Страница 55 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Происхождение и классификация ископаемого угля

Ископаемый уголь — это твёрдое горючее полезное ископаемое, осадочная порода растительного происхождения. Процесс его образования называется углефикацией и занимает миллионы лет.

Происхождение
Формирование угля началось в палеозойскую эру, преимущественно в каменноугольный период (карбон), около 300–360 миллионов лет назад. В то время климат был тёплым и влажным, а суша была покрыта густыми лесами из гигантских древовидных папоротников, хвощей и плаунов. Отмирая, эти растения падали в болота и древние озёра. Из-за недостатка кислорода под водой они не разлагались полностью, а образовывали толстые слои торфа. Со временем эти слои перекрывались новыми осадочными породами (песком, глиной). Под огромным давлением верхних слоёв и воздействием высоких температур в глубине земной коры торф постепенно уплотнялся, терял воду и летучие вещества (метан, углекислый газ). В результате этих преобразований увеличивалось относительное содержание углерода, и торф превращался в уголь. Глубина залегания и время определяли степень углефикации (метаморфизма) и, соответственно, тип угля.

Классификация
Ископаемые угли классифицируют по степени метаморфизма, которая отражает стадию их преобразования. Основные марки угля в порядке увеличения степени углефикации:

• Бурый уголь (лигнит) — самый молодой из ископаемых углей. Характеризуется высоким содержанием влаги (30–45%), большим выходом летучих веществ и, как следствие, низкой теплотой сгорания. Содержание углерода в нём составляет 65–75%. Имеет бурый цвет и рыхлую структуру.
• Каменный уголь — более плотная порода чёрного или серо-чёрного цвета. Содержание углерода в нём выше (75–90%), а влаги и летучих веществ меньше, чем в буром угле. Обладает высокой теплотой сгорания. Это основной вид угля, используемый в мировой энергетике и в качестве сырья для производства кокса в металлургии. В зависимости от технологических свойств каменные угли делятся на различные марки: длиннопламенные (Д), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К) и др.
• Антрацит — уголь наивысшей степени углефикации. Это очень твёрдая, плотная порода чёрного цвета с металлическим блеском. Содержит свыше 90–95% углерода, а содержание влаги и летучих веществ минимально. Горит почти без пламени и дыма, выделяя максимальное количество тепла.

Ответ: Ископаемый уголь образуется из древних растительных остатков в процессе углефикации, который происходит под высоким давлением и температурой в недрах Земли без доступа кислорода. По степени преобразования (метаморфизма) и содержанию углерода уголь классифицируется на три основных вида: бурый уголь, каменный уголь и антрацит.

Важнейшие месторождения каменного угля в Российской Федерации

Россия обладает одними из крупнейших в мире запасов каменного угля, которые сосредоточены в нескольких угольных бассейнах. Поскольку указать месторождения на карте в данном формате невозможно, приведём их перечень с описанием географического положения:

• Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс). Расположен в Западной Сибири, в основном на территории Кемеровской области. Это один из крупнейших угольных бассейнов мира, который обеспечивает более половины всей добычи угля в России. Здесь добываются как энергетические, так и высококачественные коксующиеся угли, необходимые для металлургической промышленности.
• Печорский угольный бассейн. Находится на северо-востоке европейской части России, на территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа. Значительная часть бассейна расположена за Полярным кругом. Является важным источником коксующихся углей. Добыча угля здесь осложнена суровыми климатическими условиями и вечной мерзлотой.
• Южно-Якутский угольный бассейн. Расположен на юге Республики Саха (Якутия) в Восточной Сибири. Содержит крупные запасы высококачественных коксующихся и энергетических углей. Его активное освоение стало возможным благодаря строительству Байкало-Амурской магистрали (БАМ).
• Донецкий угольный бассейн (Донбасс). Восточное крыло этого бассейна находится в Ростовской области России. Это один из старейших угледобывающих регионов, известный своими запасами высококачественных антрацитов и коксующихся углей.
• Тунгусский угольный бассейн. Гигантский по площади бассейн в Сибири (Красноярский край, Иркутская область, Якутия). Потенциальные запасы угля здесь колоссальны, но бассейн очень слабо освоен из-за экстремальных климатических условий, удалённости и полного отсутствия инфраструктуры.

Ответ: Важнейшими освоенными бассейнами каменного угля в России являются Кузнецкий (Кузбасс), Печорский, Южно-Якутский и российская часть Донецкого бассейна. Они являются основной базой для топливно-энергетического комплекса и металлургии страны. Также существуют гигантские, но слаборазвитые бассейны, такие как Тунгусский.

Какой процесс называют коксованием каменного угля?

Коксованием каменного угля называют процесс его термической переработки (пиролиза), который заключается в нагревании угля без доступа воздуха до высоких температур (обычно $900-1100$ °C). Этот процесс проводят в специальных коксовых печах. В результате сложных физико-химических превращений органическая масса угля разлагается с образованием твёрдого пористого остатка — кокса, а также летучих продуктов, которые улавливаются и перерабатываются.

Целью коксования является получение кокса, который служит основным топливом и химическим реагентом (восстановителем) в доменном производстве чугуна, а также ценных химических продуктов из летучих компонентов.

Ответ: Коксование каменного угля — это метод его переработки путём нагрева до $900-1100$ °C без доступа кислорода для получения кокса и других химических продуктов.

Какие основные продукты коксохимического производства и направления их вторичной переработки вы можете назвать?

Коксохимическое производство является комплексным, и кроме основного продукта (кокса) позволяет получать целый ряд ценных веществ. Основные продукты и направления их переработки следующие:

• Кокс — твёрдый углеродистый продукт. Это главный целевой продукт.
  • Направления переработки и использования: используется в основном в чёрной металлургии как топливо и восстановитель железной руды в доменных печах (около 80% всего производимого кокса). Также применяется в литейном производстве (ваграночный кокс), в химической промышленности (например, для производства карбида кальция), а также как высококачественное бездымное топливо.
• Коксовый газ — газообразный продукт, выходящий из коксовых печей.
  • Направления переработки и использования: после очистки от вредных примесей (аммиака, сероводорода) используется как промышленное и бытовое топливо благодаря высокой теплоте сгорания. Является ценным химическим сырьём для получения водорода ($H_2$), который далее используется для синтеза аммиака ($NH_3$), а также для извлечения метана ($CH_4$) и этилена ($C_2H_4$).
• Каменноугольная смола — вязкая жидкость чёрного цвета со специфическим запахом, конденсирующаяся при охлаждении коксового газа.
  • Направления переработки и использования: это сложнейшая смесь нескольких сотен органических соединений, в основном ароматических. Является важнейшим сырьём для органического синтеза. Её перерабатывают методом фракционной перегонки, получая различные фракции:
    • Бензольная фракция: источник бензола, толуола, ксилолов. Используются для производства пластмасс, синтетических волокон (капрон, нейлон), синтетических каучуков, красителей, лекарств.
    • Фенольная фракция: источник фенолов и их гомологов. Используются для производства фенолформальдегидных смол, антисептиков, лекарственных препаратов.
    • Нафталиновая фракция: основной источник нафталина. Используется для синтеза фталевого ангидрида (производство пластификаторов, красителей), инсектицидов.
    • Антраценовая фракция: источник антрацена, фенантрена, карбазола. Используется для производства ценных красителей и других органических продуктов.
    Твёрдый остаток после перегонки смолы — пек. Его используют для производства электродной продукции, кровельных и гидроизоляционных материалов (толь, рубероид), а также в дорожном строительстве.
• Надсмольная (аммиачная) вода — водный конденсат, образующийся при охлаждении коксового газа.
  • Направления переработки и использования: содержит растворённый аммиак, его соли, фенолы, пиридиновые основания. Основное направление переработки — извлечение аммиака. Полученный аммиак направляют на производство сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$) — ценного азотного удобрения, путём его реакции с серной кислотой.

Ответ: Основные продукты коксохимического производства: кокс (используется в металлургии), коксовый газ (топливо и химическое сырьё), каменноугольная смола (сырьё для получения ароматических углеводородов, фенолов, красителей) и надсмольная вода (источник аммиака для производства удобрений).

Антрацит, каменный уголь и бурый уголь — это ископаемые угли, представляющие собой разные стадии углефикации (метаморфизма) древних растительных остатков. Основные различия между ними заключаются в химическом составе, физических свойствах и теплоте сгорания, что определяет их области применения.

Основные различия антрацита, каменного угля и бурого угля

Различия обусловлены глубиной залегания и, соответственно, степенью воздействия давления и температуры на протяжении геологического времени.

• Бурый уголь (лигнит)

  Это самый молодой из ископаемых углей, с наименьшей степенью углефикации.

  • Содержание углерода: $65-75\%$.
  • Содержание влаги: высокое, $30-60\%$.
  • Содержание летучих веществ: высокое, до $50\%$.
  • Теплота сгорания (низшая): низкая, $10-27$ МДж/кг.
  • Внешний вид: порода бурого или черного цвета, рыхлая, с хорошо различимой структурой растительных остатков.
• Каменный уголь

  Продукт более глубокой углефикации, чем бурый уголь. Занимает промежуточное положение.

  • Содержание углерода: $75-92\%$.
  • Содержание влаги: $5-15\%$.
  • Содержание летучих веществ: $15-40\%$.
  • Теплота сгорания (низшая): высокая, $25-36$ МДж/кг.
  • Внешний вид: порода черного цвета, плотная, хрупкая, часто со слоистой структурой.
• Антрацит

  Наиболее древний и метаморфизованный вид угля, с самой высокой степенью углефикации.

  • Содержание углерода: $92-98\%$.
  • Содержание влаги: низкое, $3-5\%$.
  • Содержание летучих веществ: низкое, менее $8\%$.
  • Теплота сгорания (низшая): самая высокая, $33-35$ МДж/кг.
  • Внешний вид: порода интенсивно-черного цвета с сильным металлическим блеском, очень твердая и плотная.

Ответ: Основные различия между бурым углем, каменным углем и антрацитом заключаются в степени их углефикации, что проявляется в разном содержании углерода, влаги и летучих веществ. По мере перехода от бурого угля к антрациту увеличивается содержание углерода и теплота сгорания, а содержание влаги и летучих веществ уменьшается.

Области их использования

• Бурый уголь:

  Из-за низкой теплоты сгорания и высокого содержания влаги его транспортировка на дальние расстояния нерентабельна. Поэтому он используется в основном как местное топливо для тепловых электростанций (ТЭС), расположенных вблизи мест добычи. Также является сырьем для химической промышленности для получения горного воска, гуминовых удобрений и синтетического топлива.

• Каменный уголь:

  Имеет самое широкое применение. Энергетические марки используются в качестве топлива на ТЭС и в котельных для выработки электроэнергии и тепла. Коксующиеся марки являются незаменимым сырьем для черной металлургии — из них получают кокс, который используется в доменном производстве чугуна. Также он служит сырьем для коксохимической промышленности, где из него получают нафталин, бензол и другие ценные продукты.

• Антрацит:

  Является высококачественным энергетическим топливом, так как горит почти без дыма и пламени и выделяет большое количество тепла. Используется в энергетике, в коммунально-бытовом секторе (отопление). В металлургии применяется при агломерации руд и как заменитель кокса в некоторых процессах. Также из антрацита производят электроды, адсорбенты (активированный уголь) и фильтрующие материалы.

Ответ: Бурый уголь используется преимущественно как топливо для местных ТЭС и как химическое сырье. Каменный уголь — основной вид топлива для энергетики и сырье для получения кокса в металлургии. Антрацит применяется как высококачественное бездымное топливо в энергетике и быту, а также в металлургии и для производства электродов и адсорбентов.

4. Дано:
масса образца каменного угля, $m_{угля} = 0,27 \text{ г}$
масса осадка ($BaCO_3$), $m_{осадка} = 3,94 \text{ г}$

Найти:
массовую долю углерода в образце, $\omega(C)$

Решение:

При сжигании каменного угля весь углерод (C), содержащийся в нем, превращается в углекислый газ ($CO_2$).

Уравнение реакции горения углерода:

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

При пропускании образовавшихся газов через избыток раствора гидроксида бария ($Ba(OH)_2$), углекислый газ реагирует с ним, образуя нерастворимый осадок — карбонат бария ($BaCO_3$).

Уравнение реакции образования осадка:

$CO_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCO_3 \downarrow + H_2O$

Из уравнений видно, что весь углерод из исходного образца угля перешел в состав карбоната бария. Таким образом, количество вещества углерода в образце равно количеству вещества образовавшегося карбоната бария:

$\nu(C) = \nu(CO_2) = \nu(BaCO_3)$

1. Рассчитаем молярную массу карбоната бария ($BaCO_3$):

$M(BaCO_3) = Ar(Ba) + Ar(C) + 3 \cdot Ar(O) = 137 + 12 + 3 \cdot 16 = 197 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества карбоната бария в осадке:

$\nu(BaCO_3) = \frac{m_{осадка}}{M(BaCO_3)} = \frac{3,94 \text{ г}}{197 \text{ г/моль}} = 0,02 \text{ моль}$

3. Согласно стехиометрическим соотношениям, количество вещества углерода равно количеству вещества карбоната бария:

$\nu(C) = \nu(BaCO_3) = 0,02 \text{ моль}$

4. Вычислим массу углерода, содержавшегося в образце угля. Молярная масса углерода $M(C) = 12 \text{ г/моль}$.

$m(C) = \nu(C) \cdot M(C) = 0,02 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,24 \text{ г}$

5. Рассчитаем массовую долю углерода в образце каменного угля:

$\omega(C) = \frac{m(C)}{m_{угля}} \cdot 100\% = \frac{0,24 \text{ г}}{0,27 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 88,9\%$

Ответ: массовая доля углерода в образце каменного угля составляет 88,9%.

Дано:

Масса раствора аммиачной воды, $m_{р-ра} = 2 \text{ т}$
Массовая доля аммиака, $\omega(NH_3) = 3,4 \%$

$m_{р-ра} = 2 \text{ т} = 2000 \text{ кг}$
$\omega(NH_3) = 3,4 \% = 0,034$

Найти:

Массу сульфата аммония, $m((NH_4)_2SO_4) - ?$

Решение:

Сульфат аммония $(NH_4)_2SO_4$ получают при взаимодействии аммиачной воды (водного раствора аммиака $NH_3$) с серной кислотой $H_2SO_4$. Запишем уравнение реакции:

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

1. Найдем массу чистого аммиака ($NH_3$), содержащегося в 2000 кг аммиачной воды.

$m(NH_3) = m_{р-ра} \cdot \omega(NH_3) = 2000 \text{ кг} \cdot 0,034 = 68 \text{ кг}$

2. Рассчитаем молярные массы ($M$) аммиака и сульфата аммония. Используем округленные относительные атомные массы: $Ar(N) \approx 14$, $Ar(H) \approx 1$, $Ar(S) \approx 32$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль} = 17 \text{ кг/кмоль}$
$M((NH_4)_2SO_4) = (14 + 4 \cdot 1) \cdot 2 + 32 + 4 \cdot 16 = 36 + 32 + 64 = 132 \text{ г/моль} = 132 \text{ кг/кмоль}$

3. По уравнению реакции составим пропорцию для расчета массы продукта. Из уравнения видно, что из 2 моль $NH_3$ образуется 1 моль $(NH_4)_2SO_4$. Соотнесем массы веществ:

На образование $132$ кг $(NH_4)_2SO_4$ (1 кмоль) требуется $2 \cdot 17 = 34$ кг $NH_3$ (2 кмоль).
У нас есть $68$ кг $NH_3$, из которых получится $x$ кг $(NH_4)_2SO_4$.

Составим пропорцию:

$\frac{68 \text{ кг } (NH_3)}{x \text{ кг } ((NH_4)_2SO_4)} = \frac{34 \text{ кг } (NH_3)}{132 \text{ кг } ((NH_4)_2SO_4)}$

Решим уравнение относительно $x$:

$x = \frac{68 \text{ кг} \cdot 132 \text{ кг}}{34 \text{ кг}} = 2 \cdot 132 \text{ кг} = 264 \text{ кг}$

Ответ: из 2 т аммиачной воды можно получить 264 кг сульфата аммония.

Сообщение об этой сфере научных интересов великого русского химика
Дмитрий Иванович Менделеев, известный во всем мире благодаря созданию Периодической таблицы химических элементов, обладал невероятно широким кругом научных интересов, выходивших далеко за рамки «чистой» химии. Одной из его провидческих идей, опередивших время, стала концепция подземной газификации угля (ПГУ).

Менделеев рассматривал уголь, нефть и другие ископаемые не просто как топливо, а как ценнейшее химическое сырье. Его знаменитое высказывание «Топить можно и ассигнациями» прекрасно отражает его взгляд на нерациональное сжигание углеводородов. В 1888 году он выдвинул идею о том, чтобы не извлекать уголь из-под земли с помощью тяжелого и опасного шахтерского труда, а превращать его в горючий газ непосредственно в месте залегания.

Суть идеи Менделеева заключалась в следующем: в угольный пласт через пробуренные скважины подается окислитель (например, воздух или водяной пар), после чего уголь поджигается. В условиях ограниченного доступа кислорода и высоких температур происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых твердый уголь превращается в так называемый синтез-газ (или генераторный газ). Этот газ, состоящий в основном из оксида углерода ($CO$), водорода ($H_2$), метана ($CH_4$), и, в случае использования воздуха, азота ($N_2$), можно было бы вывести на поверхность через другие скважины и использовать как топливо или как сырье для химической промышленности.

Основные химические реакции, лежащие в основе процесса:
1. Горение угля (экзотермическая реакция, дающая тепло для других процессов): $C + O_2 \rightarrow CO_2$
2. Газификация углерода (эндотермические реакции): $C + CO_2 \leftrightarrow 2CO$ (реакция Будуара) и $C + H_2O \leftrightarrow CO + H_2$ (паровая газификация).

Менделеев видел в этом методе огромные преимущества:

• Устранение опасного шахтерского труда.
• Возможность разработки тонких пластов или глубоко залегающих месторождений, добыча которых традиционным способом нерентабельна.
• Получение удобного в транспортировке и использовании газообразного топлива.

К сожалению, технологический уровень того времени не позволял реализовать эту идею на практике. Однако именно концепция Д.И. Менделеева легла в основу всех последующих разработок в этой области. Первые успешные промышленные эксперименты по подземной газификации угля были проведены уже в СССР в 1930-х годах.

Ответ: Дмитрий Иванович Менделеев в конце XIX века предложил революционную идею подземной газификации угля. Он считал нерациональным просто сжигать уголь и видел в нем ценное химическое сырье. Его концепция заключалась в том, чтобы не добывать уголь шахтным методом, а превращать его в горючий синтез-газ прямо в пласте путем контролируемого горения. Это позволило бы избежать опасного труда шахтеров, разрабатывать труднодоступные месторождения и получать удобное газообразное топливо и химическое сырье. Идея Менделеева значительно опередила свое время и стала теоретической основой для практических разработок в XX веке.

Актуальны ли идеи Д. И. Менделеева в наше время?
Идеи Д. И. Менделеева о подземной газификации угля не только не утратили своей актуальности, но и переживают новый виток интереса в XXI веке, хотя и с существенными оговорками.

Аргументы в пользу актуальности:

1. Энергетическая безопасность и ресурсы. На планете имеются гигантские запасы угля, которые невозможно или экономически невыгодно добывать традиционными методами. ПГУ позволяет получить доступ к этим ресурсам, превращая их в ценный энергоноситель.
2. Экономическая эффективность. Технология исключает многие затратные этапы: строительство шахт, наем большого числа горняков, транспортировку твердого топлива. Это может существенно снизить себестоимость получаемой энергии.
3. Экологические преимущества (в сравнении с традиционной добычей). ПГУ позволяет избежать нарушения ландшафта, образования терриконов (отвалов пустой породы) и угольной пыли на поверхности. Кроме того, технология открывает перспективы для улавливания и захоронения углекислого газа (технология CCS – Carbon Capture and Storage). $CO_2$ можно отделить от синтез-газа и закачать обратно в выработанное подземное пространство, что снижает углеродный след.
4. Гибкость использования продукта. Получаемый синтез-газ является универсальным продуктом. Его можно использовать для выработки электроэнергии, а также как сырье для синтеза жидкого топлива (по процессу Фишера-Тропша), метанола, водорода и других важных химических продуктов. Это полностью соответствует видению Менделеева об углубленной переработке ископаемого сырья.

Проблемы и риски, ограничивающие применение:

• Загрязнение подземных вод. Это главный экологический риск. В процессе газификации могут образовываться и попадать в грунтовые воды токсичные соединения: фенолы, бензол, тяжелые металлы. Для минимизации риска требуется тщательный подбор площадки с подходящими гидрогеологическими условиями.
• Проседание грунта. Выгорание угля под землей может привести к обрушению вышележащих пород и проседанию земной поверхности.
• Сложность контроля. Управление процессом горения на большой глубине под землей является сложной инженерной задачей. Трудно обеспечить стабильное качество и состав получаемого газа.

Взвешивая все за и против, можно заключить, что провидческие идеи Менделеева сегодня чрезвычайно актуальны. Современный мир ищет пути более эффективной и экологически приемлемой добычи энергии из ископаемых источников на переходном этапе к «зеленой» энергетике. Подземная газификация угля, особенно в сочетании с технологиями улавливания углерода, является одним из таких перспективных направлений. Хотя технология сопряжена со значительными экологическими и техническими рисками, которые требуют серьезных научных исследований и инженерных решений, ее потенциал огромен. Таким образом, гениальная мысль Менделеева продолжает вдохновлять ученых и инженеров и в наши дни.

Ответ: Да, идеи Д. И. Менделеева о подземной газификации угля очень актуальны в наше время. Они отвечают современным вызовам в области энергетики и экологии: позволяют получить доступ к трудноизвлекаемым запасам угля, снизить издержки и экологический ущерб на поверхности (в сравнении с шахтной добычей). Особенно перспективным является сочетание ПГУ с технологиями улавливания и хранения углекислого газа. Несмотря на наличие серьезных рисков (загрязнение подземных вод, сложность контроля процесса), потенциальные выгоды делают эту технологию предметом активных исследований и пилотных проектов по всему миру, подтверждая гениальность и дальновидность великого ученого.