§ 10. Каменный уголь и его переработка

Определения и обозначения

Каменный уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое органического происхождения. В его составе преобладает углерод, но присутствуют также другие элементы и минеральные примеси. Поэтому разные виды угля отличаются теплотворностью и поведением при переработке. Уголь важен как топливо и как сырьё, из которого промышленность получает полезные материалы и смеси.

Коксование — переработка каменного угля нагреванием без доступа воздуха. При этом уголь не сгорает, а разлагается с образованием нескольких продуктов. От обычного сжигания процесс отличается тем, что кислород не поступает к сырью. Коксование позволяет получить вещества с разными свойствами и отделить их друг от друга.

Кокс — твёрдый пористый продукт коксования, богатый углеродом. Он не является чистым углеродом: в нём могут сохраняться примеси. Поры помогают газам проникать внутрь материала и взаимодействовать с ним. Поэтому кокс особенно важен в металлургии, где его используют в печах при получении металлов из руд.

Каменноугольная смола — жидкий продукт коксования, представляющий собой смесь органических веществ. Это не одно индивидуальное соединение, а сложное сырьё, состав которого включает много компонентов. Смолу разделяют на фракции — части смеси, выделяемые при перегонке в разных температурных интервалах. Такое разделение помогает получать нужные вещества для химического производства.

Как это устроено

Каменный уголь возник из остатков растений, накапливавшихся в древних болотах. После отмирания растения оказывались погребены под слоями осадков и испытывали давление. За длительное время из них удалялась часть воды и других веществ, а доля углерода возрастала. Чем сильнее преобразование, тем заметнее меняются состав и свойства угля, поэтому разные угли не полностью одинаковы.

Уголь используют как топливо, потому что при его горении выделяется энергия. Однако при сжигании органические вещества в основном превращаются в газообразные продукты, а возможности использовать исходные компоненты ограничены. Если же уголь перерабатывать, можно получить и материалы, и химические смеси. Поэтому его считают также ценным сырьём: переработка позволяет направить разные продукты на разные производства.

При коксовании уголь нагревают в специальных печах, не допуская контакта с воздухом. Из-за высокой температуры сложные вещества угля изменяются и распадаются, а образовавшиеся летучие вещества отводят для дальнейшего разделения. Твёрдый остаток при этом сохраняется в печи и превращается в кокс. При горении, напротив, кислород вступает в реакцию с углём, а главная цель — получить тепло, а не собрать продукты разложения.

При коксовании получают четыре основные группы продуктов. Твёрдым остатком становится кокс, а летучие вещества охлаждают и разделяют: часть образует коксовый газ, часть конденсируется в каменноугольную смолу. В водной части остаются растворённые соединения аммиака, образующие аммиачную воду. Таким образом, эти продукты имеют разное агрегатное состояние и состав, хотя получены из одного сырья.

Продукты коксования распределяются между несколькими отраслями, потому что каждый обладает особыми свойствами. Кокс нужен металлургии: он даёт тепло и помогает получать железо из руды. Коксовый газ используют как горючую смесь, а отдельные компоненты могут служить химическим сырьём. Смолу разделяют на фракции и направляют на получение органических веществ, а аммиачную воду применяют в химических производствах.

Продукты коксования каменного угля и их применение

В таблице сопоставлены агрегатное состояние продуктов и области их использования. Сначала определите, что именно образуется при коксовании, затем свяжите свойства продукта с его применением. Это помогает не смешивать продукты, полученные из одного сырья.

Разбор задач

Задача 1. Назовите продукты коксования каменного угля и распределите их на твёрдые, жидкие и газообразные. Нужно учитывать состояние продукта после его получения, а не то, из какой части печи он выходит. Для решения сначала перечислим все основные продукты. Затем отнесём каждый к соответствующей группе.

1. Записываем продукты коксования: кокс, коксовый газ, каменноугольная смола и аммиачная вода.
2. Кокс остаётся твёрдым пористым остатком, поэтому помещаем его в группу твёрдых продуктов.
3. Коксовый газ относится к газообразным продуктам, а смола и аммиачная вода — к жидким.

Ответ: твёрдый продукт — кокс; газообразный — коксовый газ; жидкие — каменноугольная смола и аммиачная вода. Аммиачная вода является раствором, поэтому её агрегатное состояние определяют как жидкое. Такое распределение показывает, что при переработке одного твёрдого сырья возникает несколько продуктов разного состояния.

Задача 2. Объясните, почему коксование нельзя считать сжиганием каменного угля. В условии важно сравнить не только результат, но и условия проведения процессов. Горение требует участия кислорода, а при коксовании воздух не допускают к нагреваемому углю. Сопоставим роль кислорода и цель каждого процесса.

1. При сжигании уголь взаимодействует с кислородом воздуха, и в результате выделяется тепло.
2. При коксовании уголь нагревают без доступа воздуха, поэтому процесс не является горением.
3. Вместо полного сгорания происходит разложение угольного сырья с образованием кокса и летучих продуктов.

Ответ: коксование — это нагревание и разложение угля без доступа воздуха, а сжигание — его реакция с кислородом. Различие можно проверить по условию: если кислород не подают, говорить о горении неверно. В коксовании важно собрать образующиеся продукты, а при сжигании обычно используют выделившееся тепло.

Задача 3. По кратким описаниям определите продукт коксования: твёрдый углеродистый материал для металлургии, горючая газовая смесь или жидкая смесь органических веществ. Здесь даны признаки, которые относятся к состоянию, составу и применению. Сначала найдём самый характерный признак каждого продукта. Затем сопоставим описание с названием.

1. Твёрдый пористый углеродистый материал, применяемый в металлургии, — кокс.
2. Горючая газовая смесь — коксовый газ; слово «газовая» указывает на его агрегатное состояние.
3. Жидкая смесь органических веществ — каменноугольная смола, которую затем разделяют на фракции.

Ответ: описания соответствуют коксу, коксовому газу и каменноугольной смоле именно в указанном порядке. Аммиачная вода здесь не подходит: это жидкий водный раствор соединений аммиака, а не смесь органических веществ. При распознавании удобно проверять сразу два признака — состояние и характерное применение.

Типичные ошибки

Ошибка: называть коксование горением. Её допускают, потому что оба процесса связаны с сильным нагреванием угля. Но при коксовании воздух исключают, а при горении необходим кислород. Проверь себя вопросом: поступает ли кислород к углю и образуется ли кокс как твёрдый остаток?

Ошибка: считать кокс чистым углеродом. Так думают из-за высокого содержания углерода и роли кокса в металлургии. Однако кокс — углеродистый материал, в котором могут сохраняться примеси. Проверка простая: отличай название продукта от обозначения химического элемента; кокс не является формулой чистого вещества.

Ошибка: путать кокс с каменноугольной смолой. Оба продукта получают из угля, поэтому их иногда воспринимают как разные названия одного материала. Но кокс — твёрдый пористый остаток, а смола — жидкая сложная смесь органических веществ. Чтобы проверить себя, назови агрегатное состояние каждого продукта.

Ошибка: считать коксовый газ и аммиачную воду одним продуктом. Путаница возникает потому, что оба относятся к продуктам переработки угля и связаны с летучими веществами. На деле коксовый газ — газовая смесь, а аммиачная вода — водный раствор соединений аммиака. Сверяй не только происхождение, но и состояние, состав и применение продукта.

Связь с другими темами

Для понимания коксования нужно различать состав органических веществ и способы их превращения при нагревании. Особенно важно не смешивать горение, в котором участвует кислород, с нагреванием без доступа воздуха. Эти знания помогают проследить, почему из одного сырья возникают разные продукты. Позже они пригодятся при изучении металлургии, где применяют кокс, и промышленной химии, использующей газовые и жидкие продукты переработки.

Что запомнить

• Каменный уголь образовался из древних растительных остатков.
• Уголь служит и топливом, и химическим сырьём.
• Коксование проводят при нагревании без доступа воздуха.
• Коксование сопровождается образованием нескольких продуктов.
• Кокс применяют прежде всего в металлургии.
• Каменноугольная смола — смесь органических веществ.
• Продукты коксования используют в разных отраслях промышленности.