• Węgle kopalne:

Węgle kopalne są skałami osadowymi, które powstały w procesie zwęglenia roślin żyjących w odległej przeszłości. W zależności od stadium uwęglania materii roślinnej, w poszczególnych warstwach zalegają różne odmiany węgla: węgiel antracytowy, węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf i wiele odmian pośrednich. Zwęglanie szczątków roślinnych trwało wiele tysięcy lat. Najstarszą roślinnością węglotwórczą były widłaki, paprocie drzewiaste (okres karbonu), skrzypy. Młodsze pokłady węgla kopalnego powstały z roślin nagozalążkowych, w niewielkim stopniu również z okrytozalążkowych (w permie). Obumierająca materia roślinna ulegała w pierwszej kolejności procesom biochemicznym (gnicie i butwienie), a następnie - przykryty skałami osadowymi - ulegał stopniowemu uwęglaniu, zachodzącego pod wpływem dużej temperatury i wysokiego ciśnienia.

Węgle kopalne stanowią mieszaninę bardzo różnorodnych związków węgla, azotu, siarki i tlenu. Na skutek prażenia ulegają rozkładowi na produkty stałe, ciekłe i gazowe. Łączna zawartość części lotnych i ciekłych charakteryzuje jakość węgla, której wskaźnikiem jest zawartość części lotnych.. Produkt stały charakteryzuje się natomiast różna spiekalnością.

Węgle kopalne, przede wszystkim węgiel kamienny, jest surowcem energetycznym, stosowanym bezpośrednio lub po przeróbce uszlachetniającej. Duża ilość węgli kopalnych jest przetwarzana na energię elektryczną (około 40% produkcji energii elektrycznej na świecie). Dla przemysłu chemicznego, najważniejszy jest węgiel kamienny, z którego otrzymywany jest między innymi węglowodory aromatyczne i ich pochodne oraz gaz syntezowy.

W zależności materiału roślinnego, z którego uformowały się pokłady węgla kopalnego, wyróżniamy trzy grupy węgli kopalnych: węgle humusowe (zwane humolitami), które utworzyły się na torfowiskach z resztek flory lądowej, są one najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie i najważniejsze gospodarczo, węgle sapropelowe ( czyli tzw. sapropelity), które powstały z flory wodnej, przede wszystkim z glonów i występują przeważnie jako soczewki oraz przewarstwienia w węglach humusowych, węgle liptobiolitowe (nazywane liptobiolitami) utworzyły się poprzez nagromadzenie żywiczno-woskowych elementów roślin.

Węgle kopalne występują w przyrodzie w kilku gatunkach, np. jako węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, antracyt, szungit.

Węgiel kamienny jest jednym z węgli kopalnych, który zawiera około 78-92% pierwiastka węgla. Do węgla kamiennego zaliczany jest także antracyt, w skład którego wchodzi nawet do 97% węgla. Węgiel kamienny posiada czarną barwę. Jest on zwartym i kruchym ciałem stałym. Spalanie węgla kamiennego powoduje powstanie długiego, błyszczącego płomienia. Węgiel kamienny jest jednym z węgli humusowych i posiada niejednorodną strukturę, która jest mieszaniną kilku odmian petrograficznych. Odmiany te różnią się połyskiem oraz twardością i tworzą pojedyncze pasma. Są to: fuzyn, czyli tak zwany węgiel włóknisty, duryn nazywany węglem matowym, klaryn, czyli węgiel półbłyszczący oraz witryn inaczej nazywany węglem błyszczącym.

Wyróżnia się także się kilka odmian technologicznych węgla kamiennego, które są określane przez właściwości takie jak: zawartość składników lotnych, spiekalność, ciepło spalania oraz ciśnienie rozprężania.

Węgiel kamienny jest bardzo dobrze rozpowszechniony. Jest on spotykany przede wszystkim w tworach mezozoicznych i paleozoicznych (z okresu permu i karbonu).

Spalaniu węgla kamiennego towarzyszy emisja pyłów i trujących gazów. Spalenie jednego miliona ton węgla kamiennego o średniej jakości i bez obecności urządzeń oczyszczających powoduje emisję około 20000 ton pyłów, 35000 ton dwutlenku siarki, 6000 ton tlenków azotu NOx, a także dwa miliony ton dwutlenku węgla CO2. Ponadto spalenie to powoduje, że na wysypisko trafia około 300000 ton popiołu. Najpoważniejsze zagrożenie dla środowiska stanowi emisja dwutlenku siarki oraz tlenków azotu, które są przyczyną kwaśnych deszczy, dewastują życie w zbiornikach wodnych, niszczą ogromne obszary lasów i przyczyniają się do korozji konstrukcji metalowych i niszczenia budynków.

Największe pokłady tego surowca są spotykane w Rosji (Zagłębia: Tunguskie, Kuźnieckie, Peczorskie, Leńskie), na Ukrainie (w Zagłębiu Donieckim), Wielkiej Brytanii (Zagłębia: Yorkshire, Derbyshire, Durham), w Niemczech (Zagłębia: Saary, Ruhry), w Kanadzie, USA, Chinach, Indiach, Australii i RPA. Wydobycie węgla kamiennego odbywa się obecnie w 58 krajach.

W Polsce złoża węgla kamiennego są spotykane na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe), na Dolnym Śląsku (okolice Nowej Rudy oraz Wałbrzycha) oraz na Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe). Węgiel kamienny znalazł zastosowanie przede wszystkim jako materiał opałowy. Jest on również surowcem wykorzystywanym w procesach chemicznych, takich jak wytlewanie, uwodornianie i zgazowanie węgla, na skutek których otrzymywane są różne paliwa i produkty wykorzystywane w innych dziedzinach przemysłu chemicznego (np. gazy opałowe, benzol, smoła węglowa, koks, paliwa silnikowe i inne).

Węgiel brunatny to kolejna odmiana węgla kopalnego, która zawiera 65-78% pierwiastka węgla. Posiada on barwę jasnobrunatną, brązową lub czarną. Wyróżniamy trzy odmiany węgla brunatnego:

- węgle twarde (tzw. subbitumiczne), które charakteryzują się znaczną zwięzłością oraz kalorycznością (około 4165-5700 kcal/kg), pośród tej grupy rozróżnia się węgle matowe oraz błyszczące, które są podobne do węgli kamiennych

- węgle miękkie, charakteryzujące się mniejszą zwięzłością, po wysuszeniu łatwo ulegają rozsypaniu na malutkie kawałki, które wykazują nieco niższą kaloryczność (nie przekraczającą 4165 kcal/kg), do tej grupy węgli należą węgle łupkowe i ziemiste

- węgle ksylitowe (czyli lignity lub węgle lignitowe), które odznaczają się zachowaną strukturą drewna.

Podobnie jak w przypadku węgla kamiennego, także dla węgla brunatnego wyróżnia się kilka odmian technologicznych. Są nimi:

- węgiel energetyczny, który znalazł zastosowanie w elektrowniach cieplnych, jego wartość opałowa ma wartość powyżej 1500 kcal/kg, natomiast zawartość popiołu jest niższa niż 40%

- węgiel brykietowy, który jest stosowany do wyrobu brykietów, o wartości opałowej przekraczającej 2000 kcal/kg i zawartości popiołu mniejszej niż 15%,

- węgiel wytlewny, to kolejna odmiana technologiczna węgla brunatnego, która znalazła zastosowanie w produkcji paliw płynnych i prasmoły, zawiera on poniżej 20% popiołu

-węgiel ekstrakcyjny, służy do produkcji bituminów oraz wosku ekstrakcyjnego.

Węgiel brunatny jest dobrze rozpowszechniony. Występuje on głównie w utworach trzeciorzędowych, a czasami w utworach jury, kredy i triasu, a niekiedy nawet karbonu.

Światowe pokłady tego surowca były w 1994 roku szacowane na 524 miliardów ton, a największe złoża są spotykane w: Czechach (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), Niemczech (Saskie Zagłębie Węglowe, Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Kańsko-Aczyńskie, Podmoskiewskie Zagłębie Węglowe), Rumunii, Australii, USA, Kanadzie i Indiach.

Surowiec ten jest spotykany również w Polsce, na przykład w utworach pochodzących z trzeciorzędu w rejonie Turoszowa (Turoszowskie Zagłębie Węgla Brunatnego), Bełchatowa (Bełchatowskie Zagłębie Węgla Brunatnego) i Konina (Konińskie Zagłębie Węgla Brunatnego), ponadto węgiel brunatny występuje na Dolnym Śląsku (okolice Legnicy).

Węgiel brunatny znalazł zastosowanie jako materiał opałowy, jednak duża ilość siarki (około 3%) i powstawanie dużych ilości popiołu w czasie spalania (popielność do 40 %), powodują, że jest on szkodliwy dla środowiska naturalnego. Węgiel brunatny jest również surowcem do procesów uwodorniania, wytlewania i zgazowania węgla, jest także używany jako podłoże w ogrodnictwie.

Torf jest skałą osadową, należącą do skał organogenicznych. Powstaje on na skutek torfienia, które polega na biochemicznej i strukturalnej przemianie obumarłych szczątek roślin bagiennych (torfowiskowych), które zachodzi w warunkach dużej wilgotności i trwałej anaerobiozy (brak dostępu tlenu).

Składnikami torfu są substancje organiczne (kwasy huminowe i ich związki, hemiceluloza, celuloza, bituminy i lignina), które zawierają znaczne ilości węgla (około 60%) i azotu, a także substancje mineralne (dwutlenek krzemu, wapń, fosfor i żelazo).

Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje torfu: wysokie i niskie. W zależności od składu roślinnego masy torfowej wyróżnia się w obrębie tych rodzajów inne typy torfu, np. pośród torfów wysokich wyróżniamy:

- torf mszarny wysoki, który składa się z łodyg mchów torfowców, wełninki i pędów wrzosowych, maja one barwę jasnobrunatną lub żółtą

- torf wrzosowiskowy, który budują przede wszystkim pędy wrzosowiskowe i wełnianki, ich barwa jest ciemnobrunatna

- torf bagnowy, który jest zbudowany z mchów torfowców i zawiera także duży udział kory i szyszek sosnowych, posiada barwę brunatną

Do torfów niskich zaliczamy z kolei:

- torf mechowiskowy, jest on złożony przede wszystkim ze zbitej masy mchów torfowców, o szarawej barwie

- torf turzycowiskowy, który składa się z korzonków turzyc i często spotykanych kłączy trzcin, maja one barwę szarobrunatną, która ciemnieje na powietrzu,

- torf olesowy, jest zbudowany z kawałków kory i drewna brzóz oraz olch o dużych rozmiarach o barwie od czerwonawej do ciemnobrązowej

- torf szuwarowy budują głównie kłącza i łodygi trzcin, a także kłącza skrzypów i korzonki turzyc, o barwie od brunatno-brązowej do czarnej.

Torf ma znaczne możliwości zatrzymywania wody. Pojemność wodna torfów wysokich ma wartość 900-2500%, natomiast torfów niskich 300-700%. Występowanie torfu jest związane z torfowiskami i jest on dobrze rozpowszechniony w Polsce. Jego pokłady znajdują się na Polesiu, Pojezierzu Pomorskim i Mazurskim, Orawie i Pobrzeżu Bałtyku.

Torf znalazł zastosowanie między innymi w medycynie (do kąpieli borowinowych, preparatów torfowych, np. S. Tołpy), w rolnictwie oraz ogrodnictwie (w produkcji nawozów torfowych i ziemi ogrodniczej oraz doniczek). Jest również stosowany jako materiał opałowy w postaci torfu opałowego lub półkoksu torfowego.

Kolejnym rodzajem węgla kopalnego jest antracyt. Zawartość węgla pierwiastkowego w antracycie wynosi nawet do 96%. Jest on czarny albo ciemnoszary i posiada półmetaliczny połysk. Antracyt stanowi wysokogatunkowe paliwo, które nie ulega spiekaniu, a jego spalanie powoduje powstanie niewielkich ilości popiołu. Antracyt charakteryzuje się dużym przewodnictwem elektrycznym, co powoduje, że znalazł on zastosowanie w produkcji elektrod. Antracyt tworzy się na skutek działania wysokich temperatur i ogromnego ciśnienia. Pokłady antracytu są spotykane przede wszystkim w osadach karbońskich i znajdują się na znacznych głębokościach.

Podczas ogrzewania węgli kopalnych (suchej destylacji węgla) zachodzi zrywanie wiązań pomiędzy atomami węgla C-C, między atomami węgla i wodoru C-H, pomiędzy atomami tlenu i atomami węgla C-O, itd. Przeróbka węgla prowadzona jest w koksowniach i gazowniach w temperaturach około 900 - 1000oC.

Zgazowanie węgla polega na poddaniu go reakcji z mieszaniną przegrzanej pary wodnej i tlenu w wysokiej temperaturze. Zachodzą wówczas różnorodne procesy, z których najważniejszymi są:

C + H2O = CO + H2

2C + O2 = 2CO

W wyniku zgazowania węgla powstaje gaz syntezowy czyli mieszanina tlenku węgla i wodoru. Koksowanie polega natomiast na ogrzewaniu węgla bez dostępu powietrza do temperatury około 1000oC w tzw. bateriach koksowniczych

Koksowanie 1000kg węgla prowadzi do powstania:

- gazu koksowniczego w ilości 330m3 (20%), którego przeciętny skład to: 50% wodoru, 34% metanu, 80% tlenku węgla(II), 4% olefin, 4% azotu oraz 1% dwutlenku węgla.

- koksu około 650 kg (65%)

- smoły węglowej o masie 42 kg (5%)

- wody pogazowej (około 10%)

Koks jest paliwem, które powstaje na skutek przemysłowego wygrzewania węgla kamiennego, zachodzącego bez dostępu powietrza, w temperaturze wynoszącej około 600-1200°C w specjalnych piecach koksowniczych przy pomocy gazów spalinowych. Koks posiada wyższą kaloryczność niż zwykły węgiel kopalny, ponieważ w jego skład wchodzi 90-95% czystego węgla pierwiastkowego, a specjalne rodzaje koksu przy zastosowaniu odpowiednich technologii mogą zawierać nawet 98% węgla.. W procesie koksowania z węgla są usuwane ciecze, gazy, substancje, które się łatwo topią, takie jak siarka oraz inne substancje, przede wszystkim organiczne, które ulegają rozkładowi w temperaturach, w jakim zachodzi koksowanie.

Koks jest to szaroczarna, porowata substancja, która posiada charakterystyczny zapach gazów koksowniczych.

Koks znalazł zastosowanie przede wszystkim jako materiał opałowy w piecach hutniczych oraz jako wysokogatunkowe paliwo w kotłach grzewczych (w gospodarstwach domowych, warsztatach, kotłowniach). Zaletą koksu w porównaniu z węglem kamiennym jest większa kaloryczność oraz łagodnie zachodzące spalanie, co zmniejsza konieczność uzupełniania materiału opałowego w piecach.

  • Ropa naftowa:

Ropa naftowa stanowi mieszaninę węglowodorów (alkanów, cykloalkanów, arenów, zawartość których waha się w granicach 80-90%), fenoli, kwasów karboksylowych, pochodnych tiofenu, tioalkoholi, azotowych związków heterocyklicznych, żywic, związków metaloorganicznych. Gęstość ropy naftowej ma wartość 11-19 g/cm3. Ropa naftowa ma barwę brązową lub czarną i posiada ona silny, charakterystyczny zapach. Skład ropy naftowej może być różny i jest zależny od miejsca, z którego została ona wydobyta. Ropa naftowa może być przerabiana metodami: destylacji frakcyjnej (destylacja frakcjonowana), rafinacji, ekstrakcji selektywnymi rozpuszczalnikami (takimi jak na przykład glikol dietylowy), krystalizacji i innymi.

Ropa naftowa stanowi surowiec do otrzymywania wielu związków chemicznych, takich jak benzyna, ligroina, eter naftowy, mazut, oleje mineralne i inne surowce dla przemysłu chemicznego (np. toluen, ksyleny i benzen). Szacuje się, że największe zasoby ropy naftowej znajdują się w basenie Zatoki Perskiej - około 67% całkowitych rezerw. Polska ma niewielkie pokłady ropy naftowej, przede wszystkim w okolicach Kamienia Pomorskiego, Karlina, Krosna Odrzańskiego i Sulęcina oraz w pasie fliszu karpackiego (rejony Jasła, Krosna oraz Gorlic), a także zapadliska przedkarpackiego (okolice Kazimierzy Wielkiej).

Spotykane są dwa rodzaje teorii, które dotyczą pochodzenia ropy naftowej. Są to: teoria oparta o założenie, że ropa jest surowcem pochodzenia nieorganicznego, oraz teoria, która mówi, że utworzyła się z materii organicznej. Twórcami teorii o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej byli w 1877 roku Dymitr Mendelejew i w 1955 roku Kropotkin. Twierdzili oni, że ropa naftowa powstała na skutek reakcji chemicznych, które zachodziły w głębi Ziemi, na przykład w wyniku działania wody na węgliki metali ciężkich, w następstwie polimeryzacji gazów wydzielających się z jądra Ziemi. Teorie o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej nie znalazły jednak wielu zwolenników. Znaczna część naukowców przyjmuje słuszność teorii o organicznym pochodzeniu ropy naftowej, która twierdzi, że ropa naftowa powstała na skutek przeobrażenia szczątków roślinnych i zwierzęcych, które się nagromadziły wraz z drobnymi okruchami mineralnymi w osadach morskich.

  • Gaz ziemny:

Gaz ziemny jest kopaliną, która składa się przede wszystkim z metanu. Zawartość składników gazu ziemnego jest różna i zależy do miejsca jego wydobycia. Gaz ziemny towarzyszy przeważnie złożom ropy naftowej, ale może także występować samodzielnie. Gaz ziemny powstał - podobnie jak ropa naftowa - w wyniku przemian szczątków organizmów żywych w węglowodory. Wyróżnia się gaz suchy, który zawiera do 95% metanu oraz gaz mokry, który oprócz metanu zawiera jego cięższe homologi, między innymi składniki tzw. gazu płynnego. Gaz ziemny stanowi bardzo cenny nośnik energii i służy jako wysokoenergetyczne paliwo do silników spalinowych i do celów opałowych. Jest on również surowcem do otrzymywania gazu syntezowego, sadzy przemysłowej oraz wielu innych półproduktów petrochemii. Gaz ziemny jest paliwem bardzo wygodnym w użyciu, jednak trudnym w transporcie i przechowywaniu. Przesyłany jest przede wszystkim gazociągami, można go również przewozić tankowcami w skroplonej postaci. Obserwuje się ciągły wzrost wydobycia gazu ziemnego i rozbudowę gazociągów rozprowadzających gaz ziemny. Ma on bowiem znaczny udział w światowej produkcji energii elektrycznej (około 13%), stwarza przy tym najmniejsze spośród wszystkich paliw kopalnych zagrożenie dla środowiska. Gaz ziemny stosowany jest jako tanie paliwo w instalacjach domowych i przemysłowych. Gaz spalany w kuchenkach gazowych w mieszkaniach to przede wszystkim metan z pewna zawartością różnych substancji gazowych. Do celów użytkowych nawaniany jest substancją zapachową, aby mógł być wyczuwalny przez człowieka. Jest on ponadto bardzo łatwo palny. Gaz ten pali się bezbarwnym płomieniem i tworzy on mieszaniny wybuchowe po zmieszaniu z powietrzem. Jest lżejszy od powietrza i gromadzi się w górnych partiach pomieszczeń. Gaz ziemny zaczęto wydobywać dopiero w XIX wieku, gdy przekonano się o jego wielu zaletach oraz różnych możliwościach zastosowania.

Największy producent gazu ziemnego w Europie północnej to Norwegia, dzieje się tak dzięki pokładom gazu ziemnego znajdującym się na Morzu Norweskim oraz Morzu Północnym. Pokłady te zapewniają stały dochód i bezpieczeństwo energetyczne temu północnemu państwu.

Najwięcej gazu ziemnego wydobywa się w Rosji, Kanadzie, USA, Algierii, Norwegii, Holandii, Iranie, Meksyku oraz Uzbekistanie. W Polsce pokłady gazu ziemnego występują na Podkarpaciu ( w okolicach Sanoka i Przemyśla), a także w Wielkopolsce. Gaz ziemny po wydobyciu jest przeważnie zanieczyszczony różnymi ciałami stałymi, takimi jak glina czy piasek, albo ciekłymi, np. resztkami ropy naftowej.