ГДЗ по химии 10 класс, базовый уровень учебник Габриелян, Остроумов — страница 55

   Ископаемый уголь появился из остатков древних растений. Примерно 300–350 миллионов лет назад (в каменноугольный и пермский периоды) на Земле были обширные болота с древовидными папоротниками, хвощами и первыми голосеменными растениями. Отмирая, растительность накапливалась слоями. Если такие залежи со временем перекрывались осадочными породами, начинался долгий процесс: под давлением толщи пород, при повышенной температуре и без доступа кислорода органика постепенно превращалась сначала в торф, затем в бурый уголь, дальше — в каменный, а при ещё более глубоких и интенсивных преобразованиях — в антрацит. Чем глубже и дольше формировался пласт, тем выше степень «углефикации» — в итоговом угле становилось больше углерода и меньше летучих веществ.
     По исходному материалу угли делят на два основных типа:
   • Гумусовые — образовались из остатков высших растений (древесины, листьев, стеблей).
   • Сапропелитовые — произошли из остатков низших растений, главным образом водорослей.

Классификация
   Чаще всего угли классифицируют по степени преобразования и содержанию углерода. Выделяют:
   • Бурый уголь — самый «молодой». Содержит около 65–70% углерода, много влаги (до 40–43%), из-за чего имеет относительно низкую теплоту сгорания. Часто рыхлый, бурого цвета.
   • Каменный уголь — промежуточная стадия. Содержание углерода 75–95%, влаги меньше (обычно 5–12%), есть летучие вещества, благодаря которым уголь неплохо воспламеняется.
     • Антрацит — наиболее «зрелый». Содержит около 95% углерода, очень мало влаги (1–3%) и летучих веществ. Отличается высокой плотностью, часто имеет металлический блеск. Плохо воспламеняется, но даёт много тепла.

   Иногда в эту шкалу включают и графит как конечную, самую глубокую стадию преобразования.
     Дополнительно внутри категорий (особенно для каменного угля) выделяют марки (длиннопламенный, газовый, жирный, коксующийся и др.). Их определяют по комплексу признаков: теплоте сгорания, зольности, выходу летучих веществ, спекаемости.
   Важнейшие месторождения каменного угля в РФ: Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс); Печорский угольный бассейн (республика Коми и Ненецкий автономный округ); Иркутский угольный бассейн.

   Один из основных процессов химической переработки каменного угля — коксование.
   Коксование — процесс высокотемпературного нагревания угля без доступа воздуха.
   Этот процесс проводят с целью получения важнейшего для металлургической промышленности продукта — кокса. Кроме него, в результате коксования образуются каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ. Отрасль чёрной металлургии, занимающуюся переработкой каменного угля методом коксования, называют коксохимическим производством.
   При коксовании каменный уголь загружают в коксовую печь и нагревают при 1000°C в течение 14–15 ч. Кусочки угля превращаются в кокс, представляющий собой практически чистый углерод. Кокс выталкивают из печи, сортируют и отправляют на металлургические заводы для использования в доменном процессе.
   Органические вещества, входящие в состав каменного угля, при нагревании постепенно разлагаются с образованием летучих продуктов. Они поступают в специальный сборник, где конденсируются в две несмешивающиеся жидкости: каменноугольную смолу (каменноугольный дёготь) и аммиачную воду. В состав каменноугольной смолы входит около 300 различных соединений, часть из которых выделяют путём фракционной перегонки. Так получают, например, бензол и другие ароматические углеводороды. В аммиачной воде содержатся, естественно, в растворённом состоянии, аммиак и другие вещества. На специальной колонне растворённые вещества выделяют и разделяют. Полученный аммиак идёт главным образом на производство азотных удобрений.
   Коксовый газ, оставшийся после конденсации, очищают от остатков смол и извлекают из него аммиак. Для этого газ пропускают через раствор серной кислоты, превращая аммиак в сульфат аммония, который используют в качестве азотного удобрения. Из коксового газа выделяют также водород, этилен и некоторые другие вещества.

   Главное, что меняется от бурого угля к антрациту, — это «зрелость» угля: сколько миллионов лет он «доходил» под землёй, насколько сильно спрессовался и сколько в нём осталось воды и примесей. Учёные называют это степенью углефикации.
   • Бурый уголь — самый «молодой». В нём ещё много влаги (иногда до 40% и больше) и разных примесей, а углерода сравнительно мало (примерно 65–70%). Изза этого он рыхлый, часто бурого цвета и горит не очень жарко, зато легко загорается. Ещё он даёт много дыма и копоти.
   • Каменный уголь — «средний» по возрасту. Влаги в нём уже меньше (обычно 5–12%), а углерода больше (75–95%, зависит от марки). Он плотный, чёрный, хорошо горит и даёт заметно больше тепла, чем бурый. В каменном угле много летучих веществ — это значит, что при нагревании из него выделяются газы, которые сами тоже горят.
   • Антрацит — самый «старый» и «прожаренный». Это почти чистый углерод (около 94–95%). В нём почти нет влаги (1–3%) и очень мало летучих веществ. Выглядит как чёрный камень с металлическим блеском. Зажечь его труднее: нужна высокая температура, зато потом он горит почти без пламени, очень жарко и почти без дыма.

   Если сравнивать по теплоте сгорания (сколько тепла даёт 1 кг угля), получится такая картина:
   • бурый уголь — примерно 4000–5500 ккал/кг;
   • каменный уголь — примерно 5500–7500 ккал/кг (а отдельные марки ещё больше);
   • антрацит — примерно 8100–8350 ккал/кг.

   Ещё они отличаются по глубине залегания: бурый обычно лежит ближе к поверхности, каменный — глубже, а антрацит формируется на больших глубинах при сильном давлении и высокой температуре.

Применение:
   • Бурый уголь. Изза невысокой теплоты сгорания и большого количества влаги его чаще применяют там, где важна низкая цена, а не максимальная эффективность. Например, на некоторых местных ТЭЦ и в небольших котельных. Ещё его используют как сырьё для химической переработки: из него можно получать горючий газ, извлекать некоторые вещества, делать брикеты. Крупные запасы бурого угля в России, например, в КанскоАчинском бассейне.
   • Каменный уголь. Это самый востребованный вид. Вопервых, энергетические марки каменного угля сжигают на электростанциях и в котельных, чтобы получать электричество и тепло. Вовторых, особые коксующиеся марки нужны в металлургии: их нагревают без доступа воздуха и получают кокс — он нужен для выплавки чугуна и стали. Кроме того, каменный уголь служит сырьём для химической промышленности: из продуктов его переработки делают удобрения, пластмассы, лекарства, красители и многое другое.
   • Антрацит. Благодаря высокой теплоте сгорания и чистоте горения его ценят там, где нужен сильный, ровный жар без лишнего дыма. Его используют как высококачественное топливо на отдельных ТЭЦ, в промышленных печах, иногда в быту (например, в котлах длительного горения). Ещё антрацит применяют не как топливо, а как материал: из него делают электроды, используют в фильтрах для очистки воды (он работает как сорбент), а также в некоторых технологических процессах металлургии и химии.

   Дмитрий Иванович Менделеев был не только автором Периодической системы, но и крупным практиком: он много думал о том, как разумно и выгодно использовать природные богатства России. Одним из таких направлений для него стала подземная газификация угля — идея, которая в XIX веке звучала смело, а местами даже фантастически.
   Суть идеи Менделеева в следующем: подземная газификация — это способ получения горючего газа прямо в угольном пласте, без добычи угля на поверхность. По сути, уголь сжигают прямо под землёй в строго контролируемых условиях: в пласт подают воздух или кислород с водяным паром, а образующийся горючий газ (в основном смесь угарного газа CO и водорода H₂ — то есть синтезгаз) выводят на поверхность по скважинам.
   Менделеев одним из первых в России увидел в этом не просто лабораторную экзотику, а реальный путь развития топливной базы страны. Он рассуждал так: не везде уголь удобно и дёшево добывать шахтным или открытым способом. Если пласт залегает глубоко, или он тонкий, или местность сложная, то обычная добыча становится слишком дорогой. А подземная газификация позволяла бы «доставать» энергию из таких «неудобных» месторождений, не строя шахты и не поднимая на поверхность тонны породы.
   Кроме того, Менделеев смотрел на вопрос и с точки зрения экологии и безопасности. Шахтёрский труд в его время был крайне тяжёлым и опасным. Подземная газификация могла бы снизить риски для людей, а заодно уменьшить количество отходов на поверхности — не нужно было бы складировать огромные отвалы породы и угольной мелочи.
   В своих трудах и публичных выступлениях Менделеев подчёркивал, что России важно развивать не только добычу, но и глубокую переработку топлива: получать из него не просто тепло, а газ, который можно транспортировать по трубам и использовать в промышленности. Для той эпохи это было по-настоящему перспективное видение.

Развитие идеи после Менделеева:
   Уже в советское время к идее вернулись всерьёз. В 1930–1950е годы в СССР построили несколько опытнопромышленных станций подземной газификации (например, в Подмосковном бассейне). Технология работала: газ получали, использовали на местных электростанциях и в котельных. Но позже, когда стали активно развиваться добыча газа и нефтяная промышленность, подземная газификация отошла на второй план: природный газ оказался проще и дешевле.
   Актуальны ли идеи Менделеева сегодня?
   Частично — да, и вот почему:
   Использование «неудобных» запасов. В мире ещё много угольных пластов, которые экономически невыгодно добывать традиционными методами. Подземная газификация позволяет задействовать эти ресурсы.
   Получение синтезгаза для химии. Синтезгаз — ценное сырьё: из него делают водород, метанол, синтетическое топливо и другие продукты. Это актуально в контексте новых технологических цепочек, в том числе низкоуглеродных.
   Снижение прямого воздействия на ландшафт. При подземной газификации не нужно вскрывать огромные карьеры и строить большие отвалы. Для районов с чувствительной экологией это плюс.
   Потенциал для улавливания углерода. Современные версии технологии рассматривают в связке с CCS (Carbon Capture and Storage) — улавливанием и захоронением углекислого газа. Это делает использование угля более «чистым» и вписывается в современные климатические задачи.
   При этом у технологии есть и серьёзные ограничения: она сложна в управлении, требует точного контроля, чтобы не допустить неконтролируемого горения пласта или загрязнения подземных вод. Поэтому широкого распространения она пока не получила, но в отдельных проектах и научных программах её продолжают изучать.
   Так что мысль Менделеева о разумном, технологичном использовании угольных ресурсов остаётся живой: она не про «сжигать уголь любой ценой», а про то, как извлекать из него максимум пользы с меньшими потерями и рисками. Учитывая твои прошлые запросы про переработку углеводородов и экологические вопросы, эта тема хорошо ложится в общую картину: от истории идей — к современным технологиям и балансу между энергией и природой.