§ 34. Уголь

Определения и обозначения

Уголь — природный или искусственно полученный углеродсодержащий материал, образующийся из органических остатков или при термической переработке веществ. Это не обязательно чистый углерод: в составе могут быть вода, минеральные частицы и другие соединения. Такое определение помогает объединить разные виды угля, хотя их свойства и назначение заметно различаются.

Каменный уголь — ископаемый уголь с высоким содержанием углерода, который используют как топливо и сырьё. Он образовался в земной коре из древних растительных остатков и может содержать примеси. Понятие важно, чтобы отличать природное топливо от продуктов его переработки, например кокса.

Кокс — твёрдый пористый продукт нагревания каменного угля без доступа воздуха. При таком нагревании часть веществ улетучивается, а остаётся богатый углеродом материал. Кокс нужен металлургии: он даёт тепло и участвует в получении железа из руды.

Активированный уголь — специально обработанный пористый углеродный материал с высокой адсорбционной способностью. Адсорбция — удерживание частиц на поверхности, в том числе на стенках пор. Это свойство позволяет использовать такой уголь для очистки воды, воздуха и растворов.

Как это устроено

Ископаемый уголь возникает из остатков растений, накопившихся в древних болотах. После погребения под слоями осадочных пород растительное вещество испытывает давление и нагревается, а доступ кислорода ограничен. За очень долгое время из него уходят вода и часть летучих веществ, поэтому доля углерода увеличивается. На разных стадиях преобразования формируются бурый уголь, каменный уголь и антрацит.

Свойства угля зависят не только от его названия, но и от состава конкретного образца. Чем больше углерода и меньше влаги, тем обычно выше теплотворность — количество теплоты, выделяемое при сгорании заданной массы топлива. Минеральные примеси не горят и после сжигания могут оставаться в виде золы. Летучие вещества при нагревании выходят из угля и влияют на воспламенение, дымность и продукты переработки.

Древесный уголь получают, нагревая древесину без доступа воздуха: кислород не должен позволить ей просто сгореть. При нагревании часть веществ превращается в газы и пары, а твёрдый остаток становится богатым углеродом. Подобным образом из каменного угля получают кокс, но это промышленная переработка ископаемого сырья. Помимо кокса, выделяются газообразные и конденсируемые продукты, которые могут служить химическим сырьём.

Активированный уголь удерживает молекулы благодаря множеству мелких пор. Поры дают материалу очень большую поверхность, даже если кусочек выглядит небольшим. При адсорбции частицы вещества закрепляются на этой поверхности; при поглощении всем объёмом они проникали бы внутрь поглотителя и распределялись в его массе. Поэтому уголь способен удалять из воды некоторые растворённые вещества и из воздуха — молекулы, вызывающие запах.

Уголь используют по-разному в зависимости от его состава и строения. При сгорании он выделяет тепло, поэтому служит топливом, но для полного сгорания необходим достаточный доступ кислорода. В металлургии кокс не только горит, но и помогает восстановить железо из руды, то есть удалить из соединений железа кислород. Уголь также служит сырьём для химической промышленности, а активированный уголь используют как адсорбент для очистки.

Виды угля и продукты его переработки

Сравнивай материалы по способу получения и составу, а затем связывай свойства с применением. Например, кокс ценен для металлургии как топливо и восстановитель, а активированный уголь — благодаря пористой поверхности. Указанные свойства типичны: состав природного угля может различаться.

Разбор задач

1. Полное сгорание углерода

Запишите уравнение полного сгорания углерода и назовите образующийся продукт. Слово «полное» означает, что кислорода достаточно для окисления углерода до высшей устойчивой степени окисления в этом соединении. Сначала запишем формулы реагентов и продукта, затем проверим число атомов с обеих сторон.

1. Реагенты: углерод C и кислород O₂. При полном сгорании образуется углекислый газ CO₂.
2. Записываем: C + O₂ → CO₂. Слева и справа по одному атому углерода и по два атома кислорода, поэтому коэффициенты уже расставлены.

Ответ: C + O₂ → CO₂; продукт реакции — углекислый газ, или диоксид углерода. Если кислорода не хватает, нельзя автоматически применять это уравнение: может образоваться угарный газ CO.

2. Очистка раствора активированным углём

Раствор, пропущенный через слой активированного угля, теряет окраску или неприятный запах. Нужно объяснить наблюдение не химической реакцией с растворителем, а свойствами самого угля. Ключ к решению — большая поверхность его пор и способность удерживать на ней молекулы примесей.

1. Вспоминаем, что активированный уголь имеет множество мелких пор. Поэтому его поверхность велика по сравнению с размером кусочка.
2. Растворённые окрашенные вещества или пахучие молекулы соприкасаются с поверхностью и удерживаются на ней. Это явление называется адсорбцией.

Ответ: примеси адсорбируются на пористой поверхности активированного угля, поэтому их становится меньше в растворе. Это не означает, что уголь обязательно разрушает примеси или растворяет их в себе. Эффект зависит от вида вещества, количества угля и времени контакта.

3. Объём углекислого газа при сгорании угля

В образце угля массой 20 г содержится 80% углерода. Требуется найти объём CO₂, который образуется при полном сгорании углерода при н. у.; примеси в расчёт реакции не вступают. Сначала найдём массу углерода, потому что реагирует не вся масса образца. Затем используем уравнение C + O₂ → CO₂ и молярный объём газа при нормальных условиях, равный 22,4 л/моль.

1. Масса углерода: m(C) = 20 г · 0,80 = 16 г. Процент перевели в долю: 80% = 0,80.
2. Количество вещества углерода: n(C) = m/M = 16/12 = 1,33 моль, где M(C) = 12 г/моль.
3. По уравнению реакции 1 моль C даёт 1 моль CO₂, значит n(CO₂) = 1,33 моль.
4. Объём при н. у.: V(CO₂) = n · 22,4 = 1,33 · 22,4 ≈ 29,9 л.

Ответ: образуется примерно 29,9 л углекислого газа. В расчёте учтён только углерод, а не вся масса образца. Такой порядок действий помогает не завысить количество продуктов реакции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать уголь чистым углеродом. Так думают, потому что углерод — его основной компонент. Однако природный уголь содержит влагу, минеральные примеси и другие вещества, поэтому проверяй условие задачи и учитывай указанную массовую долю углерода.

Ошибка: считать, что уголь всегда сгорает до CO₂. При нехватке кислорода возможно образование угарного газа CO, и одной формулы полного сгорания недостаточно. Проверь, сказано ли в задаче о полном сгорании или избытке кислорода; помни, что CO ядовит.

Ошибка: путать адсорбцию с растворением или впитыванием всем объёмом. Это происходит из-за похожего результата — примеси исчезают из воды. Проверь себя вопросом, где удерживаются частицы: при адсорбции они закрепляются на поверхности пор, а не распределяются по всему объёму угля.

Ошибка: считать кокс и активированный уголь одним материалом. Оба богаты углеродом и пористы, но этого сходства недостаточно, чтобы отождествлять их. Кокс получают из каменного угля и применяют в металлургии, а активированный уголь специально обрабатывают для усиления адсорбции и используют для очистки.

Связь с другими темами

Чтобы понять тему, нужны знания о свойствах углерода, окислении, типах химических реакций и расчётах по уравнениям. Применение кокса связано с металлургией, производством чугуна и стали, а активированного угля — с очисткой воды и воздуха. Позже эти знания помогут разбирать природные источники углеводородов, адсорбцию и экологические последствия сжигания топлива.

Что запомнить

• Уголь состоит преимущественно из углерода, но природные виды содержат примеси.
• Ископаемый уголь образуется из растительных остатков при длительном воздействии давления и температуры.
• При полном сгорании углерода образуется углекислый газ.
• Кокс получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха.
• Активированный уголь обладает развитой пористой поверхностью.
• Адсорбция — удерживание веществ поверхностью угля.
• Уголь применяют как топливо, восстановитель, сырьё и адсорбент.