Химия и физика горючих ископаемых

Оксид вуглецю (IV), чи вуглекислий газ.

Молекула вуглекислого газу СО₂ має лінійну будову: О==С==О.

Схему перекривання атомних орбіталей  у молекулі СО₂ можна представити у такий спосіб. Як видно з графічної формули СО₂, вуглець утворює два σ- і два π-зв'язки з атомами кисню. Будова зовнішнього електронного шару чотиривалентного атома вуглецю :

 

. 

 

 

 

p-зв'язки, як відомо, можуть утворюватися тільки за рахунок перекривання пелюсток р-орбіталей. Отже, σ-зв'язки атом вуглецю буде утворювати за рахунок перекривання двох своїх sp-гібридних орбіталей з р-орбіталями атомів кисню.

Спрощено схему σ- і π-зв'язків  у молекулі СО₂ можна представити так:

 

 

  

 

. 

 

 

  

 

 

 

У невеликих кількостях (0,03 % за об'ємом) вуглекислий газ завжди є у  повітрі. Він не має кольору та запаху. При 194,5 К перетворюється у тверду сніжноподібну масу, так званий "сухий лід", який сублімірується, не плавлячись.

У одиниці об'єму води при 20 °С розчиняється відносна одиниця об'єму СО₂, зі збільшенням тиску розчинність зростає.

Вуглекислий газ має усі властивості кислотних оксидів. Однак унаслідок того, що відповідний йому гідроксид - вугільна кислота дуже нестійка, при розчиненні у воді СО₂ практично з нею не взаємодіє. Внаслідок того що в СО₂ вуглець має ступінь окиснювання +4, то горіти чи підтримувати горіння він не може. Для нього не характерні ні окисні, ні відновні властивості, хоча деякі активні метали можуть горіти в атмосфері СО₂, забираючи в нього кисень:  

 

 

 

 

Одержують вуглекислий газ термічним  розкладанням солей вугільної кислоти   

 

 

 

 

чи дією на них кислотами:

,

а також спалюванням горючих  копалин: 

 

. 

 

3. Види горючих копалин і їхня роль у народному господарстві

До  горючих копалин (ГК) відносять різноманітні вуглецьвмісні органічні речовини, що залягають у надрах у виді різних скупчень. За агрегатним станом розрізняють  тверді, рідкі і газоподібні ГК. До твердих горючих копалин (ТГК) відносять торф, буре і кам'яне вугілля, антрацити, горючі сланці, сапропелі, а також перехідні і змішані різновиди твердих вуглецевих речовин. До рідких горючих копалин відносять різні нафти і нафтоподібні речовини, що являють собою рідини різної в'язкості, а іноді і затверділі нафтовмісні породи (природні асфальти, озокерит і ін.). Газоподібні горючі копалини -- природні горючі гази, що знаходяться в надрах земної кори як у вигляді окремих родовищ, так і розчинені в нафті.

Археологічними  розкопками доведено, що видобуток нафти проводився на Аравійському півострові понад 6000 років тому. Вже тоді нафту (від мідійського слова нафата) використовували як "земляну олію", горючі матеріал, для освітлення, а також як зв'язуючий матеріал у будівництві, як мастильний матеріал і як лікувальний засіб.

В XIII столітті мандрівник Марко Поло писав, що "на грузинській границі  є джерела олії і багато її: сотні  пудів можна навантажити тією олією. Їсти її не можна, а можна палити і мазати нею верблюдів, у яких сверблячка і короста. Здалеку приходять за тією олією і по всій країні тільки її і палять". В Україні, у Прикарпатті в XIII ст. місцеви жителі рили колодязі і переганяли нафту ("скельний олій") для одержання "гасла", "гаса" і "масловиці".

У Китаї природний газ з давніх давен використовували для освітлення й опалення. Широке використання газу в промисловості і побуті починається з другої половини XIX століття, коли були споруджені перші газопроводи.

З усіх ТГК найважливішими за запасами (табл.1.2) і необхідністю є кам'яне вугілля, яке займає значне, а іноді й основне місце в енергетиці багатьох країн, є сировиною для коксування, для якого добувається 25-30% від його загальної кількості. Найбільш великі центри металургійної, хімічної і ряду інших енергоємних галузей промисловості створювалися, як правило, у районах, багатих на вугілля. При коксуванні кам'яного вугілля утворюється кокс, використовуваний як твердий відновник у металургії і побутове бездимне паливо, а також газоподібні продукти (кам'яновугільна смола, бензольні вуглеводні, аміак, коксовий газ і ін.). У асортимент коксохімічної продукції входять багато речовин (близько 1000 найменувань), споживачами яких є хімічна промисловість (виробництво органічних барвників, вибухових речовин, лаків, пластмас, синтетичного каучуку, фармацевтичних препаратів, синтетичних вітамінів і ін. речовин), металургійна, сільське господарство, залізничний і автодорожній транспорт і ін.

Таблиця 1.2 - Розвідані запаси викопного  палива

(Світовий  енергетичний конгрес - 1998 р.), млрд. т у.п. 

 

Вид палива	Увесь світ	Європа	Україна
Вугілля	799,8	72,6	34,00
Нафта	199,4	3,8	0,23
Газ	172,8	6,5	1,10
Усього	1172	72,9	35,33

 

 

Згідно з прогнозами Міжнародної  енергетичної асоціації, видобуток  вугілля збільшуватиметься.

У Східній Європі є великі запаси торфу, що використовуються як місцеве паливо, в електроенергетиці, сільському господарстві, а також як сировина для виробництва кормових дріжджів і цукру, легких тепло- і звукоізолюючих будівельних матеріалів, восків і різноманітних хімічних продуктів, активного вугілля і твердих відновників. У країнах СНД розвідано 160-180 млрд. т торфу, чи близько 60-65 % світових запасів, є понад 60 тис. торфових родовищ. Торф розвіданий тільки в 30 країнах світу, причому запаси його невеликі, у США, наприклад, вони не перевищують 14 млрд. т. Запаси торфу в Україні складають 2,25 млрд. т.

Великі запаси бурого вугілля, сприятливі гірничо-геологічні умови залягання, що дозволяють у більшості випадків здійснювати видобуток найбільш економічним відкритим способом, а також унікальність фізико-хімічні і технологічні властивості, ставлять цого на видне місце як паливо і технологічну сировину. Основна частина бурого вугілля, що добувається, використовується як паливо і тільки незначна частина його знаходить технологічне застосування як сировина для одержання гірського воску, коксу і напівкоксу, а також гумінових препаратів. Частка бурого вугілля серед світових запасів викопних енергоносіїв, видобуток яких може бути рентабельним на сучасному рівні техніки, складає 16 %.

Горючий сланець -- це тверда горюча порода, у якій переважає мінеральна складова, а вміст органічної речовини (керогену) не перевищує 60 %. Кероген є біо- і геохімічно перетвореною залишковою органічною речовиною, здатною при нагріванні без доступу повітря перетворюватися в рідкі і газоподібні продукти. Багато фахівців вважають горючі сланці найпоширенішим ТГК в земній корі. Підраховано, що в земній корі знаходиться близько 650 трлн. т керогену горючих сланців, у той час як загальні геологічні запаси нафти складають не більше 2 трлн. т. Основні ресурси -- близько 430-450 трлн. т. зосереджені в США (штати Юта, Колородо, Вайомінг).

Геологічні запаси мінелітових  сланців на території України  до глибини 200 м складають понад 500 млрд. т. Вони залягають потужними  шарами від десятків до 1500 м смугою уздовж Східного схилу Карпат і на рівнинах, що безпосередньо прилягають до гірського масиву від кордону з Польщею на півночі і до Румунії на півдні. Кількість горючих речовин в окремих пробах сланців коливається від 12 до 35 %, теплота згоряння -- від 3,75 до 10,0 МДж/кг. При видобутку і дробленні теплота згоряння усереднюється і складає 5-6 МДж/кг. Вихід летких речовин у середньому складає 50 % на органічну масу, вміст водню і кисню в горючий речовині -- відповідно 6,5-7,5 % і 16-20 %, вміст сірки на суху речовину 1,5-3,5 %, причому 65 % від загального вмісту складають сульфіди і дисульфіди (пірит і марказит) і тільки 5-15 % - сульфати.

Балтійські сланці, що залягають  на глибині 150-300 м, мають теплоту  згоряння 8-12 МДж/кг. Запаси родовища дозволяють побудувати 3-4 розрізи потужністю по 15-20 млн. т на рік при коефіцієнті розкриття (відношення потужності вищележачих порід до потужності шару вуглистого сланцю) 8-10.

Велику роль в економіці усього світу й окремих країн грають нафта і природний газ. Вуглеводні нафти і природного газу є основою сучасної енергетики і промисловості органічного синтезу. З нафти виробляють пальне для двигунів внутрішнього згоряння (бензин, гас, дизельне паливо), паливо для газових турбін і котельних установок, великий асортимент мастил, змащення, парафін, бітуми для дорожнього будівництва і гідроізоляції, сажі для гумової й електротехнічної промисловості, кокс для виробництва електродів і безліч інших продуктів. До сьогодні з нафти і нафтопродуктів синтезовано більш 20 тис. органічних сполук.

Природний газ -- це дешеве і зручне енергетичне і побутове паливо, тому 85 % газу, що добувається, використовується в енергетичних цілях, а 15 % - для виробництва  хімічних продуктів.

Запаси природного газу в регіоні  ЄЕК --68,7 трлн. м³. При очікуваному річному споживанні газу в регіоні 1,62 трлн. м³ на рік їх вистачить на 43 роки. Промислові запаси природного газу в Росії складають 47 трлн. м³, а видобуток 500 млрд. м³/рік. Навіть при збільшенні видобутку до 700 млрд. м³ їх вистачить на 67 років. Прогнозні запаси природного газу в Росії перевищують 250 трлн. м³.

Розвідані запаси газу в Україні  складають 1,1 трлн. м³, нафти -- 228 млн. т, а прогнозні, відповідно в 4,5 разів більше. Уже розвіданих запасів газу вистачить на 50 років при сучасному рівні видобутку.

Найважливіші родовища газу за рубежем -- Північне (Катар). Південний Парс (Іран), Даулетабад-Донмез (Туркменістан), Панхендл-Юготон у США, Гронінген у Нідерландах, Хассі-Ріель в Алжирі, у Західному  Сибіру -- Уренгойське, Ямбурзьке, Заполярне і Ведмеже, а також Уктильське в Республіці Комі, Оренбурзьке, Астраханське (Росія), Газлі в Середній Азії, Гхавар (Саудівська Аравія), Пазанан (Іран), Тролль (Норвегія) та ін.

Нафта -- основне джерело енергії  в більшості країн світу. У 1998 році 90 % нафти використано в енергетичних цілях. Темп найбільш раціонального використання нафти - як хімічної сировини наростає швидше, ніж як джерела енергії (палива). За десятиріччя з 1970 по 1980 р. споживання у світі нафти як хімічної сировини виросло на 11 %, а як палива -- на 6,2 %. Загальне споживання нафти за всі роки склало 50 млрд. т, у тому числі 25 млрд. т використано за 10 років (1980-1989 р.р.)

У світі відомо близько 30 тис. нафтових родовищ, однак тільки 15 % з них  належать до великих, у яких геологічні запаси перевищують 3 млн. т, а ті, що вилучаються -- 1-1,5 млн. т. 30 родовищ нафти мають вилучаємі запаси, понад 500 млн. т і належать до родовищ-гігантів.

Найбідьш великі родовища нафти: Гавар (10,1) і Сафанія (2,9) у Саудівській Аравії, Бурган (2,2) у Кувейті, Киркук (2,1) і Ер-Румайла (1,8) в Іраку, Лашнільяс (1,5) у Венесуелі, Хассі-Месауд (1,4) в Алжирі, Гечсаран (1,5), Марун (1,4), Агаджи (1,3) в Ірані, Серір (1,1) у Лівії, Прадхо-Бей (1,4 млрд. т початкових запасів, що витягаються,) у США (Аляска). 

4. Умови залягання і способи  видобутку 

горючих копалин

 

 

У геології Землі особливе місце  займає верхня оболонка земної кулі, товщиною 15-70 км, яка називається земною корою. Вона складена різними гірськими  породами, у числі яких і усі види ГК. За збереженими залишками органічного життя на землі в різні періоди геологічного часу складена геохронологічна схема, що відбиває час і послідовність утворення тих чи інших відкладів у земній корі (табл.1.3).

Геохронологічна схема охоплює період часу від зародження життя на землі понад 2 млрд. років тому до сучасної епохи. Відповідно до цієї схеми вся історія появи і розвитку органічного життя на Землі підрозділена на ери (групи), кожна ера розділена на періоди (чи системи), які у свою чергу розділені на епохи (чи відділи).

Утворення ГК відбувалося нерівномірно. В окремі геологічні періоди воно різко підсилювалося, сповільнювалося  чи припинялося, у результаті чого ГК розподілені дуже нерівномірно в  гірських породах, що належать до різних геологічних епох. Так, наприклад, накопичення викопного вугілля віналежить в основному до карбону (9 %), пермського (35 %), юрського і крейдового (53 %) періодів, поклади нафти і природного газу зустрічаються у всіх геологічних ерах, крім протерозою.

Протягом усіх періодів існування Землі відбувалися зрушення і переміщення земної кори, причому розмір і характер їх були неоднаковими, як за періодмих, так і за територією. На території материкових платформ протягом геологічних епох відбувалися лише повільні рухи у вертикальному напрямку, причому при опусканні ці області, як правило, затоплялися морями, а при підйомі виступали з води. Розташовані між платформами області тектонічних рухів, переміщалися у вертикальній і горизонтальній площинах, і утворювали геосинкліналі, для яких характерна наявність великих товщ осадових порід. Шари осадових порід накопичувалися й у платформних областях, утворюючи шари різних гірських порід, серед яких накопичувалися і ГК.

Великі площі суцільного безупинного  чи острівного залягання ГК, які характеризуються спільністю умов утворення у часі, називають басейнами. Вони займають нерідко десятки тисяч квадратних кілометрів. Окремі частини басейнів, відособлені географічними, геологічними чи іншими ознаками, які вміщають ГК, називають родовищами чи районами. Тверді горючі копалини залягають у вигляді горизонтальних чи похилих пластів різної потужності, що знаходяться на різній глибині від денної поверхні, а також у вигляді лінз різної товщини і довжини.  

 

 

  

 

 

  

 

Таблиця 1.3 - Геохронологічна таблиця  

 

Ера	Період	Епоха	Тривалість, млн. років
Кайнозой - Kz	Четвертинний, Q	Сучасна	1
		Піздньочетвертинна
		Середньочетвертинна
		Раньочетвертинна
	Третинний, Тr	Неоген Пліоценова Міоценова	25-30
		Олігоценова Палеоген Еоценова Палеоценова	30-35
Мезозой - Mz	Крейдовий, Cr	Піздньокрейдова	55-60
		Ранньокрейдова
	Юрський, J	Піздньоюрська	25-35
		Середньоюрська
		Ранньоюрська
	Тріасовий, Tr	Піздньотріасовий	30-35
		Середньотріасовий
		Ранньотріасовий
Палеозой - Pz	Пермський, P	Верхньопермський	25-30
		Ранньопермський
	Кам′яновугільний  (карбон), C	Піздньокам′яновугільна	50-55
		Середньокам′яноугільна
		Раннькам′яновугільна
	Девонський, D	Піздньодевонська	45-50
		Середньодевонська
		Ранньодевонська
	Силурійський, S	Піздньосилурійська	40-45
		Ранньосилурійська
	Ордовикський, О	Піздньоордовикська	70-80
		Середньоордовикська
		Ранньоордовикська
	Кембрийський, Cm	Піздньокембрійська	70-90
		Середньокембрійська
		Ранньокембрійська
Протерозой - Pr			600-900