Węgle kopalne
Historia powstawania
Za początek historii powstawania węgli kopalnych uważa się karbon – okres geologiczny w erze paleozoicznej. Era ta zaczęła się około 360 mln lat temu, trwała około 70 mln lat. W tym czasie zaczęły osadzać się na Ziemi szczątki organiczne – skrzypy, widłaki, paprocie. Po upływie milionów lat, pod wpływem wielu czynników: zalania wodą i bagnami, brakiem dostępu tlenu, przysypywanie warswą skał osadowych, wysokiej temperatury i ciśnienia, po wielu przekształceniach, ze szczątków tych roślin powstały złoża węgla kamiennego.
Rodzaje węgli kopalnych i ich zastosowanie
Węgle kopalne dzielą się ze względu na zawartość węgla pierwiastkowego. Najważniejsze odmiany to:
Antracyt zawiera około 96% czystego pierwiastka. Jest twardy, ma charakterystyczny połysk. Jako paliwo jest wysokogatunkowy – podczas spalania nie zostawia wiele popiołu, nie ulega spiekaniu. Ponieważ ma duże przewodnictwo elektryczne, używa się go do wyrobu elektrod. Powstaje w niecodziennych warunkach – przy dużej temperaturze i wysokim ciśnieniu.
Węgiel kamienny zawiera od 75 do 97 % czystego węgla. Ma matowy połysk, żółto - brunatną rysę, gęstość ok. 5 g/cm3. W Polsce wydobywa się go na terenie Zagłębia Górnośląskiego (Rybnik, Wodzisław Śląski, Jastrzębie), Zagłębia Dolnośląskiego (Wałbrzych, Nowa Ruda), Zagłębia Lubelskiego (Bogdanka koło Łęcznej). Pod względem wydobycia zajmujemy 2 w Europie miejsce, a 7 na świecie. Węgiel jest surowcem strategicznym, bo zaspokaja 65% zapotrzebowania energetycznego kraju. Największe złoża węgla kamiennego znajdują się we wschodnich i południowych Chinach, w USA, a także w Indiach, RPA oraz w Australii i Ukrainie.
Węgiel brunatny ma 62 – 75 % węgla. Często stosuje się go jako paliwo. Miejsca wydobycia w Polsce: Zagłębie Konińskie (Konin, Koło, Turek), Zagłębie Turoszowskie (Turów, Bogatynia), Zagłębie Bełchatowskie (Bełchatów, Piotrków Trybunalski). Duże ilości węgla brunatnego wydobywa się w Rosji, Niemczech i Czechach.
Torf ma barwę ciemnobrunatną, zawiera około 60% węgla pierewiastkowego. Używa się go jako opał, nawóz, w budownictwie i lecznictwie. Powstaje ze zgniłych roślin, wystpuje na dnie bagien.
Węgiel występuje również w tzw. odmianach alotropowych. Oznacza to, że jeden pierwiastek chemiczny występuje w wielu formach krystalicznych lub cząsteczkowych. Odmiany alotropowe węgla to:
Diament jest przezroczystym ciałem stałym, najtwardszym ze wszystkich minerałów. Ma właściwości półprzewodnikowe, jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad. Ma gęstość równą 3,52 g/cm3. Spala się w wysokiej temperaturze.
Grafit jest nieprzezroczystym, miękkim, łupliwym minerałem. Ma kolor stalowoszary, gęstość od 2,09 do 2,26 g/cm3. Jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego i ciepła. Wykazuje odporność na wysoką temperaturę.
Fulereny to cząsteczki składające się z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę. Najbardziej trwałe fulereny to: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C240, C540, C960. Zostały odkryte przez R. Curla, R. Smalleya i sir H. Kroto w 1985 roku. 11 lat później za to odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla. Właściwości fulerenów: gęstość około 1,65 g/ cm3, wykazują właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe, atomy węgla w fulerenach łączą się, przyjmując kształt piłek futbolowych.
Pirogenizacja
Pirogenizację inaczej nazywa się pirolizą lub suchą destylacją węgla. Jest to proces, polegający na ogrzewaniu węgla kopalnego do temperatury 1000oC bez dostępu powietrza, w wyniku którego węgiel ten rozkłada się na koks, smołę pogazową, wodę pogazową i gaz świetlny. W przemyśle proces ten odbywa się w zakładach koksowniczych przy użyciu węgla kamiennego. Dzieje się to w opisany poniżej sposób:
Po kilku minutach ogrzewania należy zbliżyć zapaloną zapałkę do wylotu rurki odprowadzającej, potem przerwać ogrzewanie i przelać zgromadzoną na dnie probówki ciecz do innej probówki. Później powinno się zbadać zapach tej cieczy.
Obserwacje:
Na dnie ogrzewanej probówki zgromadził się czarny osad – są to smoła pogazowa i koks. Zapalająca się u wylotu rurki odprowadzającej substancja to gaz świetlny. W nieogrzewanej probówce ciecz ma zapach amoniaku. Tą cieczą jest woda pogazowa.
Wniosek:
W wyniku pirogenizacji węgla kopalnego powstają: koks, smoła pogazowa, woda pogazowa i gaz świetlny.
Zastosowanie produktów suchej destylacji
Po co wykonuje się proces suchej destylacji węla? Jej produkty mają określone zastosowanie, które przedstawione jest poniżej, w parze z ich najważniejszymi właściwościami:
Koks zawiera około 90% czystego węgla, z niewielką domieszką siarki i innych substancji. Zastosowanie znajduje w hutnictwie i w ocieplaniu mieszkań – jako opał. Koks zawiera mniej siarki niż węgiel kamienny, dlatego stosowanie go jest bardziej ekologiczne.
Woda pogazowa jest cieczą, zawiera wodę, amoniak - NH3 i sole amonu (głównie węglan amonu – (NH4)2CO3, ale także związki organiczne). Jest produktem do otrzymywania amoniaku i siarczanu (VI) amonu - (NH4)2SO4.
Smoła pogazowa nazywana jest inaczej smołą węglową. Ta czarna, mazista ciecz ma intensywny zapach. Powstaje na skutek mieszania wielu związków organicznych: węglowodorów aromatycznych, fenoli, zasad pirydynowych i chinolinowych. Wykorzystuje się ją do otrzymywania paku oraz wielu związków organicznych (np. benzenu, toluenu, fenolu, acenaftenu).
Gaz świetlny, nazywany również gazem koksowniczym, jest palnym gazem, którego główne składniki to: wodór (60%), tlenek węgla (II), azot, węglowodory, amoniak, siarkowodór (H2S). Wykorzystuje się go w hutnictwie, w elektrociepłowniach (jako opał) i do otrzymywania amoniaku.
W pracy wykorzystano:
książki: Chemia dla gimnazjum- części 2 i 3 J. Kulawika, T. Kulawik i M. Litwin, Przestreń geograficzna, w której żyje człowiek B. Dobrosik, K. Kardas, B. Modzelewskiej,
program komputerowy: Multimedialna Encyklopedia Powszechna firmy PWN,
materiały ze strony internetowej http://pl.wikipedia.org/