajă mai multe materii volatile, cu atât cărbunele se aprinde mai ușor.Prin aprindere și ardere cărbunele degajă căldură. Cantitatea de căldură eliberată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil (aici cărbune) este puterea calorifică (sau căldura de ardere) a combustibilului, care în SI se exprimă în MJ/kg. În practică, utilă este puterea calorifică inferioară (Qi).

COMPOZITIE

Turba este cel mai tânăr cărbune, din Neogen, formându-se și astăzi. Conține 52 - 62 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă foarte multe materii volatile. În momentul extracției ea conține 75 - 80 % umiditate, ca urmare trebuie uscată, stare în care are o putere calorifică de 12 - 20 MJ/kg. Turba uscată și brichetată se folosește drept combustibil casnic. De asemenea, ea se poate folosi ca material filtrant sau ca îngrășământ

Turba

Cărbunele brun este un cărbune mai vechi, din Paleogen. Conține 60 - 78 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă multe materii volatile. În momentul extracției conține 30 - 45 % umiditate. Are o putere calorifică de 6 - 18 MJ/kg (uzual 7 - 9 MJ/kg). Este mult folosit, în special lignitul, care se găsește în cantități mari, de exemplu în România în bazinul Olteniei, în scopuri energetice, fiind combustibilul clasic în termocentralele pe bază de cărbune.

Cărbunele brun huilos este un cărbune specific României, are aspect de huilă, însă putere calorifică sub 20 MJ/kg, ca urmare nu poate fi considerat huilă. Este folosit în scopuri energetice.Huila este un cărbune vechi, datând din Cretacic și Jurasic. Conține 75 - 92 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă suficiente materii volatile pentru aprindere. În momentul extracției conține 1 - 5 % umiditate. Are o putere calorifică de 20 - 29 MJ/kg. Este cel mai prețios cărbune. Huilele cu flacără lungă (numele vine de la durata degajării volatilelor, care ard cu flacără vizibilă) și de gaz (numele vine tot de la cantitatea volatilelor) nu cocsifică, ca urmare se folosesc în scopuri energetice. Huila de cocs și parțial cea grasă (în amestec cu cea de cocs) cocsifică, ca urmare este folosită la producerea cocsului, valorificare mult mai valoroasă decât prin ardere. Huilele slabă și antracitoasă au puține volatile, sunt greu de ars.

Carbunele brun huilos si huila

Antracitul este cel mai vechi cărbune, datând din Jurasic. Conține 92 - 98 % carbon în masa combustibilă, dar aproape deloc materii volatile, ceea ce îl face foarte dificil de aprins. Aprinderea trebuie făcută cu un combustibil de suport, care să-l aducă la temperatura de 800 °C, temperatura de aprindere a carbonului. În momentul extracției conține 3 - 12 % umiditate. Are o putere calorifică de 20 - 25 MJ/kg. Datorită aprinderii dificile este puțin folosit în energetică, fiind folosit în industria chimică la producerea electrozilor.În concluzie, cărbunele se folosește:Drept combustibil, atât casnic, cât și în producerea de curent electric produs cu ajutorul turbinelor din termocentrale. Prin ardere cărbunele eliberează căldură și produce gaze de ardere ca dioxid de carbon, dioxid de sulf și vapori de apă. In anul 2003 24,4 % din energia primară produsă pe glob și 40,1 % din energia electrică era produsă pe bază de cărbune, cu ponderea însemnată a huilei și lignitului. Termocentralele moderne au redus substanțial emisiile de gaze nocive rezultate din arderea cărbunilor.Ca materie primă în industria chimică și în metalurgie.

Lignitul este un cărbune natural de calitate inferioară, de culoare brună-negricioasă și foarte fărâmicios. Nu este rezistent.Spre a fi utilizat drept combustibil, lignitul poate fi prezentat sub formă de brichete. Datorită prezenței acizilor humici, care pot favoriza legarea componenților, se evită introducerea suplimentară în șarjele de brichetare a unor lianți, utilizați în mod curent pentru îmbunătățirea caracteristicilor fizicomecanice ale brichetelor obținute prin presare. În Europa, lignitul este clasificat după perioada sa de formare: lignit vechi (lignitul de Provence)lignit recent (lignit, altul decât cel de Provence)La utilizarea lignitului în cazane de termoficare, pentru a se asigura debitul nominal al cazanului, trebuie ce puterea calorifică inferioară a cărbunelui să fie Q = 1350 - 1800 Kcal/ Kg

Lignitul

Eleva Stan AmaliaCls. a VIII-a BScoala nr. 1

1 Decembrie