Номер 3, страница 48, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. При каких процессах получают древесный уголь? Каковы его строение, свойства, применение?

Процессы получения древесного угля

Древесный уголь получают в результате процесса, называемого пиролизом или сухой перегонкой древесины. Этот процесс заключается в термическом разложении древесины при высокой температуре (обычно в диапазоне 450–550o C) в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода. Если бы кислород присутствовал в достаточном количестве, древесина бы просто сгорела, образовав золу.

В ходе пиролиза сложные органические вещества, составляющие древесину (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза), распадаются. При этом образуются три группы продуктов:

• Твердый остаток: древесный уголь, который в основном состоит из углерода.

• Жидкие продукты (жижка): смесь, образующаяся при конденсации паров. Она содержит уксусную кислоту, метиловый спирт (метанол), ацетон, древесную смолу (деготь) и другие органические соединения.

• Газообразные продукты: негорючие ($CO_2$, $H_2O$) и горючие ($CO$, $CH_4$, $H_2$) газы.

Исторически углежжение производили в специальных кучах или ямах, где ограниченный доступ воздуха обеспечивался слоем дерна и земли. В современной промышленности используют специальные стальные печи и реторты, которые позволяют не только получить уголь высокого качества, но и уловить ценные жидкие и газообразные продукты пиролиза.

Ответ: Древесный уголь получают методом пиролиза (сухой перегонки) древесины, который представляет собой её нагревание до высоких температур без доступа кислорода.

Строение древесного угля

Древесный уголь не является чистым кристаллическим углеродом, как, например, алмаз или графит. Его основа — это аморфный углерод с небольшими участками неупорядоченной графитоподобной структуры. Содержание углерода ($\text{C}$) в нем колеблется от 75% до 95% в зависимости от породы дерева и режима пиролиза. Кроме углерода, в состав угля входят остаточные количества водорода, кислорода, азота, а также минеральные примеси, которые после сжигания угля образуют золу.

Ключевой особенностью строения древесного угля является его высокая пористость. В процессе пиролиза из древесины удаляются летучие компоненты, но её клеточная структура в значительной степени сохраняется. В результате образуется материал с огромным количеством микроскопических пор и капилляров. Эта развитая система пор создает очень большую удельную поверхность (до нескольких сотен квадратных метров на один грамм угля), что и определяет многие его уникальные свойства.

Ответ: Древесный уголь представляет собой высокопористый материал, состоящий преимущественно из аморфного углерода, который сохраняет клеточную структуру исходной древесины.

Свойства древесного угля

Свойства древесного угля обусловлены его составом и строением.

Физические свойства:

• Твердое, хрупкое вещество черного цвета с характерным блеском.

• Легкий, имеет низкую плотность.

• Сохраняет анатомическую структуру древесины (на изломе можно различить годичные кольца).

• Нерастворим в воде и других растворителях.

• Обладает электропроводностью.

Химические свойства:

• Высокая адсорбционная способность. Благодаря пористой структуре и большой удельной поверхности, уголь способен поглощать (адсорбировать) на своей поверхности газы, пары и растворенные в жидкостях вещества. Это его важнейшее свойство.

• Высокая теплотворная способность. Горит жарко (температура горения 1100-1300o C), практически без дыма и пламени, так как все летучие смолистые вещества были удалены при пиролизе. Удельная теплота сгорания составляет около 31 000–34 000 кДж/кг.

• Хороший восстановитель. При высоких температурах уголь (углерод) активно отнимает кислород у других соединений, в частности у оксидов металлов. Например, при выплавке железа: $Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$.

Ответ: Основными свойствами древесного угля являются высокая пористость, большая удельная поверхность, отличная адсорбционная способность, высокая теплота сгорания при бездымном горении, а также способность выступать в роли химического восстановителя.

Применение древесного угля

Благодаря своим свойствам древесный уголь находит широкое применение в различных сферах:

• Топливо. Используется как высококачественное бытовое и ресторанное топливо для грилей, мангалов и барбекю. В промышленности применяется в кузнечном деле.

• Металлургия. Применяется как восстановитель при выплавке чугуна, стали и цветных металлов. Особенно ценится за чистоту (низкое содержание серы и фосфора) при производстве высококачественных сплавов.

• Химическая промышленность. Служит сырьем для производства активированного угля, сероуглерода ($CS_2$), карбидов.

• Производство активированного угля. Это главная область применения. Активированный уголь, полученный из древесного, используется в медицине (как сорбент при отравлениях), в системах очистки воды и воздуха, в противогазах, в пищевой промышленности для осветления и очистки сиропов, масел, алкогольных напитков.

• Сельское хозяйство. В виде биочара вносится в почву для улучшения её структуры, повышения влагоемкости и плодородия, а также для удержания углерода.

• Искусство. Специальные угольные палочки используются художниками для рисования и создания эскизов.

• Прочее. Используется как пищевой краситель (E153), компонент черного пороха, а также как изоляционный материал в строительстве.

Ответ: Древесный уголь широко применяется в качестве топлива, восстановителя в металлургии, сырья для производства активированного угля, а также находит применение в сельском хозяйстве, искусстве и других отраслях.