Уголь - удивительное вещество с многовековой историей формирования. И в наши дни это ценнейший природный ресурс. Но что представляет собой химическая формула угля и о чем она может рассказать?
Происхождение угля и его виды
Уголь образуется в природе из останков древесины и других растений. За миллионы лет под воздействием высоких давления и температур происходит углефикация - превращение биомассы в уголь.
Различают несколько основных видов угля:
- Бурый уголь - самый "молодой", до 35% влаги
- Каменный уголь - промежуточная форма с высоким содержанием углерода
- Антрацит - наиболее "зрелый" вид, высокая теплотворность
- Древесный уголь - получают искусственно для бытовых и промышленных целей
- Активированный уголь - высокопористый, используется для адсорбции
Эти разновидности отличаются как условиями образования, так и химическим составом.
Химический состав угля
Основным элементом в составе всех видов угля является углерод. Его доля варьирует от 60% в буром угле до 96% в антраците.
Кроме того, в состав угля входят:
- Водород
- Кислород
- Азот
- Сера
А также неорганические соединения и минеральные включения, обычно называемые зольностью . Их процентное содержание тем выше, чем "моложе" уголь.
| Вид угля | Углерод | Водород |
| Антрацит | 92-98% | 2-3% |
| Каменный | 75-92% | 4-5% |
Строение и свойства атома углерода
Углерод в химии обозначается символом C, атомный номер равен 6. Электронная формула атома углерода:
1s2 2s2 2p2
Она показывает, что внешний энергетический уровень содержит четыре электрона. Это определяет химические свойства углерода.
Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс органических соединений.
В зависимости от условий атомы углерода могут связываться в разные аллотропные модификации : алмаз, графит, фуллерены.
Химическая формула угля
Говорить об одной конкретной химической формуле угля некорректно. Уголь - это сложная смесь веществ переменного состава.
Формула самого углерода как химического элемента - C. Она показывает, что его атомная масса равна 12 а.е.м. Структурные формулы разных аллотропных модификаций углерода отражают варианты связывания атомов.
А вот у конкретных видов угля есть типичный элементный состав с преобладанием углерода и наличием других элементов в качестве примесей.
Применение соединений углерода
Углерод и его соединения находят широкое применение в различных областях.
В промышленности используются:
- Алмазы и алмазное напыление
- Графит в качестве электродного материала
- Активированный уголь для очистки воды и воздуха
В органической химии углерод является основой множества соединений:
- Углеводороды
- Белки
- Жиры
- Углеводы
Какая роль углерода в природе
Углерод - элемент, без которого невозможна жизнь на Земле. Он входит в состав всех органических веществ, из которых построены живые организмы.
Источником углерода для растений является углекислый газ. В процессе фотосинтеза он включается в биологические циклы и пищевые цепи.
Какая химическая формула угля в атмосфере
В составе выбросов в атмосферу углерод поступает в виде:
- Диоксида углерода CO2
- Угарного газа CO
- Сажи и углеродных аэрозолей
Это приводит к повышению концентрации углерода в воздухе, что негативно влияет на здоровье.
Нормы содержания углерода
В воздухе рабочей зоны предельно допустимая концентрация углеродной пыли составляет 4 мг/м3.
В атмосфере установлены следующие нормы:
- Максимальная разовая ПДК - 0,15 мг/м3
- Среднесуточная ПДК - 0,05 мг/м3
Какая формула угля химии будущего
Дальнейшие исследования помогут еще глубже изучить природу углерода и особенности его соединений в разных видах угля и органических веществах.
Возможно, в будущем удастся синтезировать принципиально новые формулы угля с уникальными характеристиками и областями использования.
Радиоактивный изотоп углерода-14
Одним из важнейших соединений углерода является его радиоактивный изотоп - углерод-14. Он образуется в верхних слоях атмосферы и входит в состав углекислого газа.
Благодаря этому 14С поступает в биосферу и включается в цикл обмена веществ живых организмов. После гибели организма обмен прекращается, и концентрация изотопа постепенно уменьшается.
Это свойство используется в радиоуглеродном анализе для определения возраста археологических находок.
Углеродный след и его расчет
Под углеродным следом понимают суммарное количество выбросов CO2, связанных с производством и потреблением различных товаров и услуг.
Для его расчета анализируют весь жизненный цикл продукции - от добычи сырья до утилизации отходов. Это позволяет оценить ущерб окружающей среде.
Технологии секвестирования CO2
Чтобы снизить концентрацию углекислого газа в атмосфере, разрабатываются технологии его извлечения и безопасного хранения - так называемого секвестирования СО2.
Перспективным направлением является конверсия СО2 в органические вещества с помощью фотосинтетических микроорганизмов.
Наноструктуры и новые аллотропы углерода
Открытие фуллеренов показало возможность существования других, пока не известных аллотропных форм углерода. Исследователи изучают структуру нанотрубок, графена и других наноматериалов.
Они обладают уникальным комплексом полезных свойств и могут применяться в микроэлектронике, медицине, промышленности.
Перспективы использования углерода
Углерод уже сейчас является одним из самых распространенных и востребованных химических элементов. А открытие новых аллотропных форм и соединений откроет дополнительные возможности применения в разных сферах деятельности человека.
