Czy w chemii możemy przeprowadzić reakcję, która pozwoli nam „skopiować” fragmenty cząsteczki tak, jak kopiujemy fragmenty tekstu lub rysunki? Jeśli „mono” oznacza jeden, a „poli” to wiele, to jaki wzór może mieć związek chemiczny o nazwie polietylen? Jakie jest jego zastosowanie i w jaki sposób się go otrzymuje?

Źródła węgla i węglowodorów w przyrodzie

Głównymi naturalnymi źródłami węgla i węglowodorów w przyrodzie są kopaliny, takie jak węgle kopalne, ropa naftowa oraz gaz ziemny.

Węgle kopalne – naturalne źródło węgla

Węgle kopalne to skały osadowe, które zostały utworzone na skutek gromadzenia się i rozkładu szczątków roślinnych, w sprzyjających ku temu warunkach (warunki beztlenowe, wysoka temperatura i ciśnienie). W ich skład wchodzą różnorodne (wielkocząsteczkowe) związki organiczne, zbudowane głównie z węgla, wodoru, tlenu, azotu oraz siarki, a także różnego rodzaju minerały (np. sole typu krzemiany, siarczki i węglany), woda, a nawet śladowe ilości tzw. pierwiastków rzadkich (np. german i uran). W zależności od procentowej zawartości węgla pierwiastkowego, wyróżnia się różne rodzaje węgli kopalnych: węgiel kamienny, brunatny, antracyt, szungit oraz torf.

Zwróć uwagę, że w języku potocznym używamy sformułowania “węgiel”, w odniesieniu do materiału opałowego stosowanego wciąż w wielu domach. Zauważ, że nie jest to jednak czysty węgiel, ale przeważnie różnego rodzaju związki organiczne,  których cząsteczki zbudowane są z atomów węgla.

Z kolei węgiel drzewny, stosowany jako paliwo do grillów, to czarna substancja wytwarzana w procesie obróbki drewna (tzw. suchej destylacji). Jego głównym składnikiem jest węgiel pierwiastkowy, zanieczyszczony popiołem i licznymi związkami organicznymi.

Polecenie 1

Zapoznaj się z poniższą galerią zdjęć, które ukazują rodzaje węgli kopalnych. Następnie uszereguj poznane węgle kopalne wg wzrastającego stopnia uwęglenia (zawartości węgla pierwiastkowego).

RsqWi1PSunfdT
Elementy do uszeregowania: 1. węgiel brunatny, 2. szungit, 3. węgiel kamienny, 4. antracyt, 5. torf
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Głównym bogactwem energetycznym Polski są węgiel kamienny i brunatny, stąd też produkcja energii elektrycznej w naszym kraju odbywa się głównie z wykorzystaniem węgla. Złoża gazu ziemnego i ropy naftowej są niewielkie, dlatego obecnie są one importowane.

R1HIjuMZkH5he
Główne surowce energetyczne Polski
Źródło: Wydawnictwo Edukacyjne Wiking, licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 2

Dopasuj nazwę złoża do miejsca, w którym surowce są wydobywane.

Rir5c1CXMcTso
Źródło: Wydawnictwo Edukacyjne Wiking, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1K5NwQfyJR2c
1 Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, 2. Górnośląski Okręg Przemysłowy, 3. Lubelskie Zagłębie Węglowe, 4. Zagłębie Konińskie, 5. Zagłębie Turoszowskie 2 Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, 2. Górnośląski Okręg Przemysłowy, 3. Lubelskie Zagłębie Węglowe, 4. Zagłębie Konińskie, 5. Zagłębie Turoszowskie 3 Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, 2. Górnośląski Okręg Przemysłowy, 3. Lubelskie Zagłębie Węglowe, 4. Zagłębie Konińskie, 5. Zagłębie Turoszowskie 4 Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, 2. Górnośląski Okręg Przemysłowy, 3. Lubelskie Zagłębie Węglowe, 4. Zagłębie Konińskie, 5. Zagłębie Turoszowskie 5 Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, 2. Górnośląski Okręg Przemysłowy, 3. Lubelskie Zagłębie Węglowe, 4. Zagłębie Konińskie, 5. Zagłębie Turoszowskie
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R104cxBcj4gH7
Węgiel Kamienny Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, Konińskie i Turoszowskie., 2. Lubelskie Zagłębie Węglowe, Górnośląski Okręg Przemysłowy Węgiel Brunatny Możliwe odpowiedzi: 1. Zagłębie Bełchatowskie, Konińskie i Turoszowskie., 2. Lubelskie Zagłębie Węglowe, Górnośląski Okręg Przemysłowy
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

1
Polecenie 3
R1XFCdqzSHMBN
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Najstarszą geologicznie odmianą węgli kopalnych, o największej procentowej zawartości pierwiastka węgla (ponad 98%), jest szungit. Powstał w wyniku karbonizacji antracytu, ponad 2 mld lat temu. Ma czarną barwę i charakteryzuje się intensywnym połyskiem. Jego nazwa pochodzi od miejscowości Szunga w północno–zachodniej Rosji.

RcX2d1fwLA455
Zdjęcie szungitu w Muzeum Górnictwa w Nowej Rudzie
Źródło: Amrith.de, edycja: Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

iQpHERyRef_d5e269

Przetwarzanie węgla kamiennego

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.

C+O2CO2↑ + 393,5 kJmol

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°C bez dostępu powietrza. W tych warunkach następuje jego rozkład.

Piroliza węgla kamiennego1
Doświadczenie 1
R1QxXy3i8FJAE
Problem badawczy:. Spośród podanych poniżej hipotez wybierz jedną, a następnie ją zweryfikuj. Hipoteza 1: Hipoteza 2: Twój wybór: (Wybierz: Hipoteza 1., Hipoteza 2.). Co będzie potrzebne: ;. Instrukcja: 1.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RJ0DZSJv0qLvK
Film przedstawia pirolizę węgla kamiennego. Zbadano zapach oraz palność gazu, który wydzielił się w wyniku doświadczenia.

Problem badawczy:

Jakie substancje powstają w wyniku pirolizy węgla?

Hipoteza:

Węgiel kamienny zawiera wiele różnych substancji chemicznych.

Co było potrzebne:

  • węgiel kamienny;

  • palnik gazowy;

  • probówka z szyjką boczną;

  • korek z rurką odprowadzającą;

  • odbieralnik;

  • lejek;

  • szkiełko zegarkowe;

  • uniwersalne papierki wskaźnikowe.

Przebieg doświadczenia:

Zmontowano zestaw do ogrzewania, złożony z probówki z szyjką boczną, korka z rurką odprowadzająca i odbieralnika. Następnie do probówki dodano niewielką ilość rozdrobnionego węgla kamiennego. Zamknięto wylot korkiem z rurką odprowadzającą, a jej drugi koniec umieszczono w odbieralniku. Probówkę ogrzewano w płomieniu palnika gazowego. Gaz wydobywający się z rurki odbieralnika miał ostry, charakterystyczny zapach. Następnie do wylotu rurki odbieralnika przyłożono zapaloną zapałkę. Wydobywający się gaz uległ zapaleniu. W odbieralniku zebrała się ciemnobrązowa ciecz. Za pomocą uniwersalnego papierka wskaźnikowego zbadano pH cieczy, która zabarwiła go na zielono. W probówce pozostał czarny osad, podobny do koksu.

W wyniku suchej destylacji węgla kamiennego otrzymano produkty stałe: koks, ciekłe: smołę węglową i wodę pogazową (amoniakalną), oraz gazowe: gaz koksowniczy (świetlny).

1
Polecenie 4
R1aqTgjDnlmBp
Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 4
RUbT9zIdO0ZlU
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku suchej destylacji węgla kamiennego otrzymuje się produkty stałe: koks, ciekłe: smołę węglową i wodę pogazową (amoniakalną), oraz gazowe: gaz koksowniczy (świetlny). Koks jest praktycznie czystym węglem z niewielką domieszką związków nieorganicznych. Ma porowatą strukturę. Charakteryzuje się dużą wartością opałową. Smoła węglowa jest mieszaniną wielu związków chemicznych, głównie organicznych. Ma postać czarnej, gęstej cieczy o charakterystycznym zapachu.

Destylacja frakcyjna smoły węglowej pozwala pozyskać szereg związków organicznych, które są cennymi surowcami dla przemysłu chemicznego. Pozostałość po destylacji smoły węglowej to, tak zwany, pak węglowy. Służy do otrzymywania smoły i lepiku dachowego oraz do brykietowania pyłu węglowego.

Woda pogazowa to wodny roztwór amoniaku i soli amonowych. Gaz koksowniczy jest mieszaniną wodoru, metanu, tlenku węgla(II). Wszystkie produkty suchej destylacji węgla kamiennego mają szerokie zastosowanie.

R1DRWy02hPlvF
Zastosowanie produktów destylacji węgla kamiennego
Źródło: Tomorrow Sp. z o. o. , Koks Brennstoff (http://commons.wikimedia.org), Ralph Malan (https://www.flickr.com), Leiem (http://commons.wikimedia.org), Doug Beckers (https://www.flickr.com),金城 (http://commons.wikimedia.org), Emilian Robert Vicol (https://www.flickr.com), Meganbeckett27 (http://commons.wikimedia.org), Radomil (http://commons.wikimedia.org), Alex Proimos (http://commons.wikimedia.org), edward stojakovic (https://www.flickr.com), Steve Snodgrass (https://www.flickr.com), chee.hong (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 5
RnIr4rKwPLLDq
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 6
RPVP0Cks7aKDC
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 7
R1NOIazrrQsZt
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Na początku XX w. opracowano metodę produkcji syntetycznych paliw płynnych z węgla poprzez jego katalityczne uwodornienie. Metoda ta okazała się jednak nieopłacalna ze względu na dużo niższe koszty pozyskiwania benzyny z ropy naftowej. Obecnie, w obliczu wyczerpywania się złóż ropy naftowej i wzrostu ceny tego surowca, w niektórych krajach, jak w Chinach, Republice Południowej Afryki i Australii, technologia ta cieszy się rosnącą popularnością. Dzięki niej RPA pokrywa dzisiaj jedną trzecią swojego zapotrzebowania na paliwo.
Ciekawym procesem przeróbki węgla kamiennego jest również jego zgazowanie, w wyniku którego otrzymuje się gaz syntezowy, czyli mieszaninę tlenku węgla(II) i wodoru. Jest on cennym surowcem do produkcji między innymi benzyny syntetycznej i metanolu. Obecnie jednak bardziej opłacalne jest pozyskiwanie gazu syntezowego z gazu ziemnego.

iQpHERyRef_d5e363

Zastosowanie węgla

1
Polecenie 8

Zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym, a następnie wymień jak najwięcej zastosowań węgla pierwiastkowego, które zostały w tym materiale przedstawione.

RGipFb7evSLCt
Pokaz slajdów złożony ze zdjęć i z grafik przedstawiający zastosowanie węgla w różnych dziedzinach życia.
RSmSiN6I6YEGf
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ropa naftowa

Ropa naftowa to paliwo kopalne, będące ciekłą mieszaniną węglowodorów (głównie alkanów), które występują w stałym, ciekłym i gazowym stanie skupienia. Do rozdzielenia ropy naftowej na składniki (tzw. frakcje) wykorzystuje się proces tzw. destylacji frakcjonowanej. Dzięki niemu otrzymuje się mieszaniny węglowodorów, których cząsteczki zbudowane są ze zbliżonej liczby atomów węgla (mają zbliżone temperatury wrzenia). Produktami przeprowadzanego w rafineriach procesu destylacji frakcjonowanej ropy naftowej, są między innymi:

Produkt destylacji ropy naftowej (frakcja)

Liczba atomów węgla w cząsteczkach węglowodorów wchodzących w skład mieszaniny będącej produktem destylacji ropy naftowej

gaz rafineryjny

14

benzyna

512

nafta

916

olej napędowy

1518

mazut

(który nie uległ procesowi destylacji; jest pozostałością tego procesu)

>17

Indeks górny Źródło: Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., To jest chemia, poziom podstawowy, Warszawa 2012, str. 53. Indeks górny koniec

R1Icu7hoFzTkH
Rafineria w Płocku – panorama. W rafinerii przeprowadza się proces destylacji frakcjonowanej ropy naftowej.
Źródło: Unfortunately Named, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Polecenie 9

Zastanów się i odpowiedz na pytanie, w której z frakcji produktów destylacji ropy naftowej znajdują się węglowodory o najniższych, a w której o najwyższych temperaturach wrzenia?

R1FQLvRn8E5cx
Odpowiedź: (Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Gaz ziemny

Gaz ziemny to także paliwo kopalne, ale jego głównym składnikiem jest metan. W składzie posiada także inne węglowodory o stosunkowo niewielkich masach cząsteczkowych, takie jak etan, propan oraz butan oraz inne związki organiczne i minerały.

Metan to najprostszy węglowodór, główny składnik gazu ziemnego. Jest gazem bezwonnym o gęstości mniejszej niż gęstość powietrza, słabo rozpuszczalnym w wodzie, dobrze rozpuszczalnym w rozpuszczalnikach organicznych. Metan jest gazem palnym. Produkty jego spalania zależą od ilości dostępnego tlenu. Przy ograniczonym dostępie tlenu w reakcji spalania powstaje sadza oraz para wodna. Gdy tlenu jest więcej, produktem reakcji – oprócz pary wodnej – jest trujący gaz, tlenek węgla(II) zwany czadem. Spalanie całkowite natomiast prowadzi do tlenku węgla(IV) i wody. Metan należy do gazów cieplarnianych.

Ilustracja przedstawia kartkę papieru leżącą na drewnianym biurku. Po prawej leży również cienkopis. Na kartce widać nagłówek: „Zmiany stężenia metanu w atmosferze”. Poniżej znajdują się dwie mapy świata. Pierwsza pokazuje stężenie metanu w atmosferze na świecie w latach 2003‑2005, a druga stężenie metanu w atmosferze na świecie w latach 2008‑2010. Chłodniejsze kolory (odcienie niebieskiego) oznaczają niską zawartość metanu, cieplejsze kolory (odcienie czerwonego) odznaczają wysoką zawartość metanu. Z map wynika, że w przeciągu pięciu lat nastąpił znaczny wzrost zawartości metanu.

R1dyEtOmZg9OQ1
Źródło: Eduexpert Sp. z o.o. / Evaco Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
R13crtkNMYDBS1
Źródło: Eduexpert Sp. z o.o. / Evaco Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
RYl4KYHKUp706
Na ekranie pokazany jest panel sterowania z aktywnymi klawiszami do odtwarzania zawartości audiobooka. W części górnej części znajdują się trzy klawisze. Pierwszy od lewej „Widok” umożliwia przełączenie między odtwarzaczem dźwiękowym audiobooka oznaczonym jako „Odtwarzacz” na liście wyboru a podglądem treści audiobooka oznaczonym jako „Tekst”. Odtwarzacz dźwiękowy oznaczony jako „Odtwarzacz” przedstawia żółty pasek, na którym podczas odtwarzania pojawia się tekst. Widok „Tekst” prezentuje pełny tekst pojawiający się w nagraniu. Widok „Dynamiczny” stanowi połączenie widoku „Odtwarzacz” i „Tekst". Klawisz środkowy „Książka” umożliwia nawigację po treści audiobooka. Klawisz trzeci od lewej „Więcej” – zawiera informacje o programie. Poniżej oddzielony linią znajduje się panel sterowania odtwarzacza nagrania. Poniżej panelu sterowania znajduje się żółty pasek, na którym w trakcie odtwarzania pokazywany jest tekst nagrania.
chem_scen4_audiobook
Źródło: Eduexpert Sp. z o.o. / Evaco Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 10

Przeanalizuj mapę i wyjaśnij, dlaczego teoretycznie na całej kuli ziemskiej grozi nam megatsunami i znaczący skok temperatury atmosfery.

RiK2EGDlhvoyC1
Źródło: Eduexpert Sp. z o.o. / Evaco Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 11

Przygotuj schemat produkcji metanu w procesie beztlenowej fermentacji materii organicznej.

Polecenie 12

Metan to główny składnik biogazu. Stanowi 50‑70% jego objętości. Podaj, jakie są jeszcze inne składniki biogazu i krótko je scharakteryzuj.

Przykładowe rozwiązania poleceń:

Polecenie 1.

Praktycznie na całej kuli ziemskiej występują złoża hydratów gazowych (klatratów metanu). Klatraty metanu to metan w głębinach oceanicznych. W połączeniu z powietrzem lub tlenem metan tworzy mieszaniny wybuchowe. Nagromadzony na dnie oceanów metan, który zostałby gwałtownie uwolniony i wraz z tym połączyłby się z tlenem lub powietrzem, mógłby doprowadzić do katastrofy: megatsunami, czyli ogromnej fali oceanicznej, oraz wysokiej emisji do atmosfery pyłów i pary wodnej.

Encyklopedia PWN, hasła: katastrofa ekologiczna, klatraty, metan

Polecenie 2.

Schemat produkcji metanu w warunkach beztlenowych jest wielofazowy. Na początku procesu dochodzi do rozkładu związków organicznych (np. węglowodanów, białek, tłuszczów). Następnie zachodzi rozkład substacji przez bakterie beztlenowe, w wyniku czego powstają kwasy organiczne (np. kwas octowy) lub wodór i dwutlenek węgla. Potem następuje ich przemiana do metanu i dwutlenku węgla. Proces ten można przedstawić tak, jak na załączonym poniżej schemacie.

http://www.egospodarka.pl/44006,Alternatywne-zrodla-energii-biogaz,1,56,1.html
http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/fermentacja-metanowa

Polecenie 3.

Pozostałe składniki biogazu to: dwutlenek węgla, azot, wodór, siarkowodór, tlen.

Dwutlenek węgla – produkt spalania i oddychania. Jest wydychany przez zwierzęta i wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Powstaje w efekcie całkowitego spalania węgla lub rozkładu węglanów. Występuje w atmosferze i hydrosferze.

Azot – główny składnik powietrza (78,09& objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy(V) oraz innych związków organicznych (m.in. kwasy nukleinowe, białka, alkaloidy i wiele innych).

Wodór – najbardziej rozpowszechniony pierwiastek chemiczny we Wszechświecie i również często występujący wśród pierwiastków na Ziemi. Łatwo tworzy związki chemiczne z niemetalami, dlatego większość wodoru na Ziemi występuje w formie wody albo związków organicznych.

Siarkowodór – związek nieorganiczny łączący siarkę i wodór. To bezbarwny, palny gaz o charakterystycznym, silnym zapachu. Jest silnie trujący.

Tlen – najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na Ziemi. Stanowi 20,95% objętości w atmosferze ziemskiej. Występuje w postaci cząstek dwuatomowych OIndeks dolny 2 oraz trójatomowych jako ozon (OIndeks dolny 3).

Encyklopedia PWN, hasła: biogaz, dwutlenek węgla, azot, wodór, siarkowodór, tlen

Ciekawostka

Wosk pszczeli zawiera około 10% masowych różnych alkanów – liczba atomów węgla w cząsteczce najcięższego z alkanów, wchodzącego w skład wosku pszczelego, wynosi 31. W skórkach jabłek znajdują się alkany, których cząsteczki utworzone są z 2729 atomów węgla. Tkanki roślinne zawierają niewielkie ilości etenu.

bg‑gold

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.