Ορυκτοί άνθρακες: ένα πολύτιμο στερεό ⛏️
Τι είναι οι ορυκτοί άνθρακες
Οι ορυκτοί άνθρακες, ή αλλιώς γαιάνθρακες, βρίσκονται στο υπέδαφος της Γης. Δεν υπήρχαν πάντα εκεί: σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια πολλών εκατομμυρίων χρόνων από φυτά που καταπλακώθηκαν από στρώματα εδάφους ύστερα από φυσικές καταστροφές.
Οι ορυκτοί άνθρακες δεν έχουν όλοι την ίδια μορφή. Η πιο συνηθισμένη μορφή τους είναι οι άμορφοι άνθρακες. Ονομάζονται έτσι επειδή τα άτομα άνθρακα που τους αποτελούν δεν είναι τακτοποιημένα με συγκεκριμένο τρόπο, αλλά βρίσκονται σε τυχαία διάταξη. Την ενέργειά τους την αξιοποιούμε με την καύση: όταν καίγονται, η χημική τους ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πιο εύκολα, όπως η θερμότητα.
Τα κοιτάσματα των άμορφων ορυκτών ανθράκων δεν αποτελούνται μόνο από άνθρακα· περιέχουν επίσης νερό και διάφορα άλλα συστατικά. Η ακριβής τους σύσταση εξαρτάται από δύο πράγματα: πόσο καιρό έμειναν θαμμένα στο υπέδαφος και τι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης επικράτησαν εκεί.
Οι τέσσερις κατηγορίες
Ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε άνθρακα, οι ορυκτοί άνθρακες χωρίζονται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες:
| Κατηγορία | Περιεκτικότητα σε άνθρακα |
|---|---|
| Τύρφη | έως 50% |
| Λιγνίτης | 50% - 70% |
| Λιθάνθρακας | 70% - 90% |
| Ανθρακίτης | πάνω από 90% |
Η σειρά τύρφη → λιγνίτης → λιθάνθρακας → ανθρακίτης δεν είναι τυχαία: όσο πιο πάνω πηγαίνεις σε αυτή τη λίστα, τόσο μικρότερη είναι η περιεκτικότητα σε άνθρακα. Πολλοί μαθητές θυμούνται τα ονόματα αλλά μπερδεύουν ποιο έχει τη μεγαλύτερη και ποιο τη μικρότερη περιεκτικότητα.
Μολύβι από... άνθρακα ✏️
Το εσωτερικό του μολυβιού, με το οποίο γράφουμε, δεν είναι μόλυβδος όπως λέει το όνομά του, αλλά γραφίτης. Ο γραφίτης είναι μια άλλη κρυσταλλική μορφή του άνθρακα. Σε αντίθεση όμως με το διαμάντι, ο γραφίτης είναι μαύρος, αδιαφανής και πολύ μαλακός.
Στο γραφίτη κάθε άτομο άνθρακα ενώνεται με άλλα τρία όμοια άτομα, σχηματίζοντας εξάγωνα. Αυτά τα εξάγωνα διατάσσονται σε επίπεδα, τα οποία όμως είναι μόνο χαλαρά ενωμένα μεταξύ τους. Αυτή ακριβώς η δομή κάνει το γραφίτη μαλακό και κατάλληλο για γραφή· από την ιδιότητα αυτή, να «γράφει» εύκολα, προέρχεται και η ονομασία του.
Η ονομασία «μολύβι» δεν έχει καμία σχέση με τη σύστασή του σήμερα, αλλά με την ιστορία του. Οι αρχαίοι Ρωμαίοι έγραφαν πάνω σε παπύρους χρησιμοποιώντας πραγματικό μαύρο μόλυβδο. Το πρώτο ορυχείο γραφίτη ανακαλύφθηκε τον 16ο αιώνα, και από τότε ο γραφίτης πήρε τη θέση του μολύβδου στη γραφή. Το παλιό όνομα όμως, «μολύβι», έμεινε ώς τις μέρες μας, παρόλο που δεν περιέχει πια καθόλου μόλυβδο!
Μεταφορά ορυκτών ανθράκων 🚂
Ώς τις αρχές του 20ού αιώνα, η χρήση του ορυκτού άνθρακα ήταν πολύ πιο διαδεδομένη απ' ό,τι σήμερα. Χρησιμοποιούνταν για τη λειτουργία των ατμομηχανών που κινούσαν τα τρένα, για τη λειτουργία των ατμόπλοιων, αλλά και στις περισσότερες βιομηχανικές μονάδες. Έπρεπε λοιπόν να μεταφερθεί από τους τόπους εξόρυξης ώς τα μέρη όπου θα γινόταν η αξιοποίησή του, και η απόσταση αυτή πολλές φορές ήταν μεγάλη. Η μεταφορά γινόταν κυρίως με τρένα και πλοία.
Σήμερα η κατάσταση έχει αλλάξει: ο ορυκτός άνθρακας χρησιμοποιείται κυρίως στα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια και σε μικρότερο βαθμό στη βιομηχανία. Για να είναι πιο οικονομική η λειτουργία τους, αυτά τα εργοστάσια χτίζονται πολύ κοντά στους τόπους εξόρυξης, οπότε η απόσταση μεταφοράς είναι πολύ μικρή. Ο ορυκτός άνθρακας μεταφέρεται ώς το εργοστάσιο με ειδικούς ταινιόδρομους.
Το διαμάντι: ένας ορυκτός άνθρακας στο κοσμηματοπωλείο 💎
Οι ορυκτοί άνθρακες δεν είναι πάντοτε άμορφοι. Ένα ιδιαίτερα πολύτιμο είδος τους είναι το διαμάντι: καθαρή μορφή κρυσταλλικού άνθρακα, φτιαγμένη από διαφανείς κρυστάλλους. Στο διαμάντι η διάταξη των ατόμων άνθρακα δεν είναι τυχαία, όπως στους άμορφους άνθρακες, αλλά πολύ τακτική. Κάθε άτομο άνθρακα ενώνεται με άλλα τέσσερα όμοια άτομα, σχηματίζοντας τετράεδρα.
Αυτή η δομή είναι που κάνει το διαμάντι εξαιρετικά σκληρό —το πιο σκληρό υλικό που υπάρχει στη φύση. Σε αυτή του την ιδιότητα, στη σκληρότητά του, οφείλεται και η ονομασία του: «αδάμαντας», δηλαδή αυτός που δε δαμάζεται.
Λόγω της καθαρότητάς του, το διαμάντι χρησιμοποιείται στην κατασκευή πολύτιμων λίθων, αφού πρώτα κοπεί σε περίτεχνα πολύεδρα σχήματα. Λόγω της σκληρότητάς του χρησιμοποιείται επίσης στην κατασκευή κοπτικών εργαλείων και γεωτρύπανων. Η αξία ενός διαμαντιού κρίνεται από τέσσερις παράγοντες: την καθαρότητα, τη μάζα, το χρώμα και το κόψιμό του. Η μάζα του μετριέται σε καράτια, όπου κάθε καράτι ισούται με 0,2 g.
Το μαύρο, μαλακό γραφίτη ενός μολυβιού και το διάφανο, σκληρότατο διαμάντι ενός δαχτυλιδιού τα φτιάχνει ακριβώς το ίδιο στοιχείο: ο άνθρακας. Η μόνη διαφορά είναι το πώς είναι «κουμπωμένα» μεταξύ τους τα άτομά του —τρία δεσμά ανά άτομο σε επίπεδα στο γραφίτη, τέσσερα δεσμά ανά άτομο σε τετράεδρα στο διαμάντι. Αυτή η μικρή αλλαγή στη δομή φτάνει για να προκύψουν δύο τόσο διαφορετικά υλικά.
Εξόρυξη του άνθρακα
Τα κοιτάσματα ορυκτού άνθρακα μπορεί να είναι επιφανειακά ή υπόγεια, και ο τρόπος εξόρυξής τους διαφέρει πολύ.
Επιφανειακά ονομάζονται τα κοιτάσματα που βρίσκονται μέχρι 30 μέτρα από την επιφάνεια της Γης, και αποτελούνται συνήθως από λιγνίτη. Για την εξόρυξή τους απομακρύνεται πρώτα το χώμα και τα πετρώματα, ώστε να αποκαλυφθούν τα στρώματα άνθρακα που βρίσκονται από κάτω. Στη συνέχεια γίνεται η συλλογή του ορυκτού άνθρακα και η μεταφορά του με ταινιόδρομους.
Η εξόρυξη των υπόγειων κοιτασμάτων είναι πολύ πιο δύσκολη και δαπανηρή. Απαιτεί την κατασκευή ειδικών εγκαταστάσεων, των ορυχείων. Τα υπόγεια ορυχεία φτάνουν συνήθως σε βάθος 200-300 μέτρων, αλλά υπάρχουν και περιπτώσεις όπου ο άνθρακας συλλέγεται από βάθος 1.000 μέτρων κάτω από την επιφάνεια της Γης. Μέσα στο ορυχείο η κυκλοφορία γίνεται μέσα από ένα σύστημα στοών και ανελκυστήρων, ενώ για τη μεταφορά του ορυκτού άνθρακα χρησιμοποιούνται βαγονέτα, που κινούνται πάνω σε ειδικές ράγες.
Ένα ορυχείο βάθους 1.000 μέτρων σημαίνει ότι οι εργάτες κατεβαίνουν ένα ολόκληρο χιλιόμετρο μέσα στη Γη για να φτάσουν στον άνθρακα —περισσότερο από το ύψος πολλών ψηλών βουνών, μόνο που εδώ η διαδρομή είναι προς τα κάτω, μέσα από στοές και με ανελκυστήρες.