Вуглехімія

ВУГЛЕХІ́МІЯ — розділ хімії, що вивчає походження, склад, будову, хімічні властивості твердих горючих копалин (ТГК), методи та процеси їх переробки, а також хімічні продукти з вугілля. ТГК утворилися з палеобіомаси, різняться за ступенем метаморфізму — ступенем перетворення первин. біоматеріалу в ряді торф–буре вугілля–кам’яне вугілля–антрацит–графіт. Предмет В. за напрямами дослідж. складають 3 великі розділи. До 1-го розділу належать: а) кількісне визначення елемент. складу різних видів ТГК; б) ідентифікація та визначення індивід. хім. сполук, що містяться у вугільному каркасі (СН₄, ефіри жирних кислот); в) ідентифікація окремих фаз мінералів (піриту, кварцу, каолініту та ін.). Фундам. задача опису фіз. характеристик ТГК (міцність, густина, теплоємність, електропровідність, магнітна сприйнятливість тощо) ініціювала адаптацію відомих методів їх вимірювання у В. та привела до з’ясування осн. залежностей фіз. властивостей від генези й ступеня метаморфізму. У В. використовують також вузькоспеціальні тех. характеристики, властиві тільки ТГК (вихід летких речовин, спікливість, товщина пластич. шару, вихід гумінових кислот та ін.), необхідні для конкретних технол. процесів переробки вугілля (перш за все — спалювання та коксування), які є параметрами пром. класифікацій ТГК. Цей розділ В. розвинувся першим, виявивши осн. відмінні ознаки різних видів ТГК, їх оцінки як сировини для хім. промисловості та сформувавши основу для дослідж. молекуляр. структури й надмолекуляр. організації ТГК. Осн. методи: спектроскопія у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовій областях, ядерний (на ядрах С¹³, О¹⁸ і N¹⁵) та електронний магнітні резонанси, фотоелектронна спектроскопія, дифракція рентґенів. променів. 2-й розділ В. — дослідж. молекуляр. структури та надмолекуляр. організації ТГК. Під молекуляр. структурою розуміють хім. будову середньостатист. структурної одиниці вугільної орган. речовини, типи ковалентних й іонних зв’язків між одиницями, типи та число функціональних груп — аналогів груп індивідуальних О-, N-, S-вмісних орган. сполук. Під надмолекуляр. організацією ТГК розуміють принципи впорядкування структур. одиниць у макромолекулярні просторові ансамблі (агрегати, кластери, кристаліти), зв’язані міжмолекуляр. нековалентними зв’язками (іонними, водневими, електронодонорноакцепторними, вандерваальсовими та ін.) в єдиний тривимірний вугільний каркас. Вивчення структури ТГК передбачає при проведенні хім. реакцій за найбільш м’яких умов зруйнувати тривимірний орган. каркас до більш низькомолекулярних продуктів. Застосовувані у В. реакції покликані вплинути на: а) міжкластерні та міжмолекулярні водневі зв’язки шляхом обробки орган. основами (піридином, амінами), газами (СО₂, СН₄) під тиском (до 10 МПа), екстракцією полярними розчинниками за кімнатної т-ри; б) іонні зв’язки шляхом обробки ТГК кислотами та основами Бренстеда; в) електронодонорноакцепторні зв’язки дією донорів електронів (калій у тетрагідрофурані, натрій у рідкому аміаку) або ж електроноакцепторів (І₂, Br₂, FeCl₃, MoCl₅, тетраціанетилен, тетрахлорхінон та ін.); г) певні типи ковалентних зв’язків та функціональних груп: ефірні (гетероліз у лужних середовищах), кислотні (іонний обмін, ацетилювання), карбонільні (утворення гідразонів, відновлення B₂H₆, NaBH₄ чи LiAlH₄) та ін. 3-й розділ В. — теорія реакцій, які лежать в основі процесів переробки ТГК (окиснення, термоліз, гідрогенізація та ін.). Найбільш вивчено взаємодію ТГК з киснем. Реалізовуване при високих т-рах (800– 1500 °С) окиснення — основа процесу спалення вугілля для отримання енергії. Середньотемпературне окиснення (200– 800 °С) вивчають у зв’язку з газифікацією, окиснювальною модифікацією та стабільністю вуглецевих матеріалів при нагріванні. Низькотемпературне окиснення (≤ 200 °С) — у зв’язку з проблемами самозаймання вугілля в копальнях та місцях зберігання, особливу увагу тут приділяють каталізові горіння та інгібуванню самозаймання. Окрему групу оксидеструктивних реакцій (обробка HNO₃, HNO₃– H₂SO₄, O₂–NaOH під тиском) досліджують з метою конверсії ТГК в суміші бензолполікарбонових (від бензойної до мелітової) або аліфатичних кислот (аж до щавлевої) з наступним виділенням індивід. сполук. Термоліз ТГК — це сукупність термоініційов. реакцій деструкції (гомолітичної чи гетеролітичної) та конденсації, що перебігають у тривимірній ґратці ТГК й приводять до утворення газів (СО, СО₂, Н₂, СН₄ та ін.), сумішей летких індивід. речовин (гомологів бензену, поліаренів, алканів, алкенів, гетероциклічних сполук) і твердого, збагаченого на вуглець, продукту. Цей напрям В. є теор. основою коксохімії, карбонізації, терміч. розчинення та служить додатк. інформ. базою для вивчення ін. терміч. процесів переробки ТГК. Окрема гілка — термоліз ТГК у присутності кислот та основ Бренстеда і Льюїса, а також у присутності водяної пари чи вуглекислого газу. Перший підхід є важливим з точки зору каталізу термохім. перетворень ТГК, а також як шлях керування характеристиками твердих продуктів. Деякі варіанти такого термолізу випробувано в промисловості, напр., отримання високопористих адсорбентів термолізом ТГК у присутності KOH, ZnCl₂ або H₃PO₄. Другий підхід лежить в основі 2-х процесів: 1) газифікації вугілля — конверсії орган. вугільної речовини в суміші СО і Н₂, продукти газифікації далі використовують як енергет. газ або синтез-газ; 2) «фізичної» активації — часткової газифікації ТГК (600–900 °С) для отримання активованого вугілля — адсорбентів. Гідрогенізація — конверсія ТГК на рідкі продукти і газ — ґрунтується на поєднанні реакцій термолізу та гідрування алкенів і радикалів, що утворюються, молекуляр. воднем. Процес лежить в основі прямої конверсії вугілля на синтет. рідке паливо (СРП) і є альтернативою отриманню СРП шляхом газифікації вугілля в суміші СО і Н₂ (синтез-газ) з подальшим каталітичним синтезом вуглеводнів — компонентів СРП. Пряме отримання хім. продуктів — гол. мета дослідж. хім. перетворень ТГК у полярних і неполярних середовищах. Найбільш вивчено взаємодію ТГК з орган. розчинниками (екстракція гірського воску) та лужними водними розчинами (добування гумінових кислот і гуматів лужних металів, що застосовують як стимулятори росту рослин, розріджувачі бурових розчинів, барвники деревини та ін.).

Гіпотезу про рослинне походження ТГК сформулював 1757 М. Ломоносов та висловив ідею, що кам’яне вугілля походить з торфу. Перша праця з мікроскопіч. дослідж. вугілля належить гірн. інж. Іваницькому (1842), що визначив осн. положення вугільного метаморфізму як «поступовий перехід від торфу та бурого вугілля до найкристалічніших видів кам’яного вугілля та антрациту». Висновок про хім. будову вугілля зробив 1870 Д. Менделєєв: «…вугілля має бути Сn, де n — велике». Наприкінці 19 ст. виконано перші системні мікроскопічні дослідж. ТГК (М. Залеський, Ф. Чернишов, Л. Лутугін, О. Карпінський), ідентифіковано модифіковані рослинні тканини, оболонки спор та ін. фрагменти рослин. 1910 Г. Потоньє запропонував мінералогічну класифікацію, в якій ТГК (каустобіоліти) поділено на 3 генетичні групи — гуміти, сапропеліти, ліптобіоліти. Упродовж 1920–30-х рр. в Німеччині, Великій Британії, Франції, США, СРСР створ. спец. лабораторії петрографії. Масштаб. розвиток В. припадає на 30-ті рр., коли постала потреба в глибших знаннях про структуру й реактивність ТГК як функції їх генези та ступені метаморфізму. Значний внесок у розвиток В. зробили В. Крим, Г. Стадников, Л. Сапожников, М. Караваєв, В. Забавін, В. Веселовський, С. Аронов, Ю. Тютюнников, А. Камнєва, І. Калечиць, Т. Кухаренко, В. Касаточкін, В. Тутуріна, Л. Христева, Н. Грязнов, Ф. Берґіус, Ф. Фішер, Д. ван Кревелен, П. Гірш, Д. Кройлен, І. Дріден, Б. Юттнер та ін. У СРСР першу н.-д. установу в галузі В. засн. 1934 при АН — Інститут горючих копалин. Історія В. в Україні започатк. наприкінці 19 ст. працями А. Чирикова, присвяченими розробленню методів аналізу та класифікації вугілля. Подальший розвиток В. в Україні пов’язаний з діяльністю великих наук. шкіл, що працюють у напрямах вивчення складу і тех. характеристик ТГК (Л. Нестеренко), розроблення методів конверсії вугілля на кокс (М. Скляр), сульфовугілля (Ю. Тютюнников), гумінові кислоти (Л. Христева), вуглецеві адсорбенти (К. Махорін, В. Стрєлко, М. Картель), дослідж. структури та надмолекуляр. організації ТГК (С. Баранов, В. Саранчук, Р. Кочканян, Т. Шендрик). Було розвинено теорію радикально-ланцюг. окиснення ТГК (Р. Кучер, Л. Бутузова), вивчено кінетику і каталіз оксидеструктивних реакцій ТГК (Є. Рудаков, В. Кучеренко, М. Савоськин) та процесів гідрогенізації вугілля (О. Осипов). Провідною н.-д. установою в галузі В. в Україні є Фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л. Литвиненка інститут НАНУ.

Розмір шрифту

Вуглехімія

Рекомендована література

Інформація про статтю