Из чего состоит уголь? Какова химическая формула угля. Смотреть что такое "Каменный уголь" в других словарях Уголь по химии

С древних времен каменный уголь человечество использует в качестве одного из источников энергии. И в наши дни это полезное ископаемое применяется достаточно широко. Иногда его называют солнечной энергией, которая законсервирована в камне.

Применение

Уголь сжигают, получая тепло, которое идет для горячей воды и обогрева домов. Полезное ископаемое применяют в технологических процессах выплавки металлов. На тепловых станциях уголь путем сжигания преобразуется в электричество.

Научные достижения позволили использовать это ценное вещество иначе. Так, в химической промышленности успешно освоена технология, позволяющая получить из каменного угля жидкое топливо, а также такие редкие металлы, как германий и галлий. Из ценного ископаемого в настоящее время извлекаются углеграфитовые с выскокой концентрацией углерода. Также отработаны методы получения пластмассы и газообразного топлива высокой калорийности из угля.

Очень низкую фракцию низкосортного угля и его пыль после переработки прессуют в брикеты. Этот материал отлично подходит для отопления частных домов и производственных помещений. В целом выпускают более четырехсот наименований различной продукции после химической переработки, которой подвергается уголь. Цена на все эти продукты в десятки раз превышает стоимость исходного сырья.

На протяжении нескольких последних столетий человечество активно использует каменный уголь в качестве топлива, необходимого для получения, а также преобразования энергии. Причем потребность в этом ценном ископаемом в последнее время возрастает. Этому способствует развитие химической промышленности, а также необходимость в получаемых из него ценных и редких элементов. В связи с этим в России на сегодняшний день ведется интенсивная разведка новых месторождений, создаются шахты и карьеры, строятся предприятия для переработки этого ценного сырья.

Происхождение ископаемого

В давние времена на Земле был теплый и влажный климат, в котором бурно развивалась разнообразная растительность. Из нее в дальнейшем и образовался каменный уголь. Происхождение этого ископаемого кроется в скоплении миллиардов тонн отмершей растительности на дне болот, где они покрывались наносами. С той поры прошло около 300 млн. лет. Под мощным прессом песка, воды и различных пород растительность медленно разлагалась в бескислородной среде. Под воздействием высоких температур, которые давала близко расположенная магма, происходило затвердевание этой массы, которая постепенно превращалась в каменный уголь. Происхождение всех существующих месторождений имеет только такое объяснение.

Запасы полезного ископаемого и его добыча

На нашей планете имеются большие залежи каменного угля. Всего, по подсчетам специалистов, земные недра хранят в себе пятнадцать триллионов тонн этого полезного ископаемого. Причем добыча каменного угля по своему объему стоит на первом месте. В год она составляет 2,6 миллиарда тонн, или 0,7 тонны на одного жителя нашей планеты.

Месторождения каменного угля в России находятся в различных регионах. Причем в каждом из них полезное ископаемое обладает различными характеристиками и имеет свою глубину залегания. Ниже приведен перечень, в который входят самые крупные месторождения каменного угля в России:

1. Оно располагается в юго-восточной части Якутии. Глубина залегания угля в этих местах позволяет осуществлять открытую добычу ископаемого. Это не требует особых затрат, что сказывается на снижении стоимости конечного продукта.
2. Тувинское месторождение. По оценкам экспертов, на его территории находится около 20 млрд. тонн полезного ископаемого. Месторождение весьма привлекательно для разработки. Дело в том, что восемьдесят процентов его залежей располагается в одном пласте, имеющем толщину в 6-7 метров.
3. Минусинские месторождения. Они располагаются в республике Хакассия. Это несколько месторождений, самыми крупными из которых являются Черногорское и Изыхское. Запасы бассейна невелики. По оценкам специалистов, они составляют от 2 до 7 млрд тонн. Здесь добывают очень ценный по своим характеристикам уголь каменный. Свойства полезного ископаемого таковы, что при его сгорании фиксируется очень высокая температура.
4. Это месторождение, расположенное на западе Сибири, дает продукт, используемый в черной металлургии. Уголь, который добывают в этих местах, идет для коксования. Объем залежей здесь просто огромен.
5. Это месторождение дает продукт самого высокого качества. Наибольшая глубина залегания пластов полезного ископаемого достигает пятисот метров. Добыча ведется как в открытых разрезах, так и в шахтах.

Каменный уголь в России добывают в Печорском угольном бассейне. Активно разрабатываются месторождения и в Ростовской области.

Выбор угля для производственного процесса

В различных отраслях промышленности существует потребность в разных марках полезного ископаемого. Какие же отличия имеет уголь каменный? Свойства и качественные характеристики этого продукта колеблются в широких пределах.

Это происходит даже в том случае, если уголь имеет одинаковую маркировку. Дело в том, что характеристики ископаемого зависят от места его добычи. Именно поэтому каждое предприятие, выбирая уголь для своего производства, должно ознакомиться с его физическими характеристиками.

Свойства

Уголь различается по следующим свойствам:

Степень обогащения

В зависимости от цели использования может быть приобретен различный уголь каменный. Свойства топлива при этом становятся понятны, исходя из степени его обогащения. Выделяют:

1. Концентраты. Такое топливо находит применение при получении электро- и теплоэнергии.

2. Промышленные продукты. Их используют в металлургии.

3. мелкая фракция угля (до шести миллиметров), а также пыль, образующаяся в результате дробления породы. Из шлама формируют брикеты, имеющие хорошие эксплуатационные свойства для бытовых твердотопливных котлов.

Степень углефикации

По данному показателю различают:

1. Бурый уголь. Это тот же каменный уголь, только частично сформированный. Свойства его несколько хуже, чем у более качественного топлива. Бурый уголь выдает низкую теплоту при сгорании и крошится при транспортировке. Кроме того, у него есть склонность к самовозгоранию.

2. Каменный уголь. Этот вид топлива имеет большое количество сортов (марок), свойства которых различны. Его широко применяют в энергетике и металлургии, ЖКХ и химической промышленности.

3. Антрациты. Это наиболее качественный вид каменного угля.

Свойства всех этих форм полезного ископаемого значительно отличаются друг от друга. Так, самой низкой теплотой сгорания характерен бурый уголь, а самой высокой - антрациты. Какой же лучше всего приобрести уголь? Цена должна быть экономически целесообразной. Исходя из этого, стоимость и удельная теплота в оптимальном соотношении находятся у простого каменного угля (в пределах 220 долларов за тонну).

Классификация по размерам

При выборе угля важно знать его размеры. Этот показатель зашифрован в марке полезного ископаемого. Итак, уголь бывает:

- «П» - плитный, который представляет собой большие куски свыше 10 см.

- «К» - крупный, размеры которого составляют от 5 до 10 см.

- «О» - орех, он также достаточно крупный, с размерами фрагментов от 2,5 до 5 см.

- «М» - мелкий, с небольшими кусками в 1,3-2,5 см.

- «С» - семечко - дешевая фракция для длительного тления с размерами в 0,6-1,3 см.

- «Ш» - штыб, представляющий собой по большей части угольную пыль, предназначенный для брикетирования.

- «Р» - рядовой, или бесстандартный, в котором могут быть фракции различных размеров.

Свойства бурого угля

Это наименее качественный каменный уголь. Цена у него самая низкая (около ста долларов за тонну). образовывался в древних болотах путем прессования торфа на глубине около 0,9 км. Это наиболее дешевое топливо, содержащее большое количество воды (около 40%).

Кроме того, бурый уголь имеет довольно низкую теплоту горения. В нем находится большое количество (до 50%) летучих газов. Если использовать бурый уголь для топки печи, то он по своим качественным характеристикам напомнит сырые дрова. Продукт тяжело разгорается, сильно дымит и оставляет после себя большое количество золы. Часто из этого сырья готовят брикеты. Они обладают неплохими эксплуатационными характеристиками. Их цена находится в пределах от восьми до десяти тысяч рублей за тонну.

Свойства каменного угля

Данное топливо более качественное. Каменный уголь - это горная порода, имеющая черный цвет и матовую, полуматовую или блестящую поверхность.

В этом виде топлива содержится всего пять-шесть процентов влаги, из-за чего оно обладает высокой теплотой сгорания. По сравнению с дубовыми, ольховыми и березовыми дровами каменный уголь дает тепла в 3,5 раза больше. Минусом такого вида топлива является его большая зольность. Цена на каменный уголь летом и осенью находится в пределах от 3900 до 4600 рублей за тонну. Зимой стоимость данного топлива увеличивается на двадцать-тридцать процентов.

Хранение угля

Если топливо предполагается использовать на протяжении длительного срока, то его необходимо разместить в специальном сарае или бункере. Там оно должно быть защищено от прямых солнечных лучей и от осадков.

Если кучи угля большие, то при хранении нужно постоянно контролировать их состояние. Мелкие фракции в сочетании с высокой температурой и влагой могут самовозгораться.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Уголь - одна из аллотропных модификаций химического элемента углерода.

Строение атома углерода приведено на рис. 1. Помимо древесного угля, углерод может существовать в виде простого вещества алмаза или графита, принадлежащих к гексагональной и кубической системам, кокса, сажи, карбина, поликумулена графена, фуллерена, нанотрубок, нановолокон, астралена и т.д.

Рис. 1. Строение атома углерода.

Химическая формула угля

Химическая формула угля - С. Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится один атом углерода (Ar = 12 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу угля:

M(С) = M r (С) × 1 моль = 12,0116 г/моль

Структурная (графическая) формула угля

Более наглядной является структурная (графическая) формула угля . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 2).

Рис. 2. Строение аллотропных модификаций углерода: а) алмаза; б - графита; в) - фуллерена.

Электронная формула

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

6 С 1s 2 2s 2 2p 2

Она также показывает, что углерод относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона (2s 2 2p 2).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Уголь — это один из самых древних видов топлива, известных человеку. И даже сегодня он занимает лидирующие позиции по объему использования. Причиной тому служит его распространенность, легкость добычи, переработки и использования. Но что он собой представляет? Какова химическая формула угля?

На самом деле данный вопрос не совсем корректен. Уголь — это не вещество, это смесь различных веществ. Их целое множество, поэтому полностью определить состав угля невозможно. Поэтому под химической формулой угля в этой статье мы будем подразумевать скорее его элементный состав и некоторые другие особенности.

Но что мы можем узнать о состоянии этого вещества? Уголь образуется из останков растений в течение многих лет вследствие воздействия большой температуры и давления. А так как растения имеют органическую природу, то и в составе угля будут преобладать органические вещества.

В зависимости от возраста и иных условий происхождения угля его делят на несколько видов. Каждый вид отличается элементарным составом, наличием примесей и другими немаловажными характеристиками.

Является самым молодым видом угля. В нем даже наблюдается растительная древесная структура. Образуется напрямую из торфа на глубине порядка 1 километра.

Этот вид угля содержит достаточно большое количество влаги: от 20 до 40%. При попадании на воздух она испаряется, а уголь рассыпается в порошок. Далее речь пойдет о химическом составе именно этого сухого остатка. Количество неорганических примесей в буром угле также велико и составляет 20-45%. В качестве этих примесей выступают диоксид кремния, оксиды алюминия, кальция и железа. Также в нем могут содержаться оксиды щелочных металлов.

Много в этом угле и летучих органических и неорганических веществ. Они могут составлять до половины массы этого вида угля. Элементарный состав за вычетом неорганических и летучих веществ следующий:

• Углерод 50-75%.
• Кислород 26-37%.
• Водород 3-5%.
• Азот 0-2%.
• Сера 0,5-3%.

По времени образования этот вид угля идет следующим после бурого. Он имеет черный или серо-черный цвет, а также смоляной, иногда металлический блеск.

Влажность каменного угля значительно меньше бурого: всего 1-12%. Содержание летучих веществ в каменном угле очень колеблется в зависимости от места добычи. Оно может быть минимальным (от 2%), но может и достигать значений, аналогичных бурому углю (до 48%). Элементарный состав следующий:

• Углерод 75-92%.
• Водород 2,5-5,7%.
• Кислород 1,5-15%.
• Азот до 2,7%.
• Сера 0-4%.

Отсюда можно сделать вывод, что химическая формула угля каменного состоит из большего числа углерода, чем у бурого. Это делает данный вид угля более качественным топливом.

Антрацит

Антрацит — это самая древняя форма ископаемого угля. Ему присущ темно-черный цвет, и он имеет характерный металлический блеск. Это самый лучший уголь по количеству тепла, которое он выделяет при горении.

Количество влаги и летучих веществ в нем очень мало. Около 5-7% на каждый показатель. А элементарный состав характеризуется крайне высоким содержанием углерода:

• Углерод более 90%.
• Водород 1-3%.
• Кислород 1-1,5%.
• Азот 1-1,5%.
• Сера до 0,8%.

Больше угля содержится лишь в графите, который является дальнейшей стадией углефикации антрацита.

Этот тип угля не является ископаемым, поэтому он имеет некоторые особенности своего состава. Производят его путем нагрева сухой древесины до температуры 450-500 oC без доступа воздуха. Этот процесс называют пиролизом. В ходе него из древесины выделяется ряд веществ: метанол, ацетон, уксусная кислота и другие, после чего она превращается в уголь. Кстати, горение древесины — это тоже пиролиз, но из-за наличия кислорода воздуха загораются выделяющиеся газы. Именно этим и обуславливается наличие языков пламени при горении.

Древесина не является однородной, в ней очень много пор и капилляров. Подобная структура отчасти сохраняется и полученном из нее угле. По этой причине он обладает хорошей адсорбционной способностью и применяется наряду с активированным углем.

Влажность этого типа угля совсем небольшая (около 3%), но при длительном хранении он поглощает влагу из воздуха и процентное содержание воды повышается до 7-15%. Содержание неорганических примесей и летучих веществ регламентируется ГОСТами и должно составлять не более 3% и 20% соответственно. Элементный состав зависит от технологии получения, и примерно выглядит так:

• Углерод 80-92%.
• Кислород 5-15%.
• Водород 4-5%.
• Азот ~0%.
• Сера ~0%.

Химическая формула угля древесного показывает, что по содержанию углерода он близок к каменному, но вдобавок имеет лишь незначительное количество ненужных для горения элементов (серы и азота).

Активированный уголь

Активированный уголь — это тип угля с высокой удельной поверхностью пор, из-за чего он обладает даже большей адсорбционной способностью, чем древесный. В качестве сырья для его получения используются древесный и каменный угли, а также скорлупа кокосовых орехов. Исходный материал подвергают процессу активации. Суть его состоит в том, чтобы вскрыть закупоренные поры действием высокой температуры, растворами электролитов или водяным паром.

В ходе процесса активации меняется лишь структура вещества, поэтому химическая формула активированного угля идентична составу сырья, из которого тот был изготовлен. Влажность активированного угля зависит от удельной поверхности пор и обычно составляет менее 12%.

Из чего состоит уголь? Какова химическая формула угля — все о путешествиях на сайт

Город призрак без угля. Таковым стал японский Хасима. В 1930-е его признали самым густонаселенным. На крошечном клочке земли уместились 5 000 человек. Все они работали на угольном производстве.

Остров оказался буквально сложенным из каменного источника энергии. Однако, к 1970-ым запасы угля истощились.

Уехали все. Остался лишь перерытый остров и постройки на нем. Туристы и японцы зовут Хасиму призраком. Остров наглядно показывает важность каменного угля, невозможность человечества жить без него. Альтернативы нет.

Есть только попытки ее найти. Поэтому, уделим внимание современному герою, а не туманным перспективам.

Описание и свойства

Каменный уголь – это горная порода органического происхождения. Это значит, что камень образован из разложившихся остатков растений, животных. Чтобы они сформировали плотную толщу, требуется постоянное накопление и спрессовывание.

Подходящие условия на дне водоемов. Там, где есть месторождения каменного угля , когда-то были моря, озера. Отмершие организмы опускались на дно, придавливались толщей воды. Так образовывался . Каменный уголь – последствие его дальнейшего сжатия под давлением уже не только воды, но и новых слоев органики.

Основные запасы каменного угля относятся к эре Палеозоя. С ее окончания минуло 280 000 000 лет. Это эра гигантских растений и динозавров, обилия жизни на планете. Не удивительно, что именно тогда органические отложения накапливались особенно активно.

Чаще всего, уголь образовывался в болотах. В их водах мало кислорода, что препятствует полному разложению органики.

Внешне залежи каменного угля напоминают обгоревшую древесину. По химическому составу порода является смесью углеродных ароматических соединений высокомолекулярного типа и летучих веществ с водой.

Минеральные примеси незначительны. Соотношение компонентов не стабильно. В зависимости от преобладания тех, или иных элементов, выделяют виды каменного угля . К основным относится и антрацитовый.

Бурая разновидность угля насыщенна водой, а посему, отличается низкой теплотой сгорания. Получается, в качестве топлива порода не годиться, как каменная. И бурый уголь нашел иное применение. Какое?

Этому будет уделено отдельное внимание. Пока же, разберемся, почему водонасыщенную породу зовут бурой. Причина в цвете.

Уголь коричневатый, без блеска, рыхлый. С геологической точки зрения массу можно назвать молодой. То есть, в ней не завершены процессы «брожения». Поэтому, у камня низкая плотность, при сгорании образуется много летучих веществ.

Ископаемый каменный уголь антрацитового типа – полностью сформировался. Он плотнее, тверже, чернее, блестит. Чтобы бурая порода стала такой, требуются 40 000 000 лет. В антраците велика доля углерода – около 98%.

Естественно, что теплоотдача у черного угля на высоте, а значит, камень можно использовать в качестве топлива.

Образования каменного угля чаще всего находятся в болоте

Бурый вид в этой роли используют лишь для обогрева частных домов. Им не нужны рекордные показатели энергии.

Нужна лишь простота обращения с топливом, а антрацит в этом плане проблематичен. Разжечь черный каменный уголь непросто. Производственники, железнодорожники, приноровились. Трудозатраты стоят того, ведь не только энергоемок, но и не спекается.

Каменный уголь – топливо , от сгорания которого остается зола. Из чего она, если органика переходит в энергию? Помните заметку о минеральной примеси? Именно неорганическая составляющая камня и остается на дне печей.

Немало золы осталось и на китайском месторождении в провинции Люхуангоу. Залежи антрацита там горели без малого 130 лет. Пожар потушили лишь в 2004-ом году. Каждый год сгорали 2 000 000 тонн породы.

Вот и посчитайте, сколько каменного угля пропало даром. Сырье могло пригодиться не только в качестве топлива.

Применение каменного угля

Уголь называют солнечной энергией, заключенной в камень. Энергию можно преобразовывать. Она не обязательно должна быть тепловой.

Энергию, получаемую при сгорании породы, переводят, к примеру, в электричество. Температура сгорания каменного угля бурого типа чуть не доходит до 2 000 градусов. Дабы получить электричество из антрацита, потребуется уже около 3 000 по шкале Цельсия.

Каменный уголь применяют в качестве топлива

Если же говорить о топливной роли угля, он используется не только в чистом виде.

В лабораториях из органической породы научились получать жидкое и газообразное топливо, а на металлургических заводах уже давно пользуются коксом.

Он получается при нагреве каменного угля до 1 100 градусов без доступа кислорода. Кокс – бездымное топливо. Важна для металлургов и возможность применения брикетов в роли восстановителей железной руды. Так, кокс пригождается при отливке .

Кокс применяют и в качестве разрыхлителя шихты. Так именуют смесь исходных элементов будущего сплава. Будучи разрыхленной коксом, шихта легче переплавляется. Кстати, некоторые компоненты для сплавов тоже получают из антрацита.

В качестве примесей в нем могут содержаться и галлий – металлы редкие и мало где еще встречающиеся.

Купить уголь стремятся, так же, для производства композиционных материалов углеграфитового толка. Композитами называют массы из нескольких составляющих, с четкой границей между ними.

Искусственно созданные материалы применяют, к примеру, в авиации. Здесь композиты увеличивают прочность деталей.

Карбоновые массы выдерживают, как очень высокие, так и низкие температуры, используются в стойках опоры контактных сетей.

А вообще, композиты прочно вошли уже во все сферы жизни. Железнодорожники устилают ими новые платформы.

Из наномодифицированного сырья делают опоры строительных конструкций. В медицине с помощью композитов предлагают заполнять сколы на костях и прочие повреждения, не подлежащие металлическому протезированию. Вот какой каменный уголь многоликий и многофункциональный.

Химики разработали метод получения из угля пластмасс. При этом, не пропадают отходы. Низкосортная фракция прессуется в брикеты.

Они служат топливом, которое подходит, как для частных домов, так и производственных цехов. В топливных брикетах остается минимум углеводородов. Они, собственно, и есть самок ценное в угле.

Из него можно получить чистые бензол, толуол, ксилолы, куморановые смолы. Последние, к примеру, служат основой для лакокрасочной продукции и такого материала внутренней отделки помещений, как линолеум.

Часть углеводородов ароматические. Людям знаком запах нафталина. Но, немногие знают, что производят его из каменного угля.

В хирургии нафталин служит антисептиком. В домашнем хозяйстве вещество борется с молью. Кроме того, нафталин способен защитить от укусов ряда насекомых. Среди них: мухи, оводы, слепни.

В общей сложности, уголь каменный в мешках закупают для производства более чем 400-от видов продукции.

Многие из них – побочные товары, получаемые на коксохимическом производстве. Интересно, что стоимость дополнительных линий, как правило, больше, чем у кокса.

Если же рассматривать среднюю разницу между каменным углем и товарами из него, она составляет 20-25 раз.

То есть, производство весьма выгодное, быстро окупается. Поэтому, неудивительно, что ученые ищут все новые и новые технологии переработки осадочной породы. На растущий спрос должно быть предложение. Ознакомимся с ним.

Добыча каменного угля

Месторождения угля называют бассейнами. В мире их свыше 3 500. Общая площадь бассейнов – около 15% от суши. Больше всего угля в США.

Там сосредоточенны 23% от мировых запасов. Каменный уголь в России – это 13% общих запасов. Бронза у Китая. В его недрах сокрыто 11% породы.

Большинство из них – антрациты. В России соотношение бурого угля к черному примерно одинаково. В США преобладает бурый вид породы, что снижает значение залежей. Не смотря на обилие бурого угля, месторождения США поражают не только объемами, но и масштабами.

Запасы одного только Аппалачского каменноугольного бассейна составляют 1 600 миллиардов тонн. В самом крупном бассейне России, для сравнения, хранятся лишь 640 миллиардов тонн породы. Речь о Кузнецком месторождении.

Оно находится в Кемеровской области. Еще пара перспективных бассейнов обнаружены в Якутии и Тыве. В первом регионе залежи назвали Эльгинскими, а во втором – Элегетскими. Месторождения Якутии и Тывы относятся к закрытому типу. То есть, порода находиться не у поверхности, на глубине.

Нужно строить шахты, штольни, стволы. Это поднимает цену каменного угля . Но, масштабы залежей стоят затрат. Что же касается Кузнецкого бассейна, в нем работают по смешенной системе. Около 70% сырья извлекают с глубин гидравлическим способом.

30% угля добывают открыто, используя бульдозеры. Их достаточно, если порода залегает у поверхности, а прикрывающие слои рыхлые.

Открыто уголь добывают и в Китае. Большинство месторождений КНР находятся далеко за пределами городов. Однако, это не помешало одной из залежей доставить неудобства населению страны. Это произошло в 2010-ом.

Пекин резко увеличил запросы на уголь из Внутренней Монголии. Она считается провинцией КНР. В путь отправилось столько грузовиков с товаром, что 110-е шоссе встало почти на 10 дней. Пробка началась 14-го августа, а рассосалась лишь 25-го.

Правда, не обошлось и без проведения дорожных работ. Грузовики с углем усугубили ситуацию. 110-е шоссе относится к дорогам государственного значения. Так что, не только уголь в пути задержался, но и прочие контракты оказались под угрозой.

В интернете можно найти ролики, где водители, ехавшие в августе 2010-го по китайскому шоссе, сообщают, что 100-километровый отрезок преодолевали около 5-ти дней.