MANAGEMENTUL MEDIULUI CARBONUL: CIRCUIT IN NATURA SI CRIZELE CLIMATICE

MANAGEMENTUL MEDIULUI

5. CARBONUL: CIRCUIT

IN NATURA SI CRIZELE CLIMATICE

Carbonul are simbolul C, element crucial al existentei organismelor si care are mai multe aplicati industriale. Numarul atomic al C este 6; elementul este in gr. a IV al sistemului periodic al elementelor.

Proprietati: Greutatea atomica a C este 12,01115. Cele 3 stari naturale ale carbonului sunt- diamantul, granitul si carbonul amortiu -ele sunt solide cu o temperatura de topire extrem de ridicata si sunt insolubile in toti solventii la temperaturi normale. Proprietatile fizice ale celor 3 tipuri de C nu prea difera din cauza diferentelor in structura cristalina. In diamant, cel mai dur material cunoscut, fiecare atom este in legatura cu alti 4 atomi intr-un schelet 3D, granitul consista in legaturi saptamanale de straturi de atomi care sunt aranjati in hexagon. C amorfiu este caracterizat de un grad scazut de cristalinitate. C amorfiu pur poate fi obtinut prin incalzirea zaharului la 900 grade in absenta aerului. C are abilitatea unica de a face legaturi cu alti atomi de C pentru a forma, lanturi si inele complexe. Aceasta proprietate duce la un numar aproape infinit de compusi ai carbonului cel mai comun element fiind cel care contine C si H2.Primii compusi ai C au fost identificati in materia vie la inceputul sec 19. La temperaturi normale C are o radioactivitate scazuta.La Temperaturi ridicate reactioneaza cu aproape toate metalele pentru a forma carburi, iar cu oxigenul formeaza monoxidul de carbon si dioxidul de carbon. De asemenea carbonul formeaza compusi cu multe elemente nemetalice desi unele ca si C tetraclorid trebuie format indirect.

Se gaseste: C nu este un element raspandit in natura desi este intr-un procent de 0,025% din 434b16e atmosfera Pamantului. Se gaseste cel mai des sub forma de carbonat. Co2 este un compus important al atmosferei si este principala sursa de carbon incorporat in materia vie . Plantele folosind fotosinteza transforma Co2 in compusi organici de carbon care este consumat de alte organisme.

C amorfiu se gaseste in grade variabile de puritate in carbuni , cox.

In 1985 oameni de stiinta au evaporat granit pentru a forma o molecula de carbon stabil format din 60 de molecule de C avand forma unei sfere. Molecula a fost numita buckminsterfullerene.

Aplicatii stintifice: Cle mai comun izotop al C este carbon-12 ; in 1961 acest izotop a fost ales pentru a inlocui izotopul oxigenului16 ca standard al greutatii atomice, si a fost data greutatea atomica 12.

Izotopul C-13 si 4 sunt folosite extensiv ca urme in cercetarile biochimice. C14 este asemenea folosit in tehnica numita datarea cu carbon radioactiv care permite gasirea varstei fosilelor si altor materi organice. C 14 este produs in continuu in atmosfera de razele cosmice si se afla in orice materie vie.Cum carbonul 14 se descompune cu jumatate de viata de 5760 de ani.

Dintre toate elementele din tabelul periodic, carbonul este cel mai remarcabil si este uneori numit baza vietii pe Pamīnt.

Īn tabelul periodic carbonul este situat īn perioada a 2-a, grupa a 4-a. Are doua straturi de electroni, pe stratul exterior (al doilea) avīnd 4 ele-ctroni. Numarul maxim de electroni pe cel de-al doilea strat (L) al unui element este opt, astfel īncīt la carbon ultimul strat nu este complet ocupat de electroni. Aceasta īnseamna ca el poate forma o varietate de legaturi covalente cu alte elemente-pīna la patru legaturi simple, una sau doua legaturi duble, sau o legatura tripla.

De exemplu, carbonul formeaza cu usurinta legaturi cu hidrogenul, oxigenul, azotul, sulful si fosforul, precum si alte elemente cunoscute sub numele de halogeni, cum sunt clorul, bromul, fluorul. Īnsa proprietile sale unice sunt datorate capacitatii sale de a forma legaturi cu o catena aproape nelimitata de alti atomi de carbon.

Organic si anorganic

Carbonul apare īn natura īn doua for- me cristaline, diamantul si grafitul. Īn

grafit, atomii de carbon sunt legati īn straturi de hexagoane. Aceste hexagoane contin doar trei din cele patru legaturi de carbon posibile, astfel exista electroni nelegati care se misca liber īn structura cristalina. Din aceasta cauza grafitul este un bun conductor de electricitate. Straturile sunt tinute laolalta doar prin forte relativ slabe. Ele pot aluneca una peste alta, astfel īncīt pulberea de grafit este un excelent lubrifiant uscat.

Pe de alta parte, la diamante toate cele patru legaturi covalente sunt folosite, iesind din fiecare atom īntr-o structura tridimensionala rigida. Datorita acestui fapt, diamantul este cea mai dura substanta naturala.

Mangalul, obtinut prin īncalzirea lemnului īn absenta aerului, este format īn cea mai mare parte din grafit, dar are o structura foarte deschisa cu o zona de suprafata mare. Carbunele contine o proportie mica de carbon liber, dar īncalzit formeaza cocsul, īn care 90% este carbon īntr-un amestec de forme moleculare.

Rcecent s-a descoperit o molecula īn forma de minge de fotbal, formata din 60 de atomi de carbon, īn anumiti produsi de combustie. S-au descoperit si alte variante: de exemplu, C70 este o molecula mai mare dar similara. Acest grup este cunoscut sub numele de fullerene.

Compusii anorganici

Compusii simpli ai carbonului cu alte elemente se īntalnesc sub multe forme. De exemplu, 0,03% din atmosfera Pamīntului le reprezinta gazul dioxid de carbon. Monoxidul de carbon apare deasemenea īn mod natural īn cantitati foarte mici, din oxidarea partiala a metanului de origine biologica.

Numerosii compusi anorganici solizi ai carbonului care apar īn stare naturala include si carbonatul de calciu. Acesta formeaza creta, acea roca moale si alba, de carbonat de magneziu formeaza de asemenea calcarul, marmura si dolomitul. (Carbonatii sunt clasificati drept compusi anorganici , desi, de exemplu , cea mai mare parte a carbonatului de calciu care apare īn natura a fost īnitial derivata din cochiliile unor vietati.)

Din punct de vedere chimic, calciul si magneziul sunt metale, iar carbonatii īn general sunt compusii unui metal cu carbon si cu oxigen. Multi apar īn forma naturala. Carburile, pe de alta parte, sunt combinatii ale carbonului cu un singur metal. Ele nu apar īn natura, dar se fabrica relative usor prin īncalzirea minereu-

rilor metalice cu cocs īntr-un furnal.

"Carburile interstitiale" sunt formate de metalele de tranzitie si de siliciu. Ele se numesc astfel pentru ca atomii de carbon ocupa interstitii īn lantul metallic. Sunt materiale foarte dure, precum carborundumul (carbu-ra de siliciu, SiC) si carbura de wolfram. Otelul īsi datoreaza duritatea prezentei carburii de fier.

Ciclul dioxidului de carbon

Dupa cum a descoperit Friedrich Wöhler(1800-1882), nu exista o bariera de netrecut īntre compusii organici si anorganici ai carbonului.

De exemplu, īn natura, plantele utilizeaza fotosinteza pentru a transforma gazul anorganic dioxid de carbon īn carbohidrati si oxigen.

Acest proces are loc ca parte a ciclului biochimic al carbonului, care este ruta parcursa de carbon īn timp ce este reciclat prin lumea naturala, inclusive prin aer, mari si prin sol, precum si prin vietati. Acest ciclu se compune din urmatorii pasi:

- fotosinteza, prin care plantele absorb dioxi-dul de carbon si elibereaza oxigen;

-respiratia, prin care animalele inspira oxigen si expira dioxid de carbon;

-descompunerea materiei vegetale si animale īn gaze, uleiuri si depuneri solide cu continut de carbon;

-descompunerea materiei vegetale si animale īn gaze, uleiuri si depuneri solide cu continut de carbon;

-dezagregarea naturala a rocilor, si dizolvarea naturala a dioxidului de carbon īn apa.

Activitatea umana a adaugat un nou process la acest ciclu: arderea combustibililor fosili. Aceasta genereaza dioxid de carbon.

Carbonul organic

Pentru chimisti, compusii organici sunt toti acei compusi ai carbonului care nu sunt oxizi, carbonati sau carburi. Prin urmare, īn timp ce toate substantele continute īn vietati sunt organice, nu toti compusii organici se gasesc de fapt īn vietati.

Īn realitate exista mii de compusi organici. Īn fiecare zi se descopera mai multi dintre cei care apar īn natura si multi altii sunt creati constant ca substante sintetice īn industrie si īn laboratoarele de cercetare.

Compusii organici care formeaza vietatile sunt la fel de variati ca si constituentii si activitatile vietii īnsasi

De exemplu, numai din enzime exista sute, fiecare dintre ele avīnd un anumit rol īn metabolizmul cellular.

Varietatea imensa a compusilor organici se datoreaza capacitatii carbonului de a forma lanturi īntinse, adesea cu ramuri sau structuri inelare.

Acestia pot sa contina de asemenea si alte elemente, īn special oxigen, azot,si sulf. Inelele pot sa contina orice numar de atomi, de la trei pīna la sapte sau mai multi. Lanturile sau inelile pot fi "saturate adica, cu toate legaturile valentelor de carbon atasate la alti atomi) sau "nesaturate" (cu una sau mai multe legaturi duble sau triple īntre atomii de carbon adiacenti).

Raspandirea in natura.Carbonul este unul dintre elementele cele mai raspandite in natura,desi formeaza numai 0,08% din litosfera.El este un component atat al lumii minerale,cat si al lumii organice.

Carbonul din natura are compozitia izotopica:98,89%­­  ¹²C; 1,11% ¹³C.Izotopul ¹⁴C care mai apare si el in natura;este un rezultat al interactiunii razelor cosmice cu ¹⁴N,din reactia nucleara:¹⁴N(n p) ¹⁴C.Formarea lui in atmosfera si absortia­ CO‍2 de catre organisme vii sta la baza obtinerii de date cu privire la stabilirea varstei unor substante din natura.

In lumea minerala carbonul apare indeosebi sub forma de carbonate.

In aerul atmosferic carbonul se gaseste sub forma de dioxid de carbon,CO2,insa in concentratii mici(in medie 0,03%).

Importanta cea mai mare o are insa carbonul in lumea organica;nu exista organism vegetal sau animal care sa nu contina carbon.De aceea,in trecut,chimia organica a fost definita ca o chimie a carbonului.

In natura se poate urmari o circulatie a carbonului care conditioneaza existenta atat a lumii vegetale cat si a lumii animale.In acest circuit,un rol important ii revine dioxidului de carbon.

Dioxidul de carbon din atmosfera este sursa din care plantele isi sintetizeaza substanta lor.Asimilatia dioxidului de carbon in plante este un proces fotochimic,foarte complex care poate fi formulat,global ,astfel:

CO2 + H2O→(CH2O) + O2

In acest caz (CH2O) reprezinta un hidrat de carbon ipotetic (si nu formaldehida),tinand seama ca in procesul de fotosinteza rezulta amidonul,un compus macromolecular provenit din glucoza ,C6H12O6.

Asimilatia dioxidului de carbon in plante este o reactie endoterma;energia necesara furnizata de energia solara este transmisa sistemului chimic prin intermediul clorofilei din plante.

Plantele servesc drep hrana animalelor.Prin respiratia plantelor si animalelor,o parte din CO2 din atmosfera este in continua regenerare.La acesta mai contribuie si dioxidul de carbon provenit din putrezirea cadavrelor si plantelor.O alta sursa de alimentare a mediului cu CO2 o reprezinta arderile de combustibili.

Desigur in curs de secole si milenii ,o parte din CO2 a fost scos din circulatie,ca urmare a formarii,in mari si oceane,a zacamintelor de carbonat de calciu din resturi (schelete,cochilii,etc.) de animale moarte.

Carbonul sa gaseste in natura si in stare elementara,si anume sub forma celor doua stari alotropice:diamantul si grafitul,cum si sub forma diferitelor varietati de carbuni de pamant.

Proprietati chimice ale carbonului.Carbonul este relativ rezistent din punct de vedere chimic:reactivitatea lui depinde mult de starea lui de diviziune si de modificatia alotropica sub care se gaseste.

Carbonul se combina direct numai cu unele componente.Astfel se combina cu hidrogenul la temperatura arcului electric si formeaza hidrocarburi ,in special acetilena.In oxigen arde cu formare de oxizi de carbon:conditiile de oxidare sunt diferite,dupa modificatia in care se gaseste carbonul (carbune,grafit,diamant).Cu sulful se combina la cald,formand sulfura de carbon,CS .Cu azotul se combina numai simultan cu hidrogenul,formand acidul cianhidric,HCN.Cu metalele formeaza carburi.

Din cauza marii afinitati pentru oxigen,carbonul se comporta ca un reducator fata de mai multe substante compuse.De exemplu,reduce acidul sulfuric concentrat dand un amestec de dioxid de carbon si dioxid de sulf.Datorita proprietatii lui de a reduce un mare numar de oxizi de metale,carbonul are o larga intrebuintare in metalurgie pentru obtinerea unor metale ,in special a fontei.

Combinatiile carbonului.Numarul combinatiilor carbonului este imens;in combinatiile sale carbonul este in general tetracovalent.

Elementul cu care carbonul se leaga cel mai frecvent este hidrogenul.Combinatiile carbonului cu hidrogenul se numesc hidrocarburi.Spre deosebire de hidrurile altor elemente , ca de exemplu HCl sau NaH,la care polaritatea legaturii este mare,legaturile C-H in hidrocarburi sunt nepolare.

Din cauza proprietatii carbonului de a se combina concomitent cu elemente electropozitive si elemente electronegative,el formeaza combinatii derivate din hidrocarburi prin inlocuirea atomilor de hidrogen cu atomi ai altor elemente ,indeosebi cu atomi cu caracter electronegativ.De asemenea exista multe combinatii ale carbonului,tot derivate cu hidrocarburi , prin inlocuirea atomilor de hidrogen cu grupe de atomi cu functiuni specifice (alcooli,alheide,acizi,etc.).

Studiul hidrocarburilor si al derivatilor sai formeaza obiectul chimiei organice.