Paliwa kopalne

Współczesna energetyka wykorzystuje głównie nieodnawialne paliwa naturalne, tj.: węgle kopalne, ropę naftową i gaz ziemny oraz pierwiastki rozszczepialne – uran i tor. Ze względu na zmniejszanie się zasobów tych paliw, trwają poszukiwania alternatywnych źródeł energii.

RZavoLeu6uFFk

Schemat przedstawiający podział źródeł energii na nieodnawialne i odnawialne. Do każdego ze źródeł zamieszczono przykładowe zdjęcie. Do nieodnawialnych źródeł energii należą: ropa naftowa — zdjęcie kopalni, gaz ziemny — palniki gazowe, paliwo jądrowe — dymiące kominy fabryki, węgiel kamienny i brunatny — stosy węgla, łupki bitumiczne — zdjęcie łupek oraz torf — zdjęcie gleby torfowej. Źródła odnawialne to: promieniowanie słoneczne — baterie słoneczne, wiatr — wiatraki, woda — elektrownia wodna, ciepło geotermalne — pompy geotermalne, biomasa — brykiet drzewny, biopaliwo — zdjęcie stosu trocin pod daszkiem.

Ropa naftowa stanowi wyjściowy surowiec do produkcji wielu różnych produktów. Niestety jest surowcem nieodnawialnym i ostatecznie kiedyś się wyczerpie. Nazywana „czarnym złotem” jest jednym z ważniejszych paliw kopalnych dla obecnej gospodarki. Wykorzystuje się ją w wielu procesach produkcyjnych, a to, co zostaje z niej wytworzone, pomaga nam w codziennym życiu.

Z geologicznego punktu widzenia ropa naftowa jest kopaliną. Chemik postrzega ją jako ciekłą mieszaninę węglowodorów (m.in. alkanów, cykloalkanów, węglowodorów aromatycznych). Węglowodory wchodzące w skład ropy naftowej mają stały, ciekły i gazowy stan skupienia. Dodatkowo znajdziemy również niewielkie domieszki związków azotu, tlenu, siarki i zanieczyszczeń nieorganicznych. Skład ropy naftowej różni się w zależności od miejsca jej wydobycia. Dlatego też, podając skład pierwiastkowy, podajemy, w jakich granicach mogą występować dane pierwiastki:

• węgiel ($\mathrm{C}$): 82% – 87%;

• wodór (${\mathrm{H}}_2$): 10% – 14%;

• tlen (${\mathrm{O}}_2$): 0,1% – 1,5% (niekiedy do 7%);

• azot (${\mathrm{N}}_2$): 0,01% – 2,2%;

• siarka ($\mathrm{S}$): 0,01% – 3%.

Ponieważ skład ropy naftowej jest różny, jej gęstość waha się w granicach od 1,04 do 0,73 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$. Może przybierać barwy od jasnożółtej, zielonej, brunatnej do czerwonej lub prawie czarnej. Barwa uzależniona jest właśnie od gęstości. Im większa gęstość, tym barwa będzie ciemniejsza. Ropy nie da się rozpuścić w wodzie, natomiast można w rozpuszczalnikach organicznych. Trzeba pamiętać, że jest cieczą palną. Eksploatuje się ją z dna mórz i oceanów.

Surowa ropa naftowa jest bezużyteczna – dopiero destylacja pozwala uzyskać z niej cenne produkty.

Slajd 1 z 2

R1JhiZDFC3ILt

Na zdjęciu są stalowe wysokie kolumny z rurami.

Rs5pAOKOVwpoz

Ilustracja interaktywna. Schemat kolumny destylacyjnej. Składa się z półek, dopływów, na górze zaznaczono górną frakcję pary, na dole opis ze strzałką w dół: do ponownego podgrzania. Opisano: W miarę ogrzewania cieczy składniki o niższych punktach wrzenia zaczynają przechodzić do fazy parowej. Para staje się czystsza im wyżej przemieszcza się w kolumnie.

Ilustracja interaktywna. Schemat kolumny destylacyjnej. Składa się z półek, dopływów, na górze zaznaczono górną frakcję pary, na dole opis ze strzałką w dół: do ponownego podgrzania. Opisano: W miarę ogrzewania cieczy składniki o niższych punktach wrzenia zaczynają przechodzić do fazy parowej. Para staje się czystsza im wyżej przemieszcza się w kolumnie.

Gdy ropa zostanie wydobyta spod powierzchni ziemi, zostaje poddana procesowi wstępnego oczyszczania. Polega to na usunięciu siarki i jej związków. Następnie ropa ulega procesowi destylacji frakcyjnej, co odbywa się w zakładach zwanych rafineriami. Zapoznaj się z symulacją, aby zrozumieć, na czym polega ten proces.

Zastosowanie produktów przeróbki ropy naftowej

Ropopochodne mazutu:

Zagraj w grę, aby sprawdzić jak dużo wiesz na temat paliw kopalnych.

Antracyt, węgiel kamienny, węgiel brunatny i torf to odmiany węgli kopalnych, czyli mieszanin związków chemicznych o dużej procentowej zawartości węgla pierwiastkowego. Ich złoża powstawały miliony lat temu w gorącym, wilgotnym klimacie, w warunkach beztlenowych. Odmiany węgli kopalnych różnią się barwą (od lekko brunatnej do intensywnie czarnej), twardością, połyskiem, zawartością procentową pierwiastka węgla, co wynika ze stopnia uwęglenia (karbonizacji) materii organicznej.

Każda z odmian węgli kopalnych ma znaczenie praktyczne. Torf, ze względu na zawartość humusu, jest stosowany głównie w rolnictwie i ogrodnictwie do nawożenia gleb, choć np. w Irlandii i Finlandii nadal bywa stosowany jako opał. W medycynie jest wykorzystywany do leczenia m.in. chorób reumatycznych oraz niektórych schorzeń narządów wewnętrznych (np. kąpiele borowinowe). Węgla brunatnego używa się jako źródła energii – przede wszystkim w elektrociepłowniach. Jego luźna i porowata struktura pozwala na zatrzymanie wody, dlatego po zmieleniu z powodzeniem można go wykorzystać również do pielęgnacji trawników i roślin ozdobnych czy hodowli grzybów, np. boczniaków. Antracyt jest stosowany na niewielką skalę, głównie w procesach uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, do produkcji elektrod, a także jako opał do kominka.

Slajd 1 z 5

Rujr7U35g1hmW

Na zdjęciu przedstawiono odłamek szungitu z widocznym przełamem muszlowym. Skała ma kolor ciemnoszary i błyszczącą powierzchnie.

RKqkozGgVa2pd

Na ilustracji przedstawiono pięć kawałków antracytu o nieregularnych kształtach. Skała jest barwy ciemnoszarej, posiada metaliczny połysk.

RiwTcVNbWKz4M

Na zdjęciu przedstawiono węgiel kamienny. Skała o barwie ciemnoszarej, posiada delikatny połysk.

R18vG6v7iwYY3

Na ilustracji przedstawiono węgiel kamienny. Skała ma nieregularny kształt, czarną barwę, nie posiada połysku.

R8OmfZljKraFh

Na zdjęciu przedstawiono kawałek torfu. Skała o barwie brązowej, matowa. Kształtem przypomina zlepioną kulę z błota.

Węgiel kamienny może być wykorzystywany jako źródło energii w formie nieprzetworzonej. Spalanie całkowite węgla jest procesem egzoenergetycznym, co pozwala używać go jako materiału opałowego oraz zastosować w przemyśle.

$\text{C}+{\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2\uparrow \; +\mathrm{393,5 }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

Dużą część tego surowca poddaje się procesom przeróbki, w wyniku czego otrzymuje się wiele cennych substancji. Jednym z takich procesów, który przeprowadza się w koksowniach, jest pirogenizacja, zwana również pirolizą, koksowaniem, odgazowaniem czy też suchą destylacją węgla kamiennego. Surowiec ogrzewa się do temperatury około $1000°\text{C}$ bez dostępu powietrza. W tych warunkach następuje jego rozkład. Obejrzyj film i wykonaj ćwiczenia pod nim zawarte, aby zrozumieć, dlaczego piroliza węgla jest tak ważnym procesem.