自然界の炭素：場所、特性、用途 - ジオグラフィア - 2025

自然界の炭素は、他の多くのシナリオの中でも、ダイヤモンド、オイル、グラファイトに含まれています。この化学元素は周期表の6番目の位置を占め、水平行または周期2と列14に配置されています。これは非金属で4価です。つまり、4つの共有電子化学結合または共有結合を確立できます。

炭素は地球の地殻で最も豊富な元素です。この豊富さ、有機化合物の形成におけるその独特の多様性、および地球上で一般的に見られる温度で高分子またはポリマーを形成するその卓越した能力により、すべての既知の生命体の共通要素として機能します。

図1.ミネラル形態の炭素。出典：Rdamian1234、Wikimedia Commons

炭素は、グラファイトとダイヤモンドの形で結合することなく、自然界に化学元素として存在します。しかしながら、ほとんどの場合、それは組み合わされて、石油および天然ガス中の炭酸カルシウム（CaCO ₃）および他の化合物などの炭素化合物を形成する。

無煙炭、石炭、亜炭、泥炭などのさまざまな鉱物も形成します。炭素の最大の重要性は、いわゆる「生命のビルディングブロック」を構成し、すべての生物に存在することです。

炭素はどこでどのような形で見つかりますか？

自然界の炭素は、あらゆる形態の生命に共通する化学元素であることに加えて、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレンの3つの結晶形で存在します。

石炭にはいくつかのアモルファス鉱物形態（無煙炭、褐炭、石炭、泥炭）、液体形態（油の種類）、気体（天然ガス）もあります。

結晶形

結晶形では、炭素原子が結合して、幾何学的な空間配置を持つ規則的なパターンを形成します。

黒鉛

それは金属光沢または耐熱性（耐熱性）を備えた柔らかな黒い固体です。その結晶構造は、六角形のリングで結合された炭素原子を示し、次に、シートを形成する結合します。

黒鉛鉱床はまれであり、中国、インド、ブラジル、北朝鮮、カナダで発見されています。

ダイヤモンド

それは非常に硬い固体で、光の通過に対して透明で、グラファイトよりもはるかに密度が高くなります。ダイヤモンドの密度の値は、グラファイトの密度のほぼ2倍です。

ダイヤモンドの炭素原子は、四面体形状で結合されています。同様に、ダイヤモンドは非常に高い温度と圧力（3,000 ^° Cと100,000 atm）の条件にさらされたグラファイトから形成されます。

ほとんどのダイヤモンドは、マントルの深さ140〜190 kmの間にあります。マグマは深い火山噴火を通して、地表近くの距離までそれらを輸送することができます。

アフリカ（ナミビア、ガーナ、コンゴ民主共和国、シエラレオネ、南アフリカ）、アメリカ（ブラジル、コロンビア、ベネズエラ、ガイアナ、ペルー）、オセアニア（オーストラリア）およびアジア（インド）にダイヤモンド鉱床があります。

図3.石炭とダイヤモンド。出典：Wikimedia CommonsのXAVI999。

フラーレン

それらは、サッカーボールと同様に、ほぼ球形の分子内に60と70の炭素原子のクラスターを形成する炭素の分子形態です。

20個の炭素原子の小さなフラーレンもあります。フラーレンのいくつかの形態には、カーボンナノチューブやカーボンファイバーが含まれます。

図4.フラーレン。IMeowbot、Wikimedia Commons経由

アモルファスフォーム

アモルファス形態では、炭素原子は結合せず、規則正しい規則的な結晶構造を構成します。代わりに、他の元素の不純物も含まれています。

無煙炭

それは、その形成が第一紀または古生代、石炭紀の時代にさかのぼるので、それは最も古い変成鉱物石炭（温度、圧力または流体の化学作用の影響による岩の変化から来ます）です。

無煙炭は、この元素の含有量が最も高いアモルファス形態の炭素で、86〜95％です。メタリックな光沢のあるグレーブラックで、重くコンパクトです。

無煙炭は一般に地質学的変形帯に見られ、世界の石炭埋蔵量の約1％を占めています。

地理的にはカナダ、アメリカ、南アフリカ、フランス、イギリス、ドイツ、ロシア、中国、オーストラリア、コロンビアで発見されています。

図5.無煙炭、最も炭素含有量が多い最古の石炭。Wikimedia CommonsのEducerva

石炭

それは鉱物起源の石炭であり、有機起源の堆積岩であり、その形成は古生代と中生代の時代にさかのぼります。炭素含有量は75〜85％です。

アスファルト含有量が高いため、黒色で、不透明で、つややかでベトベトした外観を特徴とします。これは、古生代、石炭紀およびペルム紀の亜炭の圧縮によって形成されます。

地球上で最も豊富な炭素の形態です。アメリカ、イギリス、ドイツ、ロシア、中国には大きな石炭鉱床があります。

亜炭

これは、第三紀に泥炭から圧縮（高圧）によって形成された鉱物化石石炭です。石炭よりも炭素含有量が低く、70〜80％です。

ややコンパクトな素材で、もろく（他のカーボンミネラルとは異なる特徴）、茶色または黒です。その質感は木材の質感に似ており、その炭素含有量は60〜75％です。

発火しやすく、発熱量が少なく、泥炭よりも含水率が低い燃料です。

ドイツ、ロシア、チェコ共和国、イタリア（ベネト、トスカーナ、ウンブリア地域）およびサルデーニャには重要な褐炭鉱山があります。スペインでは、褐炭鉱床はアストゥリアス、アンドラ、サラゴサ、ラコルーニャにあります。

泥炭

それは有機起源の材料であり、その形成は第四紀から来ており、以前の石炭よりもはるかに新しいものです。

それは茶色がかった黄色で、低密度の海綿状の塊の形で現れます。その中には、植物が元の場所から残っていることがわかります。

上記の石炭とは異なり、泥炭は木質材料や木材の炭化プロセスから発生するのではなく、完了していない炭化プロセスを通じて湿地地域に植物（主に草やコケ）が蓄積することによって形成されました。 。

泥炭は水分を多く含んでいます。このため、使用前に乾燥と圧縮が必要です。

炭素含有量が低い（たった55％）。したがって、エネルギー値が低くなります。燃焼すると灰分が多く煙が多く出ます。

チリ、アルゼンチン（ティエラデルフエゴ）、スペイン（エスピノサデセラート、パレンシア）、ドイツ、デンマーク、オランダ、ロシア、フランスに泥炭の重要な堆積物があります。

図6.泥炭貯留層。クリスチャン・フィッシャー、ウィキメディア・コモンズ出身

石油、天然ガス、ビチューメン

石油（「石」を意味するラテン語ペトラから、および「油」：「ロックオイル」を意味するオレウムから）は、多くの有機化合物の混合物であり、それらのほとんどは炭化水素です-嫌気性細菌分解（非存在下）酸素）の有機物。

それは、何百万年もかかったプロセスで、物理的に（高圧と高温）と化学的（特定の触媒化合物の存在）の両方の特別な条件下で、深部の土壌で形成されました。

このプロセスの間に、CとHは有機組織から放出されて結合し、再び結合して、天然ガス、石油、ビチューメンを形成する、それらの特性に従って混合する膨大な数の炭化水素を形成しました。

世界の油田は主にベネズエラ、サウジアラビア、イラク、イラン、クウェート、アラブ首長国連邦、ロシア、リビア、ナイジェリア、カナダにあります。

ロシア、イラン、ベネズエラ、カタール、米国、サウジアラビア、アラブ首長国連邦などに天然ガスが埋蔵されています。

物理的及び化学的性質

炭素の特性には、次のようなものがあります。

化学記号

C.

原子番号

6。

体調

通常の圧力および温度条件（1気圧、25 ^° C）で固体。

色

灰色（グラファイト）および透明（ダイヤモンド）。

原子質量

12.011 g / mol。

融点

500 ^° C

沸点

827 ^° C

密度

2.62 g / cm ³。

溶解度

水に不溶、CCl ₄四塩化炭素に可溶。

電子構成

1s ² 2s ² 2p ²。

外殻または価電子殻内の電子の数

四。

リンク容量

四。

カテネーション

それは長い鎖で化合物を形成する能力を持っています。

生物地球化学サイクル

炭素循環は循環する地球化学プロセスであり、それを介して炭素が地球の生物圏、大気、水圏、およびリソスフェアの間で交換されます。

地球上の炭素のこの循環プロセスの知識により、このサイクルでの人間の行動と地球規模の気候変動への影響を実証することが可能になります。

炭素は、海洋と他の水域の間、およびリソスフェアの間、土壌と下層土の間、大気中、および生物圏の中で循環できます。大気や水圏では、炭素はCO ₂（二酸化炭素）として気体の形で存在します。

光合成

大気中の炭素は、生態系内の陸上および水生生産生物（光合成生物）によって捕捉されます。

光合成は、太陽エネルギーと植物からのクロロフィルを介して、CO ₂と水の間で化学反応を起こし、炭水化物または糖を生成します。このプロセスは、CO ₂、H ₂ Oおよび酸素O _2の低エネルギー含有量を持つ単純な分子を、糖である複雑な高エネルギー分子形態に変換します。

光合成ができず、生態系の消費者である従属栄養生物は、生産者や他の消費者を食べて炭素とエネルギーを得ます。

呼吸と分解

呼吸と分解は、CO ₂またはCH ₄（嫌気性分解で生成されるメタン、つまり酸素がない場合）の形で環境に炭素を放出する生物学的プロセスです。

地質学的プロセス

地質学的プロセスを通じて、また時間の経過の結果として、嫌気性分解からの炭素は、石油、天然ガス、石炭などの化石燃料に変換されます。同様に、炭素は他の鉱物や岩石の一部でもあります。

人間活動の干渉

人間が化石燃料の燃焼にエネルギーを使用する場合、炭素は、自然の生物地球化学的炭素循環では吸収できない大量のCO _2の形で大気中に戻ります。

人間の活動によって生成されるこの過剰なCO ₂は、炭素循環のバランスに悪影響を及ぼし、地球温暖化の主な原因です。

図2.炭素の生物地球化学サイクル。Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg：en.wikipediaのユーザーKevin Saff派生的著作物：FischX翻訳：TomásClarke、Wikimedia Commons経由

用途

炭素とその化合物の用途は非常に多様です。以下で最も目立つ：

石油と天然ガス

炭素の主な経済的使用は、メタンガスや石油などの化石燃料炭化水素としての使用に代表されます。

石油は製油所で蒸留され、ガソリン、ディーゼル、灯油、アスファルト、潤滑剤、溶剤などの複数の誘導体が得られます。これらは、プラスチック、肥料、薬品、塗料産業の原料を生産する石油化学産業で使用されます。 、とりわけ。

黒鉛

グラファイトは、次のアクションで使用されます。

-それは粘土と混合された鉛筆の製造に使用されます。

-耐火レンガとるつぼの精巧化の一部であり、耐熱性があります。

-ワッシャー、ベアリング、ピストン、シールなどのさまざまな機械装置。

・優れた固形潤滑剤です。

-電気伝導性と化学的不活性のため、電極、電気モーター用カーボンの製造に使用されます。

・原子力発電所の減速材として使用されています。

ダイヤモンド

ダイヤモンドは、これまでに知られている最高度の硬度や熱伝導率など、特に優れた物理特性を持っています。

これらの特性により、研磨性が高いため、カットの作成に使用する工具や研磨用の器具での産業用途が可能になります。

透明性、白色光や屈折光を分解する能力などの光学特性により、レンズやプリズムの製造など、光学機器に多くの用途が提供されます。

また、その光学特性に由来する特徴的な光沢は、ジュエリー業界でも高く評価されています。

無煙炭

無煙炭は着火しにくく、ゆっくり燃焼し、大量の酸素を必要とします。その燃焼はわずかな淡い青色の炎を生成し、大量の熱を放出します。

数年前、無煙炭は熱電プラントや家庭用暖房に使用されていました。その使用には、灰やほこりがほとんど発生しない、煙が少ない、燃焼プロセスが遅いなどの利点があります。

その高い経済的コストとその希少性のために、無煙炭は熱電プラントでは天然ガスに、家庭では電気に置き換えられています。

石炭

石炭は、以下を取得するための原料として使用されます。

-コークス、製鉄所の高炉からの燃料。

-石炭からタールの留出物を混合することによって得られ、風雨にさらされた木材の保護シーラントとして使用されるクレオソート。

-石炭から抽出され、消毒剤および防腐剤として使用されるクレゾール（化学的にメチルフェノール）、

-ガス、タール、ピッチなどのその他の誘導体、香水、殺虫剤、プラスチック、塗料、タイヤ、道路舗装などの製造に使用される化合物。

亜炭

亜炭は中品質の燃料です。亜炭の一種であるジェットは、長時間の炭化プロセスと高圧により非常にコンパクトであることを特徴とし、宝石や装飾品に使用されます。

泥炭

泥炭は次の活動で使用されます。

-植物種の成長、サポート、輸送のため。

-有機堆肥として。

-厩舎の動物用ベッドとして。

-低品質の燃料として。

参考文献

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