- Физические свойства и виды
- Где применяется?
- Строение атома
- Место в таблице Менделеева
- Фуллерены
- Где используется бензин?
- Научные поиски альтернативы
- Алмаз
- Карбин
- Применение каменного угля
- А можно ли сделать это все своими руками?
- Аллотропия углерода
- Алмаз
- Графит
- Графен
- Карбин
- Уголь
- Сравнение основных аллотропных модификаций углерода
- Роль в природе
- Нахождение углерода в природе
- Доля углерода в составе горючих ископаемых
- О падении и взлете
- Что использовать вместо бензина?
- Газовое топливо для автомобилей
- Биоэтанол как топливо
- Водородное топливо
- Вопросы для самопроверки
- Месторождения и добыча породы
- Классификация каменных углей
- По степени обогащения
- По степени углефикации
- По размерам
- Марки каменного угля
- Рекомендованная литература и полезные ссылки
- Свойства углеводородного топлива
- Происхождение каменного угля
- Графен
- Получение из природного газа
Физические свойства и виды
Как мы уже упоминали, углеводородное топливо состоит из смеси углеводородов.
Его варианты включают:
- Жидкое нефтяное топливо;
- Горючие природные газы;
- Каменный уголь;
- Горючие сланцы и торф.
Простыми словами, это нефть (из которой получают бензин и дизельное топливо), уголь (бурый уголь, камень, графит) и газ (бутан, пропан, метан, этан и их природные смеси).
Детонация в двигателе зависит от процентного содержания основных компонентов в составе. Например, парафиновые углеводороды (15-16% водорода) очень быстро окисляются и поэтому детонируют при малых степенях сжатия. А ароматические (до 12% водорода) более стойкие, поэтому их применяют в двигателях с высокой степенью сжатия. Проще говоря, чем выше процент содержания водорода, тем больше теплота сгорания. Лидером в этом случае является горючий газ метан, где указанный элемент составляет четверть всей смеси.
А пока важно определить и использовать правильный состав, чтобы не ухудшить характеристики конкретного двигателя.
Углеводородное топливо очень гигроскопично, поглощает и растворяет воду из воздуха.
Вспомните два основных вида углеводородного топлива: жидкое и газообразное. Интересным фактом является отсутствие у жидкого состава конкретной температуры кипения, выделена только область, где этот процесс продолжается.
Отдельно отметим сжиженный природный газ – это газообразное углеводородное топливо, которое транспортируют в жидком виде (для этого его охлаждают до -160°С). В таком виде он полностью теряет свои детонационные свойства: не воспламеняется, не взрывается. При возвращении к нормальной температуре смесь снова становится газом.
Где применяется?
Основным назначением жидкого углеводородного топлива является его использование в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, а также в авиационных и ракетных двигательных установках.
Также в селах, где нет центрального газоснабжения, широко распространено использование жидкого углеводородного топлива (СУГ) — метана.
Использование угля охватывает ряд областей: металлургическую промышленность, химическую промышленность, энергетику и др.
Ну вот, мы вкратце рассказали об углеводородном топливе, его видах и основном назначении. Далее сформулируем преимущества и недостатки по сравнению с другими источниками энергии.
Строение атома
Атом углерода имеет 2 оболочки (как и все элементы второго периода) и 6 электронов: 1s22s22p2. Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных р-орбиталях, при этом они неспаренные.
Итак, на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.
Место в таблице Менделеева
Расположение химических элементов в периодической таблице Менделеева основано на их атомном весе, рассчитанном относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода равна 12 011, согласно чему он занимает почетное 6 место в таблице Менделеева и обозначается латинской буквой С.
Кроме того, следует учитывать следующие свойства углерода:
- Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12С (98,892%) и 13С (1,108%)
- Кроме того, известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14С с периодом полураспада 5,73*103 лет, образуется в небольших количествах в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.
Фуллерены
Хотя шестиугольник является одной из наиболее стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, существует целый класс компактных объектов, в которых встречается правильный углеродный пятиугольник. Эти объекты называются фуллеренами.
В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Керл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, какие фрагменты атомов углерода слипаются при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. К первым относятся кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Другой — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, которые ранее не наблюдались. В течение следующих пяти лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полый каркас из атомов углерода, самый устойчивый из которых состоит из 60 атомов и имеет форму футбольного мяча. C60, или бакминстерфуллер, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных секций, скрепленных вместе, образуя сферу.
Открытие фуллеренов вызвало большой интерес у химиков. Затем был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллерены, в полости которых находился чужеродный атом или небольшая молекула. Всего год назад, например, в фуллерен впервые была помещена молекула плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.
В 1991 году выяснилось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, где часть полостей между соседними полиэдрами заняты металлами, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой для этого класса температурой перехода, а именно 18 кельвинов (для К3С60). Позднее были обнаружены фуллериды с еще более высокой температурой перехода — 33 кельвина, Cs2RbC60. Оказалось, что такие свойства напрямую связаны с электронной структурой материала.
Где используется бензин?
В конце 19 века, когда автомобили были редкостью, бензин использовался как антисептик, чистящее средство и топливо для печей. Для справки, печка – это отопительный прибор, работающий на жидком топливе. В этих устройствах нельзя было использовать керосин, потому что он был слишком легко воспламеняется. Поскольку автомобили с двигателями внутреннего сгорания стали более распространенными, бензин стал одним из основных видов топлива. Соперничать с ним мог только дизельный двигатель, имевший более высокий КПД.
Бензиновый примус был обязательным атрибутом советского туриста
Помимо автомобилей, бензин используется в авиации – к этому топливу предъявляются более высокие требования. Кроме того, в промышленности часто используют бензин-растворитель, который нужен в производстве клея и краски. Бензин является хорошим обезжиривающим средством для текстиля, кожи и других материалов. Вообще, в отличие от конца девятнадцатого века, сегодня бензин играет очень важную роль в жизни людей.
Бензин тоже авиационный
Читайте также: Скорая медицинская помощь УАЗ (39629)
Научные поиски альтернативы
Хотя основные фракции получают из нефти, оказалось, что для этой цели можно использовать и другое углеродное сырье. Эта задача была решена химиками еще в 1926 году. Тогда ученые Фишер и Тропш открыли восстановление окиси углерода при атмосферном давлении. Установлено, что жидкие и твердые углеводороды могут образовываться из газовой смеси в присутствии катализаторов. По своему химическому составу они были близки к продуктам, полученным из нефти. Результат химических исследований получил название «синтез-газ». Оказалось совсем просто.
Настолько, что его может повторить дома любой человек, не прогуливавший химию и физику в школе. Его получали путем пропускания пара над углем (это газификация) или путем преобразования обычного природного газа (состоит в основном из метана). Во втором случае дополнительно использовались металлические катализаторы. Следует отметить, что синтез-газ нельзя производить только из метана и угля. Перспективным направлением в настоящее время считается работа с ферментативной и термохимической обработкой растительных отходов. Нельзя забывать и о конверсии биогаза, т.е летучих веществ, получаемых при разложении органических отходов.
Алмаз
Многие материалы под давлением начинают менять свою атомную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлении в сто тысяч атмосфер и температуре 1-2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться, между ними возникают химические связи, а при гладких плоскостях они становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.
Свойства алмаза кардинально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Крайне сложно поцарапать (обладатель 10 по шкале твердости Мооса, это максимальная твердость). В то же время электропроводность алмаза и графита различается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).
Это определяет применение алмазов: большая часть добываемых и искусственных алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены шлифовальные круги и режущие инструменты с алмазным порошком или покрытием. Алмазное покрытие используется даже в хирургии – для скальпелей. Применение этих камней в ювелирной промышленности всем хорошо известно.
Невероятная твердость используется и в научных исследованиях – именно с помощью высококачественных алмазов материалы изучают в лабораториях при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».
Карбин
Когда мы говорим об удлиненных структурах атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепи, которые, по мнению теоретиков, могут оказаться максимально прочным материалом (речь идет об удельной прочности). Например, модуль Юнга для карабина оценивается в 10 гиганьютонов на килограмм. Для стали этот показатель в 400 раз меньше, для графена — как минимум в два раза меньше.
Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то говорят о кумулянтах, а если связи чередуются (одинарные-тройные-одинарные-тройные и т д.), то говорят о полиинах. Физики показали, что карабинная проволока может «переключаться» между этими двумя типами путем деформации — при растяжении кумол превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. В то время как полиин проводит электричество, кумулен является диэлектриком.
Основная трудность в изучении карбинов заключается в том, что их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же они легко окисляются. На сегодняшний день удалось получить цепочки только из 6000 атомов. Для этого химикам пришлось выращивать карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его можно уменьшить до одного атома.
Применение каменного угля
Углем называется солнечная энергия, заключенная в горных породах. Энергия может быть преобразована. Он не должен быть термальным.
Энергия, полученная при сжигании камня, преобразуется, например, в электричество. Температура горения лигнита достигает почти 2000 градусов. Чтобы получить электричество из антрацита, потребуется ок. 3000 по Цельсию.
Уголь используется в качестве топлива
Если говорить о топливной роли угля, то его используют не только в чистом виде.
В лабораториях органическая порода используется для производства жидкого и газообразного топлива, а металлургические заводы уже давно используют кокс.
Это достигается нагреванием угля до 1100 градусов без доступа кислорода. Кола — бездымное топливо. Возможность использования брикетов в качестве восстановителя железной руды также важна для металлургов. Итак, кокс пригодится при литье чугуна.
Кока-кола также используется в качестве разрыхлителя. Так называется смесь первых элементов будущего сплава. После разрыхления кокса смесь легче переплавляется. Кстати, из антрацита получают и некоторые компоненты для сплавов.
В качестве примесей он может содержать германий и галлий — металлы редкие и нигде больше не встречающиеся.
Также они стремятся приобрести уголь для производства углеграфитовых композиционных материалов. Композиты представляют собой массы из нескольких компонентов с четкой границей между ними.
Искусственно созданные материалы используются, например, в авиации. Здесь композиты повышают прочность деталей.
Углеродные массы могут выдерживать как очень высокие, так и низкие температуры; они используются в постах поддержки контактной сети.
В общем, композиты уже хорошо вошли во все сферы жизни. Железнодорожники покрывают ими новые платформы.
Опоры строительных конструкций производятся из наномодифицированного сырья. В медицине с помощью композитов предлагается заполнять сколы на костях и другие повреждения, не поддающиеся металлическим протезам. Это тип угля, который является универсальным и многофункциональным.
Химики разработали метод получения пластика из угля. При этом никаких отходов не остается. Низкосортная фракция прессуется в брикеты.
Они выступают топливом, подходящим как для частных домов, так и для производственных цехов. В топливных брикетах минимум углеводородов. На самом деле это самки, которые ценны в помете.
Из него можно получить чистый бензол, толуол, ксилолы, куморановые смолы. Последний служит, например, основой для лакокрасочных изделий и такого материала для внутренней отделки, как линолеум.
Некоторые углеводороды являются ароматическими. Люди пахнут нафталином. Но мало кто знает, что производят его из угля.
В хирургии нафталин действует как антисептик. В домашнем хозяйстве средство борется с молью. Кроме того, нафталин способен защитить от укусов самых разных насекомых. Среди них: мухи, оводы, слепни.
Всего уголь закупается в мешках для производства более 400 видов продукции.
Многие из них являются побочными продуктами производства кокса. Интересно, что стоимость дополнительных линий обычно больше, чем стоимость кокса.
Если рассматривать среднюю разницу между углем и товарами из него, то она составляет 20-25 раз.
То есть производство очень прибыльное, быстро окупается. Поэтому неудивительно, что исследователи ищут все новые и новые технологии обработки осадочных пород. Должно быть предложение для растущего спроса. Давайте познакомимся с ним.
А можно ли сделать это все своими руками?
Несмотря на то, что альтернативная энергетика считается относительно молодой наукой, повторить ее достижения в домашнем хозяйстве не проблема. Поэтому да, сделать синтетический бензин своими руками вполне возможно. Кроме того, можно полагаться на древесину, уголь и биогаз, учитывая специфические условия, в которых они должны существовать. Какому из них отдать предпочтение в домашних условиях – каждый решает сам.
Как самый простой, так и самый актуальный вопрос, как получить синтетический бензин из дерева своими руками. Многие рассматривают его исключительно как строительный материал или сырье для игрушек. Но стоит вспомнить хотя бы три духа, и становится понятно, что потенциал есть. Как получить синтез-газ в этом случае? Нужно взять древесину (или ее отходы, что не очень важно).
В домашних условиях можно сделать устройство из трех частей, каждая из которых будет выполнять свою функцию. В основном необходимо обеспечить сушку и подогрев до температуры 250-300 градусов Цельсия. Затем следует поездка на пиролиз. Здесь температура должна подняться до 700 градусов. И последний этап – добыча газа. Начинается паровой риформинг. Процесс происходит при температуре 700-1000 градусов. В результате получается очень чистый синтез-газ. Дальнейшее вмешательство не требуется. Затем используем катализаторы, и синтетический бензин готов!
Аллотропия углерода
Углерод существует во многих аллотропных модификациях с очень разными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать различные типы химических связей.
Различают два вида углерода в зависимости от образования модификаций:
- Кристаллический углерод входит в состав твердых тел (алмаз, графит, графен, фуллерен, карбин).
- Аморфный углерод образует мягкие вещества (уголь, кокс, сажа).
Рассмотрим более подробно основные аллотропные модификации углерода, их физические свойства и области применения.
Алмаз
Алмаз – трехмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твердый природный минерал, обладает высокой теплопроводностью. Применяется в промышленности для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Хотя алмаз твердый, он также хрупкий. Порошок, полученный при шлифовке алмаза, используется для полировки драгоценных камней. Хорошо отполированные прозрачные бриллианты называются бриллиантами.
В кристаллической решетке атомы углерода связаны ковалентной связью. Расстояние между всеми атомами одинаково, поэтому связи прочны во всех направлениях.
Одним из уникальных свойств алмазов является их способность преломлять свет (люминесценция). Под воздействием радиации бриллианты начинают светиться разными цветами. Такая игра света, хороший показатель преломления и прозрачность делают этот драгоценный камень одним из самых дорогих. В то же время неограненный бриллиант такими качествами не обладает.
В промышленных масштабах алмазы получают при высоком давлении (тысячи МПа) и высоких температурах (1500–3000 °С). Процесс продолжается в присутствии катализатора (например, Ni).
Графит получают нагреванием алмаза до 1000°С и высоким давлением без доступа воздуха. При температуре 1750 °С переход от алмаза к графиту происходит значительно быстрее. При сгорании в кислороде алмаз сгорает и образует углекислый газ.
Графит
Графит представляет собой мягкое кристаллическое вещество темно-серого цвета с легким металлическим блеском. Хорошая электро- и теплопроводность, стабильна при нагревании в вакууме. Имеет слоистую структуру. Оставляет черные полосы на поверхности. На ощупь графит жирный и гладкий.
Графит термодинамически стабилен; поэтому при расчетах термодинамических величин его принимают за стандартное состояние углерода.
Графит не воспламеняется на воздухе даже при сильном свечении, но легко горит в чистом кислороде с образованием углекислого газа.
При температуре 3000°С в электропечах из лучших качеств угля получают искусственный графит.
Графен
Графен представляет собой монослой графита. Впервые графен был получен методом ручного механического расщепления в лаборатории, не предполагающей массового производства.
В более широком масштабе графен производится путем нагревания кремниевых пластин, верхний слой которых представляет собой карбид кремния. Под воздействием высоких температур происходит расщепление атомов углерода, которые остаются на пластине в виде графена, а кремний испаряется. Графен — тонкий и прочный материал с высокой электропроводностью. В настоящее время он широко используется в микроэлектронике и автомобилестроении.
Карбин
Карабин представляет собой твердое вещество черного цвета. Он состоит из линейных полимерных цепей, которые соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепи: -C≡CC≡CC≡C−.
Впервые карбин был обнаружен в 60-х годах, но его существование не признавалось до тех пор, пока он не был обнаружен в природе — в метеоритном веществе.
Карбин — полупроводник; при воздействии света его проводимость сильно возрастает. Переход в графит возможен при нагреве до 2300 °С.
Карабин используется в медицине для изготовления искусственных сосудов.
Уголь
Уголь — мельчайшие кристаллы графита, полученные термическим разложением углеродистых соединений без доступа воздуха.
Уголь имеет различные свойства в зависимости от веществ, из которых он получен. Наиболее важными сортами угля являются кокс, древесный уголь и сажа.
- Кокс получают нагреванием угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии при выплавке металлов из руд.
- Древесный уголь образуется при нагревании древесины без доступа воздуха. Благодаря пористой структуре обладает высокой адсорбционной способностью.
- Сажа представляет собой очень мелкий кристаллический порошок графита. Образуется при сгорании углеводородов (природный газ, ацетилен, скипидар и др.) при ограниченном доступе воздуха.
Активированный уголь представляет собой пористые промышленные адсорбенты, получаемые из твердого топлива, древесины и продуктов ее переработки. Они используются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха.
Сравнение основных аллотропных модификаций углерода
Роль в природе
В земной коре содержание углерода составляет всего 0,15%. Несмотря на это, казалось бы, небольшое количество, стоит отметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте от земной коры через биосферу к атмосфере и обратно. Более того, именно из углерода состоят такие ценные ресурсы, как нефть, уголь, торф, известняк и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод — основа жизни. Допустим, в организме взрослого человека весом 70 кг около 13 кг углерода. Это только у одного человека, примерно в таких же пропорциях содержится углерод в телах всех остальных живых существ, растений и животных.
Нахождение углерода в природе
Согласно справочнику Дж. Эмсли «Элементы», углерод занимает 11-е место по распространенности в природе. Содержание углерода составляет 0,1% от массы земной коры. Свободный углерод представлен в виде алмаза и графита.
Основная часть углерода находится в виде природных карбонатов кальция CaCO3 (мел, мрамор, известняк) и магния MgCO3, а также в виде ископаемого топлива.
Доля углерода в составе горючих ископаемых
Имя
Содержание углерода
Антрацит
93%
Бурый уголь
72%
Каменный уголь
84%
Горючий сланец
60%
Масло
80%
Горючие природные газы
До 99% метана
Газон
50%
Он существует в атмосфере в виде углекислого газа CO2 (~0,03%). В воде углерод содержится в составе растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. Углерод содержится в растениях и животных (~ 20%).
О падении и взлете
В Советском Союзе еще до начала Второй мировой войны велись поиски возможного извлечения бензина из бурого угля. Но, к сожалению, не удалось добиться результатов, пригодных для промышленного производства. После окончания конфликта цена на нефть упала, а вместе с ней отпала и потребность в синтетическом топливе. Сейчас из-за сокращения запасов нефти этот район переживает второе рождение. Производство синтетического бензина получает все более широкое распространение, часто встречая поддержку со стороны государства.
Например, в США производители такого топлива могут рассчитывать на государственные субсидии. Несмотря на все предположения, жидкое топливо производится в ограниченных масштабах. Дело в том, что расширение существующих мощностей ограничивается высокими затратами, которые значительно превышают получаемые из обычного сырья. Например, синтетический бензин в Германии можно производить из воды и углекислого газа, но всего за год он будет стоить новый автомобиль. А все из-за высоких затрат на установку.
Основное направление работы – поиск экономичных технических решений. Например, открыт вопрос о снижении давления для жидкого угля. Теперь необходимо создать 300-700 атмосфер, а поиск ведется до достижения значения 100 и ниже. Также актуальны вопросы повышения производительности генераторов, разработки новых катализаторов (более эффективных). Да и не надо забывать, что качественного природного угля не так много. Поэтому считается более перспективным получать его из газа. Какие здесь возможности?
Что использовать вместо бензина?
Мировые запасы нефти на исходе. В настоящее время компании перерабатывают «легкую» нефть, которая достаточно легко добывается. Но через сотни или десятилетия нефть придется искать на очень больших глубинах, что еще больше увеличит затраты. И в какой-то момент минерал полностью исчезнет, а вместе с ним и бензин. К счастью, сегодня уже есть хорошие альтернативы.
С каждым годом нефти в мире становится все меньше
Газовое топливо для автомобилей
Некоторые автомобили уже оснащены двигателями, работающими на пропан-бутане или метане. Первый вид топлива тоже сделан из нефти, поэтому исчезнет вместе с бензином. Но метан естественен и является хорошей альтернативой. Существует мнение, что газовое топливо разрушает двигатели. Но есть данные, что бензиновые двигатели, наоборот, работают без капитального ремонта на 2 года дольше, чем бензиновые. У газового топлива есть один плюс – оно дешевле бензина. Недостатком, по крайней мере, на данный момент, является ограниченное количество заправок. Но в будущем может быть больше.
Существует много видов транспорта метана
Биоэтанол как топливо
Биоэтанол — это этиловый спирт, который производится из растительных материалов, таких как сахарный тростник и кукуруза. Только автомобили Flex-Fuel, оснащенные многотопливным двигателем, могут работать на биоэтаноле. Это довольно хороший вид топлива, но у него есть как минимум два существенных недостатка. Во-первых, биоэтанол не так эффективен, как бензин и другие виды топлива. Во-вторых, при производстве вырубаются тропические леса, то есть большой ущерб природе.
Автомобиль «Flex-Fuel», работающий на этаноле
Водородное топливо
Другой хорошей альтернативой бензину является водород. Пожалуй, это самый экологически чистый вид автомобильного топлива. Проще говоря, вместо бензобака в автомобили ставят топливные элементы, куда под высоким давлением заливается водород. Когда водитель нажимает на педаль газа, водородный элемент вступает в реакцию с кислородом и вырабатывается электричество. Энергия раскручивает электродвигатель, и транспортное средство начинает двигаться. У этого топлива также есть два недостатка. Во-первых, производство водорода дорого. Во-вторых, водородные топливные элементы могут взорваться.
Водородные автомобили обещают хорошие результаты, но довольно опасны
Вопросы для самопроверки
- Что такое углерод? Дайте характеристику его положения в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева.
- Как электроны распределяются между энергетическими уровнями в атоме углерода? Напишите электронную конфигурацию углерода.
- Углерод является окислителем в реакции с:
- Кислород
- Хлор
- Водород
- Серый
- Возможно ли взаимопревращение алмаза и графита? Объяснить, почему.
- В какой форме углерод встречается в природе?
- Какая аллотропная модификация углерода характеризуется совместимостью с тканями организма человека?
- Расскажите о физических свойствах графена и карбина.
- Для чего используется карботермия?
- Чем обусловлено наличие аллотропных модификаций углерода?
- Чем нейтральное состояние атома углерода отличается от возбужденного? Каковы возможные степени окисления?
Прелесть химии в том, что она изучает окружающий нас мир. Но это не всегда можно увидеть в школьных классах. Онлайн-занятия по химии в Skysmart не только помогут улучшить оценки и подготовиться к экзаменам, но и помогут полюбить этот предмет, тесно связанный с окружающим миром.
7,5000
Химия сероводорода
Вернуться к предыдущей статье
18,6 К
Простые и сложные вещества
Месторождения и добыча породы
Ископаемое широко распространено – запасы составляют 15% всей суши. Три страны-лидера по добыче каменного угля:
- США — мировой лидер. Процент залежи составляет 23, что составляет более 1 600 миллиардов тонн.
- Россия. Депозиты рассчитаны по ставке 13 %.
- Китай. Показатель стремится к 11 %.
В России каменный уголь добывают в Кемеровской области, на Кузнецком месторождении, где 640 миллиардов тонн полезных ископаемых. Открытие произошло в 1721 г. М. Волковым. В 1842 г. П. Чихачев оценил запасы бассейна. Во второй половине 19 века в Кузбассе началась добыча угля.
В Якутии есть Эльгинское месторождение, запасы которого составляют около 2 млрд тонн, в Тыве перспективны для разработки месторождения Элеготта. Другие бассейны — Ленский, Тунгусский, Иркутский, Южно-Якутский, Печерский.
В США самые крупные месторождения находятся в штате Иллинойс (запасы более 360 млн т).
Казахстан обладает 162 миллиардами тонн полезных ископаемых. Одно из крупнейших месторождений — Экибастузское, другие бассейны:
- Шубарколь и Кызылтал — по 2 млрд тонн каждый;
- Шоптыколь, Мамыт и Эгинсай – по 1 млрд тонн;
- Каражир — 890 млн тонн.
Месторождения угля обозначены на карте в виде определенного символа – черный квадрат и коричневая – заштрихованы.
В Республике Хакасия основное месторождение находится в Минусинской котловине. Разработки ведутся с 1904 года. Хакасский уголь добывают в Изыхском и Черногорском бассейнах.
В Африке минерал добывают на территориях:
- Зимбабве;
- Мозамбик;
- ЮЖНАЯ АФРИКА.
Страны-экспортеры каменного угля по оценке, объем указан в миллионах тонн в год:
- Австралия — 193;
- Китай — 91;
- ЮАР — 69,3;
- Индонезия — 66,4;
- США — 44,1;
- Россия — 41;
- Колумбия — 37,1;
- Канада — 30,6;
- Казахстан — 28;
- Польша — 23.
Смотрите программу о добыче камня в России:
Классификация каменных углей
Классификация основана на химических и физических свойствах ископаемых. Общее деление:
- Бурый уголь – образовался позже других видов. Имеет низкую температуру горения.
- Камень – самый распространенный и наиболее используемый вид. Его добывают открытым способом или в шахтах.
- Антрацит – самый старый и самый твердый представитель. Он имеет самую высокую температуру горения среди всех типов.
Бурый уголь отличается от камня:
- цвет;
- более низкое содержание азота и углерода;
- тот, который легче горит;
- дает больше дыма;
- выделяет меньше тепла.
Минерал подразделяют по степени углефикации и крупности. На основании этих параметров была придумана и реализована маркировка, отражающая особенности той или иной разновидности ископаемых. Это удобно для промышленного использования.
Посмотрите познавательный видео обзор о минерале:
По степени обогащения
Перед использованием добытая порода подвергается переработке — обогащению. Это увеличение содержания углерода за счет очистки от минеральных примесей, повышающих горючесть.
Часто используется мокрый метод – ископаемое загружается в водную среду, где происходит расслоение на примеси и породу. Это связано с тем, что минеральные добавки имеют меньшую плотность. Машины для такого обогащения называются отсадочными.
Промышленное деление по степени обогащения полезным ископаемым:
- Промышленные продукты. Используется в металлургии.
- Концентраты. От них получает энергию для электростанций, отопления.
- Шлам представляет собой мелкую угольную пыль. Он идет на нужды населения, для этого его прессуют в брикеты.
По степени углефикации
Уголизация – это процесс превращения торфа в бурый уголь или каменного угля в антрацит. Это степень насыщения углеродом того или иного куска ископаемого, определяющая его свойства — горючесть, спекаемость, теплотворность. Зависит от возраста — чем младше, тем ниже степень квалификации.
Наивысшую степень углефикации имеет антрацит, наименьшую — блестящие угли классов М и Д, остальные виды относятся к средней степени.
По размерам
Добываемые минералы различаются по длине и ширине (это называется дробью), поэтому существует классификация, в которой куски определенного размера имеют свое название, сокращенное до буквы.
Иногда это деление называют классом. Хоть и используется буквенное обозначение, к брендам это не имеет никакого отношения.
Классификация по размерам (фракциям):
Имя | Размер и т.д. |
Диск (П) | Больше 100 |
Большой (К) | 51–99 |
Грецкий орех (О) | 25–50 |
Маленький (М) | 13–24 |
Семя (С) | 6–12 |
Штыб (Ш) | Меньше 6 |
Частный (П) | Несортированный, содержит кусочки разного размера |
Марки каменного угля
Минерал подразделяется на сорта, в основе деления лежит его состав и способность к горению:
- длинное пламя (D);
- газ (Г);
- газ жир (ГЖ);
- жирный (Ж);
- коксовый жир (КЖ);
- кокс (К);
- бедное спекание (ОС);
- постный (Т);
- слабая слеживаемость (СС);
- полуантрациты (ПА);
- антрациты (А).
Каменный уголь класса Д чаще всего используется в жилищно-коммунальном хозяйстве и энергетике благодаря следующим свойствам:
- легколетучие вещества (от 39 %);
- малосернистый (менее 0,5 %);
- немного золы;
- калорийность 4700–5400 ккал/кг – хороший показатель;
- содержание воды — 15-16 %;
- высокая теплоотдача.
Камень отличается ярким блеском, его добывают на территориях Красноярского края и Хакасии.
Рекомендованная литература и полезные ссылки
- Савватимский, А (2005). «Измерения температуры плавления графита и свойств жидкого углерода (обзор за 1963–2003 гг.)». Углерод. 43(6): 1115–1142 doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027
- Химическая энциклопедия / Под ред.: Кнунянц И.Л и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
- Чемнет. Углерод: история открытия элемента.
- Лейпунский О.И. Об искусственных алмазах // Успехи химии. — Российская академия наук, 1939. — Изд. 8. — С. 1519-1534.
- Сил М. Влияние ориентации поверхности на графитизацию алмаза. // Физическое состояние. Sol., 1963, т. 3, стр. 658.
Свойства углеводородного топлива
Углеводородное топливо обладает следующими свойствами:
- Коррозионный. Они вызывают окислительные реакции сплавов и металлов, так как содержат серу, органические кислоты, воду, азотистые соединения (чем их больше в составе, тем агрессивнее углеводородные топлива), могут иметь различную устойчивость в зависимости от их содержания.
- Высокая скорость горения, легко воспламеняется. Во многом это зависит от значения цетанового числа. Чем больше углеводов в топливе, тем выше цетановое число.
- Высокая температура кипения. Каждый вид углеродного топлива имеет свои или не ограничивается какими-то определенными показателями.
- Устойчив к накоплению статического электричества. Топливо с высоким содержанием углерода и водорода не вызывает и сохраняет свободный электрический заряд на поверхностях и в объеме диэлектрика.
- Улучшенная электропроводность. Топливо с большим количеством углеводородов в своем составе хорошо проводит электричество и имеет низкое электрическое сопротивление.
- Волатильность. Они хорошо испаряются, легко переходят из жидкого состояния в газообразное и парообразное.
- Взрывоопасность. Углеродное топливо имеет низкую температуру вспышки и поэтому легко воспламеняется, сгорает и взрывается при определенных условиях эксплуатации.
- Дым и токсичность. При горении выделяются вещества, имеющие достаточно ядовитый состав.
- Плотность и вязкость. Они гарантируют стабильную подачу топлива, его равномерное распыление в камере сгорания.
- Устойчивость к низким температурам. Топливо с высоким содержанием углеводородов в составе не замерзает в сильный мороз, благодаря чему спектр их использования значительно расширяется.
- повышенная температура вспышки. Пары, выделяющиеся из топлива, могут вспыхнуть в воздухе под действием источника воспламенения, но устойчивого горения не происходит, если источник воспламенения немедленно удалить.
Свойства топлив с высоким содержанием углерода во многом зависят от количества вспомогательных присадок в составе.
Происхождение каменного угля
Минерал начал формироваться задолго до появления человека. Примерный возраст — 400-200 миллионов лет. До сих пор у ученых нет четкого мнения о том, какая группа растений образовала залежи угля. Большинство людей думают, что это папоротники.
Существует 4 основные теории, которые пытаются объяснить, как образовался уголь:
- Самый распространенный — образование торфа, а затем и угля произошло за счет гниения папоротников, плаунов, рогоза. Однако эта теория не может объяснить пласты ископаемых толщиной 400–700 метров. Для образования 500 метров окаменелостей фактически требуется 2000 метров торфа, то есть растения некоторых видов должны были произрастать на территории миллионы лет без изменения погодных условий.
- Термическая теория — медленное тление растительных остатков в среде с низким содержанием кислорода с постепенным превращением в обычный уголь, а затем в камень. Однако части растений не сохранились внутри окаменелостей.
- Версия с морской водой. После попадания в море растения подверглись длительному процессу карбонизации, они находились под давлением и без доступа кислорода. Теория подтверждается морскими находками – водорослями, песком.
- Абиогенный – уголь появился при нагревании метана в присутствии водорода и углекислого газа. Согласно этой теории, находки в слоях представляют собой не растительные остатки, а пиролитический графит, поэтому достоверно определить возраст добытых минералов невозможно.
При добыче и переработке в слоях ископаемого иногда находят удивительные находки:
- стоячие стволы деревьев;
- огромные валуны массой до 73 кг, имеющие метаморфическое или вулканическое происхождение;
- изделия из золота и металла, свидетельствующие о продолжающемся процессе углеобразования;
- моллюски, раковины, кольчатые черви;
- округлые предметы, напоминающие яйца динозавров.
За свое происхождение уголь называют консервированной солнечной энергией — растения способны собирать его в листьях, побегах.
Графен
Вместо того, чтобы сжимать и нагревать графит, мы, вслед за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусок скотча. Затем отклейте — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — наклеим скотч тонким слоем и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики в 2010 году получили Нобелевскую премию.
Графен представляет собой плоский монослой атомов углерода, полностью идентичный атомным слоям графита. Его популярность обусловлена необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, как будто у них вообще нет массы. В действительности, конечно, масса электронов остается такой же, как и у всех веществ. Во всем виноваты атомы углерода в графеновом каркасе, притягивающие заряженные частицы и формирующие особое периодическое поле.
Следствием такого поведения стала высокая подвижность электронов — в графене они движутся гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие исследователи надеются, что графен станет основой электроники будущего.
Интересно, что у графена есть углеродные аналоги — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из слегка искривленных пятиугольных секций и, в отличие от графена, является плохим проводником электричества. Фаграфы состоят из пятиугольной, шестиугольной и семиугольной секций. Если свойства графа одинаковы во всех направлениях, у субъекта будет ярко выраженная анизотропия свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но пока не существуют в действительности.
Получение из природного газа
Особенно это актуально из-за существующих транспортных проблем. Так если вы транспортируете природный газ, то стоимость этого составит 30-50% от стоимости конечного продукта. Поэтому заготовка в непосредственной близости от места добычи качественного бензина и дизельного топлива очень актуальна. Это предъявляет ряд требований к компактности установок. Если конечные продукты получают на стадии метанола, такой процесс практичен из-за того, что он происходит в одном реакторе. Но энергии требуется много, поэтому синтетическое топливо в два раза дороже нефти.
Альтернатива этому распространенному методу была предложена Институтом нефтехимического синтеза РАН. Он предполагает работу с другим промежуточным продуктом — диметиловым эфиром. Работать таким образом несложно, если увеличить долю монооксида углерода в получаемом синтез-газе. При этом производство синтетического бензина является дополнительным и достаточно экологически чистым топливом. В частности, оно хорошо показало себя при запуске холодных двигателей из-за высокого цетанового числа. А для производства бензина этот вариант неплох.
Таким образом, вы можете сделать топливо с октановым числом 92. Синтетический бензин из природного газа также имеет меньше вредных примесей, чем те, которые содержатся в бензине, изготовленном из нефти. Установка, предложенная РАН, предлагает схему работы, согласно которой чем выше температура реакции, тем больше производительность.