Конспект урока: Каменный уголь и его переработка

Разновидности каменного угля

Из курса географии вы знаете, что уголь делится на антрацит,  каменный и бурый (рис. 1).

Бурый уголь имеет чёрно-бурую окраску, рыхлую структуру, залегает сравнительно неглубоко, содержит до 70 % углерода.

Каменный уголь более плотный, окраска его чёрная, углерода от 70 до 90 % в составе. Каменный уголь идёт на коксохимическое производство.

Антрацит отличается от каменного угля блеском и большим содержанием углерода; месторождения его находятся глубже других углей.

Рис. 1. Виды угля

Коксование каменного угля

Коксование каменного угля подразумевает его нагревание в специальных печах при температуре до 1000 ºC. 

В результате при охлаждении получается твёрдое вещество — кокс (практически чистый углерод), каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ. Из каменноугольной смолы при дальнейшей переработке получают ароматические углеводороды и фенол $( C_{6} H_{5} - OH ) .$ Кокс применяется в металлургическом производстве.

Коксовый газ очищают от аммиака, пропуская его через раствор серной кислоты:

$2 NH_{3} + H_{2} SO_{4} \rightarrow \left( NH_{4} \right)_{2} SO_{4}$.

Очищенный от аммиака газ содержит преимущественно метан, этилен, водород и оксид углерода (II).

Каменный уголь за счёт своего состава и свойств может быть использован в качестве топлива, а также во многих других сферах (рис. 2).

Рис. 2. Продукты переработки каменного угля

Газификация каменного угля

Полученный в результате коксования продукт обрабатывают водяным паром, получая так называемый водяной газ, состоящий из водорода и оксида углерода (II):

$C + H_{2} O \rightarrow CO + H_{2} .$

В дальнейшем его используют как топливо или синтезируют алканы и метанол, что мы уже рассматривали с вами, когда  изучали синтез-газ.

Так, из смеси угарного газа и водорода можно получить предельный углеводород. Например, гептан:

$7CO+15H_2\overset{\text{кат}}{\rightarrow}C_7H_{16}+7H_2O$.

Или метанол:

$CO+2H_2\overset{\text{кат}}{\rightarrow}CH_3OH$.

Гидрирование каменного угля

Гидрирование, то есть взаимодействие полученного кокса с водородом, идёт при воздействии высокой температуры, повышенного давления, а также в присутствии катализаторов — оксидов железа. В результате реакции получаются смеси из углеводородов, что показывает ценность угля как сырья в химическом производстве для синтеза различных веществ. А главным его плюсом является то, что запасы превышают количество нефти, следовательно, он ещё долго будет оставаться актуальным и перспективным сырьём химической промышленности.

Однако нефть, природный газ и каменный уголь являются исчерпаемыми источниками углеводородов. Их запасы истощаются. Это ставит перед человечеством задачу поиска новых источников энергии.

Решение

1. Составляем уравнения описанных реакций:

$C + O_{2} \rightarrow CO_{2}$,

$CO_{2} + Ca \left( OH \right)_{2} \rightarrow CaCO_{3} \downarrow + H_{2} O$.

2. Рассчитываем количество вещества осадка (карбоната кальция) и углерода: 

$n(CaCO_3)=\frac{\mathit{m}}{\mathit{M}}=\frac{200}{100}=2\text{ моль}$,

$n(CaCO_3)=n(CO_2)=n(C)=2\text{ моль}$.

3. Находим массу углерода в угле:

$m(C)=n*M=2*12=24\text{ г}$.

4. Рассчитываем содержание примесей в каменном угле:

$m(\text{примеси})=28-24=4\text{ г}.$

5. Находим процентное содержание примесей:

$\omega ( \text{примеси} ) = \frac{m_{\text{примеси}}}{m_{\text{угля}}} * 100 \% = \frac{4}{28} * 100 \% = 14,28 \%$

Ответ: 14,28 %.

Упражнение 1

 Ответ: 15 г.

Упражнение 2

$C\rightarrow CO+H_2\rightarrow\text{октан}\rightarrow\text{этилбензол}$

$C + H_{2} O \rightarrow CO + H_{2}$

$8 CO + 17 H_{2} \rightarrow CH_{3} - \left( CH_{2} \right)_{6} - CH_{3} + 8 H_{2} O$