Węgiel jako surowiec

Węgiel to pierwiastek chemiczny należący do 16. grupy układu okresowego, czyli tzw. węglowców. Jest ciałem stałym, wykazującym cechy typowe dla niemetali. Węgiel jest substancją stosunkowo mało aktywną chemicznie. Nie reaguje z kwasami, zasadami; nie rozpuszcza się w wodzie.

Węgiel jest pierwiastkiem niezwykle ważnym, gdyż wszystkie związki organiczne występujące w przyrodzie zawierają m.in. węgiel; buduje on białka, cukry, tłuszcze i wiele, wiele innych związków…

Stanowi on także niezwykle cenny surowiec energetyczny. Dziś głównie ze spalania węgla oraz innych związków zawierających węgiel pozyskuje się energię na skale przemysłową.

W stanie wolnym węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych, czyli odmianach różniących się postacią krystalograficzną. Należą do nich:

- grafit

Grafit jest stalowoszarym ciałem stałym. Charakteryzuje się wyjątkową miękkością, jego gęstość wynosi 2,25 [g/cm³]. Wykazuje się zdolnością przewodzenia ciepła oraz prądu elektrycznego.

Sieć krystaliczna grafitu zbudowana jest z atomów węgla ułożonych w równoległych płaszczyznach. Każdy atom węgla połączony jest z trzema innymi atomami węgla, a odległości pomiędzy nimi nie są równe.

Grafit znalazł zastosowanie przy produkcji tygli laboratoryjnych, elektrod, ołówków i tuszy, jest także używany jako moderator w reaktorach jądrowych.

- diament

Diament jest przezroczystym lub bardzo rzadko czarnym, czy różowym ciałem stałym. W przeciwieństwie do grafitu, to jeden najtwardszych minerałów, jego gęstość wynosi 3,5 [g/cm³]. Podobnie jak grafit przewodzi elektryczność oraz ciepło.

Sieć krystaliczną grafitu tworzą atomy węgla, z których każdy jest połączony z czterema innymi atomami węgla, odległości pomiędzy nimi są równe.

Diament jest wyjątkowo odporny na działanie czynników zewnętrznych, nawet spala się dopiero w temperaturze ok. 700 [ºC].

Diamenty stosuje się w przemyśle hutniczym oraz maszynowym - wykonuje się z niego m.in. końcówki wierteł. Są jednym z najcenniejszych kamieni szlachetnych. Z oszlifowanych (czyli brylantów) wykonuje się biżuterię. Obecnie znana jest metoda przekształcenia grafitu w diament - wykonuje się to w temperaturze ok. 3000 [K] oraz pod ciśnieniem przynajmniej 12500 [MPa]. Ze względu na koszty tego procesu, nie jest on stosowany na skalę przemysłową.

- Fulleren

Fulleren to odmiana węgla odkryta stosunkowo niedawno. Nie występuje on w przyrodzie naturalnie, lecz jest sztucznie otrzymywany poprzez odparowanie w próżni grafitu.

Fullereny zbudowane są z atomów węgla ułożonych w kształt kulki. Zazwyczaj takie cząsteczki zawierają 60 lub 70 atomów węgla. Dziś trwają badania nad tymi substancjami, gdyż znajdują one zastosowanie w nanotechnologii.

Oprócz tych trzech wymienionych odmian alotropowych występuje jeszcze tzw. węgiel bezpostaciowy (np. węgiel drzewny, sadza), jednak w rzeczywistości są to mikrokrystaliczne odmiany grafitu.

Węgiel potrzebny człowiekowi do celów energetycznych pozyskuje się z form kopalnych. Węgiel kopalny w rzeczywistości jest skałą osadową, która powstała z różnych szczątków organicznych. Oprócz czystego węgla znajdują się w nim domieszki innych pierwiastków: wodoru, tlenu, azotu oraz siarki. Ze względu na pochodzenie węgla można go podzielić na :

- węgiel humusowy - powstał ze szczątków roślin lądowych; występuje najczęściej na obszarach torfowisk

- węgiel sapropelowy - powstał ze szczątków roślin morskich;

- węgiel liptobilitowy - powstał ze związków żywicznych roślin

Do form kopalnych węgla zaliczamy:

- sztungit

To najstarsza forma kopalna węgla, zawierająca najwięcej, bo ok. 98,2 % czystego węgla. Jego złoża występują w Rosji, Szwecji oraz Irlandii, zazwyczaj w okolicach jezior. Sztungit jest niezwykle cennym surowcem, wykorzystywanym przez przemysł chemiczny.

- antracyt

Antracyt podobnie jak sztungit zawiera procentowo dużo czystego węgla (ok. 94 - 96 %). Znajduje on zastosowanie przy wyrobie elektrod oraz jest używany jako surowiec energetyczny.

- węgiel kamienny

Węgiel kamienny ok. 78 - 92 % czystego węgla i jest najczęściej występującym węglem kopalnym. Jest przede wszystkim wykorzystywany jako surowiec energetyczny. Otrzymuj się z niego koks, benzyny oraz smołę. Największe jego złoża występują w Rosji, Ameryce Północnej, na Ukrainie, w Niemczech, Polsce oraz Wielkiej Brytanii.

- węgiel brunatny

Węgiel brunatny zawiera ok. 65 - 75 % czystego pierwiastka. Stanowi surowiec energetyczny, nieco gorszej jakości. Wytwarza się z niego także smołę, benzynę i oleje napędowe.

- torf

W torfie znajduje się najmniej, bo jedynie ok. 60 % czystego węgla. Powstaje w skutek częściowego rozkładu roślin, przy dużej wilgotności. Jest używany jako paliwo lub kompost.

Węgiel oprócz wyżej wymienionych form kopalnych występuje także w postaci związanej. Do mieszanin związków chemicznych zawierających węgiel oraz wykorzystywanych jako surowiec energetyczny zaliczamy:

- ropę naftową

Ropa naftowa to żółta, ciekła mieszanina węglowodorów, składająca się głównie z alkanów, cykloalkanów, węglowodorów aromatycznych oraz w niewielkim stopniu z alkenów. Ropa naftowa jest efektem beztlenowego przekształcenia szczątków organicznych. Największe jej złoża znajdują się na półwyspie arabskim, w Rosji, Kanadzie oraz w Afryce północnej.

- gaz ziemny

Gaz ziemny prawie zawsze występuję wraz ze złożami ropy naftowej. Głównym jego składnikiem jest metan, ale zawiera on także domieszki etanu i propanu.