§ 34. Уголь

Определения и обозначения

Ископаемый уголь — горючее полезное ископаемое, образовавшееся из древних растительных остатков. Его сжигают для получения тепла, а также перерабатывают, чтобы получить промышленное сырьё. Уголь ценен не только как топливо: из некоторых его видов производят кокс, газ и другие вещества.

Бурый уголь — разновидность угля с наименьшей степенью углефикации, то есть преобразования растительных остатков. В нём сравнительно много влаги и меньше углерода, чем в более зрелых видах угля. Поэтому при сгорании он обычно даёт меньше тепла на единицу массы.

Каменный уголь — уголь, который преобразовался сильнее бурого и содержит больше углерода. Он широко используется как топливо, а также как сырьё для коксования. Это особенно важно для промышленности, где кокс применяют при получении металлов.

Антрацит — наиболее углефицированная разновидность угля с высоким содержанием углерода. Он горит слабо заметным пламенем и долго сохраняет тепло, но разгорается труднее, чем бурый уголь. Его используют как топливо и в некоторых промышленных процессах.

Как это устроено

Древние растения отмирали и накапливались в болотах, где их остатки оказывались погребены под слоями осадков. В воде и под слоем грунта доступ воздуха был ограничен, поэтому растительная масса не разлагалась полностью. Со временем давление вышележащих пород и нагревание в недрах изменяли её состав. Так постепенно происходила углефикация — превращение растительных остатков в уголь.

Степень углефикации объясняет, почему угли отличаются друг от друга. При дальнейшем преобразовании из исходного материала уходит часть воды и летучих веществ, а относительная доля углерода увеличивается. Поэтому бурый уголь сменяется каменным, а при ещё более глубоком преобразовании образуется антрацит. Эта последовательность отражается и на свойствах: влажности, воспламеняемости и количестве тепла, выделяемого при сгорании.

Природный уголь нельзя описывать формулой чистого углерода: это сложная смесь веществ. В его органической части есть углерод и соединения, содержащие водород, кислород, азот и серу. Кроме того, в угле присутствуют минеральные примеси, которые после сжигания могут оставаться в виде золы. Различия в составе зависят от исходного растительного материала и условий его преобразования.

Во время горения углерод соединяется с кислородом, а энергия химической реакции выделяется в виде тепла. Если кислорода достаточно, происходит полное окисление и образуется углекислый газ: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода окисление может быть неполным, и образуется угарный газ CO. Он ядовит, поэтому для безопасного горения нужны хорошая подача воздуха и удаление продуктов сгорания.

Каменный уголь можно не сжигать, а нагревать без доступа воздуха. Такой процесс называется коксованием: сложная смесь веществ разлагается и превращается в несколько продуктов. Твёрдый остаток — кокс — используют, в частности, в металлургии; одновременно выделяются каменноугольная смола и коксовый газ. Смола служит химическим сырьём, а газ можно использовать как топливо и сырьё для дальнейшей переработки.

Разновидности ископаемого угля и их особенности

Таблица помогает сопоставить разновидности угля по степени преобразования, составу и применению. При движении от бурого угля к антрациту углефикация усиливается, а содержание углерода в целом возрастает. Применение зависит не только от состава, но и от того, насколько удобно уголь добывать и использовать.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полного сгорания углерода, содержащегося в угле, и назовите образующийся газ.

1. При полном сгорании углерод реагирует с кислородом. В продуктах должен быть углерод и кислород, а единственный продукт полного окисления — CO₂.
2. Записываем схему C + O₂ → CO₂. Число атомов углерода и кислорода слева и справа одинаково, поэтому уравнивать коэффициентами её не требуется.
3. Проверяем условие: кислорода достаточно, значит рассматривается именно полное, а не неполное сгорание.

Ответ: C + O₂ → CO₂; образуется углекислый газ.

Задача 2. В образце угля массой 12 кг содержится 80% углерода. Найдите массу CO₂, образующегося при полном сгорании всего углерода.

1. Сначала находим массу углерода: 12 кг · 0,80 = 9,6 кг. Остальная масса образца приходится на другие вещества и примеси.
2. По уравнению C + O₂ → CO₂ один моль углерода даёт один моль углекислого газа. Молярные массы равны 12 г/моль для C и 44 г/моль для CO₂, поэтому масса CO₂ в 44 ÷ 12 раза больше массы сгоревшего углерода.
3. Вычисляем: 9,6 · 44 ÷ 12 = 35,2 кг. Кислород для реакции поступает из воздуха, поэтому масса продукта может быть больше массы углерода в образце.

Ответ: образуется 35,2 кг CO₂.

Задача 3. Объясните, почему при коксовании каменного угля получают несколько продуктов, и укажите, какие из них используют как топливо, а какие — как химическое сырьё.

1. Каменный уголь — смесь многих веществ, а не одно чистое соединение. При нагревании без доступа воздуха её компоненты разлагаются и превращаются в разные продукты, поэтому образуется не только твёрдый остаток.
2. Разделяем продукты по агрегатному состоянию и назначению: кокс — твёрдый продукт, коксовый газ — газообразный, каменноугольная смола — смесь жидких веществ. Кокс применяют в металлургии, газ используют как топливо, а смолу — как химическое сырьё.
3. Некоторые продукты могут иметь несколько направлений применения: например, газ способен служить и топливом, и сырьём для химической переработки. Поэтому классифицировать их нужно по конкретному способу использования.

Ответ: несколько продуктов возникают из-за разложения смеси веществ. Кокс используют в металлургии, коксовый газ — как топливо, каменноугольную смолу — преимущественно как химическое сырьё.

Типичные ошибки

Ошибка: считать уголь чистым углеродом. Так можно решить, увидев, что уголь горит и при этом образуется CO₂. Но природный уголь содержит органические соединения и минеральные примеси, а также водород, кислород, азот и серу. Проверьте себя: если в задаче дан процент углерода, для расчётов нужно учитывать только указанную долю, а не всю массу угля.

Ошибка: называть сжигание угля коксованием. Эти процессы различаются условиями: при сжигании уголь взаимодействует с кислородом, а коксование проводят при нагревании без доступа воздуха. Их путают, потому что оба связаны с нагреванием угля. Проверьте, присутствует ли кислород среди условий процесса.

Ошибка: путать кокс с каменным углём. Каменный уголь — природное ископаемое, а кокс — твёрдый продукт его переработки. Названия близки, поэтому полезно уточнить происхождение вещества: кокс получают при коксовании. В задаче о составе кокса не следует автоматически считать его исходным углём.

Ошибка: считать, что при любом горении углерода получается только CO₂. Это верно для полного сгорания, но при нехватке кислорода возможно образование CO. Путаница возникает, если не обращать внимания на условия реакции. Перед записью уравнения выясните, сказано ли о полном сгорании или об ограниченном доступе воздуха.

Связь с другими темами

Для изучения угля нужны знания об атоме углерода, свойствах кислорода и составлении уравнений реакций. Тема продолжает разговор о горении и окислении: по условиям реакции можно определить, образуется CO₂ или CO. Расчёты по уравнениям помогают находить массу продуктов сгорания по количеству углерода в образце. Коксование связывает химию с органическими веществами, металлургией и переработкой природного сырья, где важны свойства каждого полученного продукта.

Что запомнить

• Уголь образовался из древних растительных остатков в процессе углефикации.
• Бурый уголь, каменный уголь и антрацит различаются степенью углефикации и свойствами.
• Природный уголь — смесь веществ, а не чистый углерод.
• При полном сгорании углерода образуется углекислый газ.
• При недостатке кислорода возможно образование угарного газа.
• Коксование — нагревание каменного угля без доступа воздуха.
• Кокс, каменноугольная смола и коксовый газ имеют промышленное применение.