💎

Ο Άνθρακας

Θέση στον περιοδικό πίνακα, διαμάντι και γραφίτης, γαιάνθρακες, τεχνητοί άνθρακες και προσροφητική ικανότητα

Τι κοινό έχουν ένα διαμάντι και η μύτη του μολυβιού σου;

Είναι το ίδιο στοιχείο: καθαρός άνθρακας. Το ένα είναι το σκληρότερο φυσικό υλικό, το άλλο τόσο μαλακό που αφήνει γραμμή στο χαρτί. Και τα κάρβουνα της ψησταριάς, και το φίλτρο της κουζίνας είναι επίσης άνθρακας. Πώς ένα στοιχείο έχει τόσα «πρόσωπα»;

Ο άνθρακας γενικά

Ο άνθρακας είναι το πρώτο στοιχείο της 14ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Στη φύση βρίσκεται:

ελεύθερος, ως γαιάνθρακες, διαμάντι και γραφίτης (φυσικοί άνθρακες),
σε ενώσεις: κυρίως ανθρακικά άλατα (π.χ. ανθρακικό ασβέστιο $CaCO_3$ ) και οξείδια ( $CO$ , $CO_2$ ),
στους οργανισμούς (πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια, DNA) και στα προϊόντα της αποσύνθεσής τους (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, βιοαέριο).

Φυσικοί άνθρακες

Διαμάντι και γραφίτης

Διαμάντι: καθαρός άνθρακας, σκληρότητα 10 στην κλίμακα Mohs — πολύτιμος λίθος, κοπή γυαλιού, διάτρηση σκληρών πετρωμάτων. Κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερα γειτονικά άτομα άνθρακα.
Γραφίτης: πολύ μαλακός (0,5–1,5 Mohs) και καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας — ηλεκτρόδια, μολύβια, πυρηνικοί αντιδραστήρες. Τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν κανονικά εξάγωνα σε στρώματα.

Οι διαφορές τους οφείλονται στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο συνδέονται τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους.

Γαιάνθρακες

Σχηματίστηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια από φυτική ύλη που καταπλακώθηκε και απανθρακώθηκε με υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, χωρίς αέρα. Ανάλογα με την ηλικία τους:

ανθρακίτης: 90% άνθρακας, 8000–9000 kcal/kg
λιθάνθρακας: 75–90%, 7000–8000 kcal/kg
λιγνίτης: 65–75%, 6000–7000 kcal/kg
τύρφη: έως 65%, 5000–5500 kcal/kg

Όσο περισσότερος καθαρός άνθρακας, τόσο μεγαλύτερη θερμαντική αξία.

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί το διαμάντι και ο γραφίτης έχουν τόσο διαφορετικές ιδιότητες, αφού είναι και τα δύο άνθρακας;

Τεχνητοί άνθρακες

Για τις ανάγκες της βιομηχανίας παρασκευάζονται τεχνητοί άνθρακες:

Κοκ → μεταλλουργία.
Ξυλάνθρακας (ξυλοκάρβουνα) → καύσιμο.
Ενεργός άνθρακας: από απανθράκωση σκληρών ξύλων, με μεγάλη προσροφητική ικανότητα — «κρατά» στην επιφάνειά του χρωστικές, οσμές και αέρια. Χρησιμοποιείται για την αποχρωμάτιση της ζάχαρης, την επεξεργασία του πόσιμου νερού, τα φίλτρα αντιασφυξιογόνων μασκών και τις φριτέζες (συγκράτηση οσμών).
Ζωικός άνθρακας: από απανθράκωση ζωικών υπολειμμάτων (κόκαλα, αίμα), επίσης με μεγάλη προσροφητική ικανότητα.
Αιθάλη (φούμο) → μελάνια, χρώματα.

Στο εργαστήριο: αν ανακινήσεις ένα έγχρωμο διάλυμα με ενεργό άνθρακα και το διηθήσεις, το διήθημα βγαίνει άχρωμο — οι χρωστικές «κόλλησαν» στον άνθρακα.

Μέθοδος: ποιος άνθρακας για ποια δουλειά;

Χρειάζεσαι σκληρότητα → διαμάντι.
Χρειάζεσαι αγωγιμότητα ή μαλακό υλικό που «γράφει» → γραφίτης.
Χρειάζεσαι θερμότητα → γαιάνθρακες ή ξυλάνθρακας· περισσότερος καθαρός άνθρακας = περισσότερη θερμότητα ανά kg.
Θέλεις να απομακρύνεις χρώματα, οσμές, αέρια → ενεργός (ή ζωικός) άνθρακας (προσρόφηση).
Θερμότητα από καύσιμο: $Q =$ θερμαντική αξία $\cdot$ μάζα.

Παράδειγμα — ποιος άνθρακας;

Κοπή τζαμιών → διαμάντι (σκληρότητα 10).
Ηλεκτρόδια μπαταρίας → γραφίτης (αγωγός).
Φίλτρο νερού βρύσης για οσμές → ενεργός άνθρακας.
Ψησταριά → ξυλάνθρακας.
Μαύρο μελάνι → αιθάλη.

Παράδειγμα — θερμότητα από κάρβουνο: Πόση θερμότητα δίνουν $10\ \text{kg}$ λιγνίτη με θερμαντική αξία $6500\ \text{kcal/kg}$ και πόση $10\ \text{kg}$ ανθρακίτη με $8500\ \text{kcal/kg}$ ;

Λύση: Λιγνίτης: $10 \cdot 6500 = 65\,000\ \text{kcal}$ . Ανθρακίτης: $10 \cdot 8500 = 85\,000\ \text{kcal}$ .

Απάντηση: ο ανθρακίτης δίνει $20\,000\ \text{kcal}$ περισσότερα, γιατί έχει περισσότερο καθαρό άνθρακα.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: Ερωτήσεις για τον άνθρακα.

Ζητούμενα: (α) Σε ποια ομάδα ανήκει; (β) Ποια είναι τα είδη των φυσικών ανθράκων; (γ) Πώς σχηματίστηκαν οι γαιάνθρακες; (δ) Τρία είδη τεχνητών ανθράκων με μια χρήση το καθένα.

Λύση:

(α) Στη 14η ομάδα (είναι το πρώτο της στοιχείο).

(β) Γαιάνθρακες (ανθρακίτης, λιθάνθρακας, λιγνίτης, τύρφη), διαμάντι, γραφίτης.

(γ) Από φυτική ύλη που καταπλακώθηκε από χώματα και απανθρακώθηκε με υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις χωρίς αέρα, πριν από εκατομμύρια χρόνια.

(δ) Κοκ → μεταλλουργία· ενεργός άνθρακας → φίλτρα μασκών και νερού· αιθάλη → μελάνια.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ποια ιδιότητα του ενεργού άνθρακα αξιοποιείται στα φίλτρα των αντιασφυξιογόνων μασκών;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος γαιάνθρακας έχει τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε άνθρακα και θερμαντική αξία;

Κόλπο μνήμης

Οι γαιάνθρακες από τον «καλύτερο» στον «φτωχότερο»: Α-Λ-Λ-Τ — Ανθρακίτης, Λιθάνθρακας, Λιγνίτης, Τύρφη. Και ο ενεργός άνθρακας είναι σαν σφουγγάρι για μόρια: δεν τα διαλύει, τα «κολλάει» πάνω του.

Ήξερες ότι;

Το 1985 ανακαλύφθηκε μια τρίτη μορφή καθαρού άνθρακα, το φουλερένιο $C_{60}$ : 60 άτομα άνθρακα σε σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Πήρε το όνομά του από τον αρχιτέκτονα Buckminster Fuller, και οι ανακαλυπτές του τιμήθηκαν με το Νόμπελ Χημείας 1996.

Πρόκληση

Ένα εργοστάσιο θέλει να αντικαταστήσει $100\ \text{kg}$ ανθρακίτη (θερμαντική αξία $8500\ \text{kcal/kg}$ ) με λιγνίτη ( $6500\ \text{kcal/kg}$ ). (α) Πόσα kg λιγνίτη χρειάζονται για την ίδια θερμότητα; (β) Αν ο ανθρακίτης έχει 90% άνθρακα και ο λιγνίτης 70%, πόσα kg καθαρού άνθρακα καίγονται σε κάθε περίπτωση; (γ) Τι συμπεραίνεις για τα καυσαέρια;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Θερμότητα: $100 \cdot 8500 = 850\,000\ \text{kcal}$ . Λιγνίτης: $\dfrac{850\,000}{6500} \approx 130{,}8\ \text{kg}$ .

(β) Ανθρακίτης: $\dfrac{90}{100} \cdot 100 = 90\ \text{kg}$ άνθρακα. Λιγνίτης: $\dfrac{70}{100} \cdot 130{,}8 \approx 91{,}5\ \text{kg}$ άνθρακα.

(γ) Για την ίδια θερμότητα καίγεται λίγο περισσότερος άνθρακας με τον λιγνίτη (άρα λίγο περισσότερο $CO_2$ ) και πολύ μεγαλύτερη μάζα καυσίμου — περισσότερη στάχτη και μεταφορά.

Απάντηση: περίπου $131\ \text{kg}$ λιγνίτη.

Συνηθισμένα λάθη

«Το μολύβι έχει μόλυβδο». Έχει γραφίτη (άνθρακα).
Διαμάντι ↔ γραφίτης στις χρήσεις. Σκληρότητα → διαμάντι· αγωγιμότητα, μαλακό → γραφίτης.
Φυσικοί ↔ τεχνητοί. Γαιάνθρακες, διαμάντι, γραφίτης είναι φυσικοί· κοκ, ξυλάνθρακας, ενεργός, ζωικός, αιθάλη τεχνητοί.
Προσρόφηση = διάλυση. Ο ενεργός άνθρακας κρατά τις ουσίες στην επιφάνειά του· δεν τις διαλύει.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Ο άνθρακας είναι το 1ο στοιχείο της 14ης ομάδας· ελεύθερος (φυσικοί άνθρακες) ή σε ενώσεις ( $CaCO_3$ , $CO$ , $CO_2$ , οργανισμοί).
Διαμάντι (σκληρότητα 10) και γραφίτης (μαλακός, αγωγός): διαφορετικός τρόπος σύνδεσης των ατόμων.
Γαιάνθρακες από απανθράκωση φυτικής ύλης: ανθρακίτης > λιθάνθρακας > λιγνίτης > τύρφη σε άνθρακα και θερμαντική αξία.
Τεχνητοί: κοκ, ξυλάνθρακας, ενεργός και ζωικός άνθρακας (μεγάλη προσροφητική ικανότητα), αιθάλη.

Ο άνθρακας γενικά

Ο άνθρακας είναι το πρώτο στοιχείο της 14ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Στη φύση βρίσκεται:

ελεύθερος, ως γαιάνθρακες, διαμάντι και γραφίτης (φυσικοί άνθρακες),

σε ενώσεις: κυρίως ανθρακικά άλατα (π.χ. ανθρακικό ασβέστιο

CaCO_3

) και οξείδια (

CO

CO_2

στους οργανισμούς (πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια, DNA) και στα προϊόντα της αποσύνθεσής τους (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, βιοαέριο).

Φυσικοί άνθρακες

Διαμάντι και γραφίτης

Διαμάντι: καθαρός άνθρακας, σκληρότητα 10 στην κλίμακα Mohs — πολύτιμος λίθος, κοπή γυαλιού, διάτρηση σκληρών πετρωμάτων. Κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερα γειτονικά άτομα άνθρακα.

Γραφίτης: πολύ μαλακός (0,5–1,5 Mohs) και καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας — ηλεκτρόδια, μολύβια, πυρηνικοί αντιδραστήρες. Τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν κανονικά εξάγωνα σε στρώματα.

Οι διαφορές τους οφείλονται στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο συνδέονται τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους.

Γαιάνθρακες

ανθρακίτης: 90% άνθρακας, 8000–9000 kcal/kg

λιθάνθρακας: 75–90%, 7000–8000 kcal/kg

λιγνίτης: 65–75%, 6000–7000 kcal/kg

τύρφη: έως 65%, 5000–5500 kcal/kg

Όσο περισσότερος καθαρός άνθρακας, τόσο μεγαλύτερη θερμαντική αξία.

Τεχνητοί άνθρακες

Για τις ανάγκες της βιομηχανίας παρασκευάζονται τεχνητοί άνθρακες:

Κοκ → μεταλλουργία.

Ξυλάνθρακας (ξυλοκάρβουνα) → καύσιμο.

Ενεργός άνθρακας: από απανθράκωση σκληρών ξύλων, με μεγάλη προσροφητική ικανότητα — «κρατά» στην επιφάνειά του χρωστικές, οσμές και αέρια. Χρησιμοποιείται για την αποχρωμάτιση της ζάχαρης, την επεξεργασία του πόσιμου νερού, τα φίλτρα αντιασφυξιογόνων μασκών και τις φριτέζες (συγκράτηση οσμών).

Ζωικός άνθρακας: από απανθράκωση ζωικών υπολειμμάτων (κόκαλα, αίμα), επίσης με μεγάλη προσροφητική ικανότητα.

Αιθάλη (φούμο) → μελάνια, χρώματα.