Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65-70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.
Хими́ческая фо́рмула
Условное обозначение химического состава и структуры веществ с помощью символов химических элементов, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире и т. п.). Химические формулы являются составной частью языка химии, на их основе составляются схемы и уравнения химических реакций, а также химическая классификация и номенклатура веществ.
Химическая формула может обозначать или отражать:
1 молекулу или 1 моль вещества;
качественный состав (из каких химических элементов состоит вещество);
количественный состав (сколько атомов каждого элемента содержит реальная или условная молекула вещества).
Формула HNO3 обозначает:
азотную кислоту;
1 молекулу азотной кислоты или 1 моль азотной кислоты;
качественный состав: молекула азотной кислоты состоит из водорода, азота и кислорода;
количественный состав: в состав молекулы азотной кислоты входят один атом элемента водорода, один атом элемента азота, три атома элемента кислорода.
[править]
В настоящее время различают следующие виды химических формул:
Простейшая формула . Может быть получена опытным путем через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды будет H2O, а простейшая формула бензола CH (в отличие от C6H6 - истинной, см. далее). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество - числами в формате нижних индексов.
Истинная формула. Может быть получена, если известна молекулярная масса вещества. Истинная формула воды Н2О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С6Н6, что отличается от простейшей. Истинные формулы также называют брутто-формулами или эмпирическими. Они отражают состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает индекс - маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, то есть в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают.
Рациональная формула. В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа -ОН. При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений. Например, К4 - гексацианокобальтат калия. Рациональные формулы часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.
Структурная формула. В графическом виде показывает взаимное расположение атомов в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями. Различают двумерные (2D) и трёхмерные (3D) формулы. Двумерные представляют собой отражение структуры вещества на плоскости. Трёхмерные позволяют наиболее близко к теоретическим моделям строения вещества представлять его состав, взаимное расположение, связи и расстояния между атомами.
Простейшая формула С2Н6О
Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С2Н6О
Рациональная формула: С2Н5ОН
Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН3СН2ОН
Структурная формула (2D).
На сегодняшний день каменный уголь является одним из самых необходимых полезных ископаемых.
Данный ресурс образуется естественным путем, имеет огромные запасы и массу полезных свойств.
Что такое каменный уголь и как он выглядит
Строительство шахты является очень дорогостоящим вложением, однако по истечении времени все затраты полностью окупаются. При добыче угля на поверхность попадают и другие ресурсы.
Есть вероятность добычи драгоценных металлов и редко встречающихся земных элементов, которые впоследствии возможно продать и получить дополнительную прибыль.
Нефть является практически самым драгоценным ресурсом и основным источником топлива на сегодняшний день. Однако, ни одна фирма или страна, добывающая каменный уголь, не пренебрежет его добычей во имя нефти, ибо твёрдое топливо также имеет большое значение и высокую ценность.
Образование каменного угля
Уголь в природе образовывается путем изменения поверхностного рельефа. Ветки деревьев, растения, листья и другие природные остатки, не успевшие перегнить, насыщаются влагой от болот, из-за чего преобразовываются в торф.
Далее на сушу попадает морская вода, когда она уходит, она также оставляет слой отложений. После реки вносят свои коррективы, земля заболачивается, опять образуется или покрывает почву. Поэтому состав каменного угля сильно зависит от возраста.
Каменный уголь — средний по возрасту между бурым, самым молодым, и антрацитом, самым старшим.
Виды каменного угля, их состав и свойства
Существует несколько разновидностей каменного угля:
- длиннопламенные;
- газовые;
- жирные;
- коксовые;
- слабоспекающиеся;
- тощие.
Также распространены виды, состоящие из нескольких, так называемые смешанные, обладающие свойствами двух групп.
Каменный уголь отличается черной окраской, твердой, слоистой, легко разрушаемой структурой, обладает блестящими вкраплениями. Горючие свойства довольно высоки, так как материал используется, как топливо.
Рассмотрим физические характеристики:
- Плотность (или удельный вес) сильно варьируется (максимальная может достигать 1500 кг/м³).
- Удельная теплоемкость составляет 1300 Дж/кг*К.
- Температура горения — 2100°С (при переработке 1000°С).
Месторождения каменного угля в России
На российской территории находится около трети мировых запасов.
Месторождения угля и горючих сланцев в России (для увеличения нажмите)
Самым крупным месторождением угля на территории России является Эльгинское. Оно располагается в районе Якутии.
Запасы по примерным расчетам составляют более 2 млрд. тонн.
Рельеф, приближенный к Кузнецкому угольному бассейну (Кузбассу), был сильно поврежден из-за масштабных ресурсодобывающих работ.
Крупнейшие месторождения каменного угля в мире
Карта месторождений угля в мире (для увеличения нажмите)
В США самым известным угольным бассейном считается Иллинойский. Общий запас залежей в данном месторождении насчитывает 365 млрд. тонн.
Добыча каменного угля
Каменный уголь в наше время добывается тремя основополагающими способами. Такими как:
- карьерный метод;
- добыча через штольни;
- метод добычи в шахтах.
Способ добычи через карьеры используется, когда пласты угля залегают на поверхности, примерно на ста метрах в глубину и выше.
Карьеры подразумевают простое разрытие земли или песочной ямы, из которой и ведётся добыча, обычно в таких случаях угольный пласт имеет достаточно большую толщину, что делает его добычу проще.
Штольни подразумевают под собой скважины, с большим углом наклона. По нему все добытые ископаемые доставляются наверх, при этом нет необходимости задействовать серьезную технику или вырывать котловину.
Обычно залежи в таких местах имеют небольшую толщину и зарыты не особенно глубоко. Поэтому метод добычи через штольни позволяет быстро производить добычу без особых затрат.
Добыча через шахты — самый распространённый метод добычи ископаемых, вместе с тем самый продуктивный, но в то же время и опасный. Шахты пробуриваются на большую глубину, достигающую нескольких сотен метров. Однако на это требуется разрешение, подтверждающее обоснования для таких масштабных работ, доказательства наличия залежей.
Порой шахты могут достигать километра, а то и больше в глубину, и протягиваться на несколько километров в длину, образуя связанные между собой паутины коридоров под землёй. В 20 веке вокруг шахт со временем образовывались даже поселения и небольшие города, в которых жили шахтеры с семьями.
Именно из-за условий добычи, работа в шахтах считается очень трудной и опасной, ведь огромное количество раз шахты обрушивались, погребая под собой десятки, а то и сотни людей, работающих там.
Применение каменного угля
Каменный уголь применяется в самых различных сферах. Он широко используется как твердое топливо (основное предназначение), в металлургии и в химической промышленности, плюс из него производятся многие иные составляющие.
Именно из каменного угля производят некоторые ароматические вещества, металлы, химические вещества, получается больше 360 других продуктов переработки.
В свою очередь производимые из него вещества имеют рыночную стоимость в десятки раз выше, самым дорогим считается метод переработки угля в жидкое топливо.
Для изготовления 1 тонны жидкого топлива потребуется переработать 2-3 тонны угля. Все промышленные отходы, получаемые при переработке, нередко направляются на производство стройматериалов.
Заключение
На земле существует множество месторождений угля, активно разрабатываемых по сей день. На уроках биологии в 5 классе и ещё раньше, на уроках природоведения во втором классе, дети знакомятся с этим понятием. В данной работе мы повторили кратко основные факты о каменном угле - происхождение, формула, марки, химический состав и использование, добыча и многое другое.
Уголь является одним из важнейших ресурсов, широко используемых в промышленности. Однако все же стоит быть осторожными при нарушении естественного хода веществ, ведь разработка нарушает рельеф и постепенно истощает природные запасы.
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
| Задание | Массовая доля хлора в хлориде фосфора составляет 77,5%. Определите простейшую формулу соединения. |
| Решение |
Вычислим массовую долю фосфора в соединении: ω (P) = 100% — ω(Cl) = 100% — 77,5% = 22,5% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (фосфор) и «у» (хлор). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(P)/Ar(P) : ω(Cl)/Ar(Cl); x:y= 22,5/31: 77,5/35,5; x:y= 0,726: 2,183 = 1: 3 Значит формула соединения фосфора с хлором будет иметь вид PCl 3 . Это хлорид фосфора (III). |
| Ответ | PCl 3 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Определите простейшую формулу соединения калия с марганцем и кислородом, если массовая доля калия равна 24,7%, марганца 34,8%. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Вычислим массовую долю кислорода в соединении: ω (P) = 100% — ω(K) — ω(Mn)= 100% — 24,7% — 34,8% = 40,5% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (калий), «у» (марганец) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(K)/Ar(K) : ω(Mn)/Ar(Mn) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 24,7/39: 34,8/55: 40,5/16; x:y:z= 0,63:0,63:2,53 = 1: 1: 4 Значит формула соединения калия, марганца и кислорода будет иметь вид KMnO 4 . Это перманганат калия. |
| Ответ | KMnO 4 |
Уголь в различных своих модификациях может иметь цвет от коричневого до черного. Он является хорошим топливом, поэтому его используют в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Образуется он в результате накопления растительной массы и прохождения в ней физико-химических процессов.
Различные модификации угля
Накопление древесной массы в болотистой почве приводит к образованию торфа, который является предшественником угля. Формула торфа достаточно сложная, кроме того, для этой разновидности угля не существует конкретного стехиометрического соотношения. Сухой торф состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.
- Бурый уголь или лигнит.
- Битум.
- Антрацит.
Конечным продуктом этой цепи преобразований является твердый графит или графитоподобный уголь, формула которого представляет собой чистый углерод C.
Древесина карбонового периода
Около 300 млн лет назад в карбоновый период большая часть суши нашей планеты была покрыта гигантскими папоротниковыми лесами. Постепенно эти леса вымирали, и древесина накапливалась в болотистых почвах, на которых они произрастали. Большое количество воды и грязи создавали препятствия для проникновения кислорода, поэтому мертвая древесина не разлагалась.
В течение длительного времени вновь отмершая древесина покрывала более старые слои, давление и температура которых постепенно увеличивались. Сопутствующие геологические процессы в конечном итоге привели к образованию залежей угля.
Процесс карбонизации
Термин "карбонизация" подразумевает метаморфические преобразования углерода, связанные с увеличением толщины древесных пластов, тектоническими движениями и процессами, а также с увеличением температуры в зависимости от глубины напластований.
Увеличение давления в первую очередь изменяет физические свойства угля, химическая формула которого остается неизменной. В частности, изменяется его плотность, твердость, оптическая анизотропия и пористость. Увеличение же температуры изменяет саму формулу угля в сторону увеличения содержания углерода и уменьшения кислорода и водорода. Эти химические процессы приводят к увеличению топливных характеристик угля.
Эта модификация угля очень богата углеродом, что приводит к высокому коэффициенту теплоотдачи и обуславливает ее использование в энергетической промышленности к качестве основного топлива.
Формула каменного угля состоит из битумных субстанций, дистилляция которых позволяет выделить из него ароматические гидрокарбонаты и вещество, известное под названием кокс, которое широко используется в процессах металлургии. Помимо битумных соединений, в каменном угле много серы. Этот элемент является главным источником загрязнения атмосферы при сжигании угля.
Каменный уголь имеет черный цвет и медленно горит, создавая пламя желтого цвета. В отличие от бурого угля, его теплота сгорания больше и составляет 30-36 МДж/кг.
Формула угля имеет сложный состав и содержит множество соединений углерода, кислорода и водорода, а также азота и серы. Такое разнообразие химических соединений стало началом развития целого направления в химической промышленности – карбохимии.
В настоящее время каменный уголь практически вытеснен природным газом и нефтью, однако два важных его направления использования продолжают существовать:
- основное горючее на тепловых электростанциях;
- источник кокса, получаемого путем бескислородного горения каменного угля в закрытых домнах.
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.
