Węglowodory to grupa związków organicznych złożonych jedynie z atomów węgla i wodoru. Są najprostszą pod względem budowy grupą związków organicznych. Najogólniej dzielimy je na dwie duże grupy: węglowodory łańcuchowe (alifatyczne) - w nich atomy węgla łączą się w łańcuchy otwarte, oraz węglowodory pierścieniowe (cykliczne). W warunkach normalnych występują jako gazy, ciecze lub ciała stałe. Węglowodory to związki z którymi mamy praktycznie do czynienia codziennie np.:
- paliwa (benzyna, olej napędowy)
- gaz spalany w kuchenkach gazowych
- gaz w butlach gazowych
- parafina z której zrobione są świece
- acetylen wykorzystywany do spawania i cięcia metali
Wszystkie związki chemiczne, zaliczane do węglowodorów charakteryzują się palnością (stąd ich znaczenie jako surowce energetyczne: mazut, oleje napędowe i benzyna) i wysokimi wartościami ciepła spalania. Ze względu na apolarny (hydrofobowy) charakter cząsteczek są one nierozpuszczalne w wodzie. Węglowodory nasycone są mało aktywne pod względem chemicznym, a ich reakcje są prowadzone na ogół w wysokiej temperaturze. Obecność wiązania podwójnego w alkenach powoduje, że wykazują one większą aktywność niż węglowodory nasycone. Ulegają one reakcjom: polimeryzacji oraz addycji wody, wodoru, fluorowców. Dużą aktywnością chemiczną charakteryzują się także alkiny. Węglowodory aromatyczne ulegają reakcjom nitrowania, alkilowania, sulfonowania, acylowania.
Źródłem węglowodorów jest przede wszystkim ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny. Węglowodory gazowe powstają z gazu ziemnego, a węglowodory ciekłe i stałe - głównie z ropy naftowej.
ROPA NAFTOWA
Wszystkie wymienione grupy węglowodorów zarówno ciekłe, gazowe jak i stałe występują w ropie naftowej, która jest głównym naturalnym źródłem tych związków. Ropa naftowa już w XX wieku stała się głównym motorem rozwoju przemysłu i cywilizacji. Również ropie i jej pochodnym zawdzięczamy największe zanieczyszczenie środowiska.
Ropa naftowa jest ciekłą, naturalną mieszaniną węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny), zawiera także org. związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali. Ma barwę żółtobrunatną., zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna lub czerwonawa. Występuje ona głównie na obszarach krajów byłego Związku Radzieckiego, USA, Wenezueli, Bliskiego Wschodu, Nigerii, Rumunii i kilku innych państw. Najbogatszym obszarem roponośnym w świecie jest region Zatoki Perskiej. W Polsce niewielkie złoża roponośne znajdują się w okolicach Sanoka, Jasła, Krosna, Gorlic oraz na Bałtyku. Prawie zawsze pokładom ropy naftowej towarzyszy gaz ziemny. Ropę naftowa poddaje się destylacji frakcjonowanej, umożliwiającej rozdzielenie jej na poszczególne frakcje węglowodorowe, różniące się temperaturami wrzenia. W tym procesie uzyskuje się: benzynę, naftę, oleje napędowe oraz mazut, który podlega dalszej obróbce. Z mazutu otrzymujemy oleje smarowe i asfalt.
Ropę naftową i asfalt znano już kilka tys. lat temu, w starożytności ropę wykorzystywano m.in. do balsamowania ciał, oświetlania, w celach leczniczych w technice wojennej.
Ropa naftowa ma bardzo szerokie zastosowanie. Jest czystsza i wydajniejsza niż węgiel, a w porównaniu z gazem łatwiejsza do transportowania. Czasem, podobnie jak węgiel, nazywania jest czarnym złotem. Wytwarza się z niej połowę energii wykorzystywanej na świecie. Jako surowca energetycznego używa się ropy w transporcie, przemyśle i innych działach gospodarki. Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu paliw - kilku rodzajów benzyny, oleju napędowego i paliwa lotniczego. Używa się jej też do produkcji olejów silnikowych smarów, bez których niemożliwe byłoby funkcjonowanie maszyn. Służy również do produkcji nawierzchni asfaltowych i całej gamy innych produktów, np. kosmetyków, leków, barwników, materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, włókien sztucznych (nylon), atramentu, środków owadobójczych, plastiku, syntetycznego kauczuku (opony) itp.
Jednakże używanie ropy ma też swoje minusy. Skażenie wód morskich ropą zdarza się często m.in. również przy czyszczeniu tankowców, kolizjach morskich i wypadkach na morskich platformach wydobywczych. Do największych skażeń dochodzi, gdy tankowce zostaną uszkodzone lub zatoną. Wycieki ropy doprowadzają do zagłady ptaków, ryb i innych morskich organizmów. Również stosowanie benzyny w silnikach samochodowych doprowadziło do ciężkiego skażenia powietrza w wielu miastach. Spaliny z samochodów i innych urządzeń napędzanych ropą zawierają trujące gazy, tj. tlenek węgla, nie spalone węglowodory, tlenki azotu i ołów. Niektóre z tych zanieczyszczeń wchodzą w reakcję ze światłem słonecznym tworząc smog w wielkich miastach.
Kiedy tlenki azotu wymieszają się z drobinami wody w chmurach, spadają tzw. kwaśne deszcze- zanieczyszczają one rzeki, jeziora i niszczą lasy. Jednakże w przyszłości pomimo odkrycia nowych złóż ropy naftowej, nie ulega wątpliwości, że zasoby tego surowca kiedyś się wyczerpią, zwłaszcza, że proces jego powstawania jest niezwykle wolny. Mimo wszystko niezależnie od wzrostu cen i świadomości rychłego wyczerpania zasobów, zapotrzebowanie na ropę naftowa wciąż rośnie. Perspektywy być może nie są tak tragiczne, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Niektórzy uczeni utrzymują, że znane i udokumentowane złoża ropy naftowej stanowią jedynie ok. 33% całego ziemskiego zapasu. Nowe złoża i sposoby wydobycia nie rozwiążą jednak problemu nadchodzącego kryzysu energetycznego. Zasoby ropy na pewno kiedyś się wyczerpią, dlatego już teraz należy poszukiwać alternatywnych źródeł energii. Zanim jednak będzie można na wielką skale pozyskiwać energie z innych źródeł, należy bardzo racjonalnie gospodarować zasobami najważniejszego obecnie źródła energii - ropy naftowej.
GAZ ZIEMNY
Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów nasyconych występujących w temperaturze pokojowej w stanie gazowym. Zdecydowaną przewagę w tej mieszaninie stanowi metan(jego zawartość dochodzi do 95% i więcej), wraz z etanem oraz zawiera niewielkie ilości propanu, butanu i azotu. Wykorzystywany jest jako tanie paliwo oraz cenny surowiec chemiczny. Jego wartość opałowa jest znacznie wyższa niż gazu koksowniczego, co oznacza, że spalanie danej masy gazu ziemnego da więcej energii niż spalanie tej samej masy gazu koksowniczego. Gaz ziemny towarzyszy zazwyczaj złożom ropy naftowej i jest wydobywany razem z nią. Znane są takie złoża, w których gaz występuje samodzielnie. Gaz ziemny znajduje się w złożu pod wysokim ciśnieniem, toteż po wywierceniu otworu sięgającego złoża i obudowaniu go rurami, gaz wypływa pod własnym ciśnieniem. Gaz wydobywany ze złoża wymaga zawsze oczyszczenia. Niektóre gatunki gazu ziemnego zawierają domieszkę siarkowodoru i innych związków siarki. Są to składniki bardzo niepożądane, ponieważ w wyniku spalania dają dwutlenek siarki, który dostając się do środowiska powoduje bardzo groźne w skutkach skażenie środowiska.
Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naftowa lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Rozróżnia się: gaz ziemny suchy, zawierający najczęściej ok. 95% metanu, 2% etanu, 3% węglowodorów wyższych i innych gazów (siarkowodór, dwutlenek węgla, azot), oraz gaz ziemny mokry, w którym występuje najczęściej ok. 80% metanu, 6,5% etanu, 6% propanu, 4% butanu, 3,5% pentanu oraz węglowodory wyższe.
Z mokrego gazu ziemnego wyodrębnia się węglowodory w postaci gazu płynnego oraz gazoliny. W skorupie ziemskiej gaz ziemny występuje: swobodnie - w postaci gazowej lub związany w stałych hydratach węglowodorów. W postaci rozpuszczonej - w wodach podziemnych lub ropie naftowej Gaz ziemny jest cennym surowcem w produkcji sadzy, gazu syntezowego oraz jest stosowany jako paliwo. Najwięcej gazy ziemnego wydobywa się w Rosji, USA, w Kanadzie i w Wielkiej Brytanii, a także pod dnem Morza Północnego.
WĘGIEL KAMIENNY
Węgiel kamienny jest ważnym paliwem wykorzystywanym bezpośrednio (spalanie) lub po przeróbce chemicznej do celów energetycznych., a także surowcem dla przemysłu chemicznego. Procesami technologicznymi. stosowanymi do chemicznej przeróbki węgla kamiennego są: odgazowanie węgla w wysokiej temp. (koksownictwo i gazownictwo), odgazowanie węgla w niskiej temperaturze (wytlewanie), zgazowanie oraz uwodornianie węgla. W wyniku tych procesów otrzymuje się: paliwa stałe, ciekłe i gazowe (np. koks, paliwa silnikowe, gazy opałowe) oraz półprodukty lub surowce dla przemysłu chemicznego (np. gaz syntezowy, smołę węglową, benzol). W zależności od przydatności węgla kamiennego do celów energetycznych i technologicznych opracowano różne klasyfikacje węgla kamiennego Najczęściej jest stosowana klasyfikacja oparta na właściwościach technologicznych węgla, określanych zawartością w węglu części lotnych, ciepłem spalania węgla, jego spiekalnością i ciśnieniem rozprężania. Polska klasyfikacja rozróżnia 10 typów węgla kamiennego. Węgiel kamienny wydobywa się metodą głębinową, gdyż jego pokłady znajdują się głęboko pod powierzchnią ziemi. Buduje sie specjalne szyby i zwozi górników ze sprzętem na dół. W związku z tym,co roku przy wydobyciu węgla giną setki górników.
Pomimo wielu zagrożeń nieustających poszukiwań czystszych źródeł energii, węgiel wciąż jest podstawowym surowcem energetycznym. Znane metody wydobycia węgla są jednak bardzo kosztowne. Dlatego trwają badania nad bardziej efektywnym wykorzystaniem odkrytych zasobów tego surowca. Specjaliści pracują nad metodą spalania złóż węgla pod ziemią w celu uzyskania gazu. Nadzieję budzi też możliwość uzyskania z węgla płynnego paliwa, które mogłoby w przyszłości zastąpić topniejące zasoby ropy naftowej.
Wydobywany węgiel składa się głównie z węgla pierwiastkowego, co nadaje mu czarny kolor, oraz gazów: wodoru (H2), tlenu (O2), azotu (N2). Większość złóż węgla formowała się od 360 do 28 mln lat temu. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadły na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniły się w torf. Procesowi temu towarzyszyło wydzielanie metanu (stąd duże jego ilości znajdują się przy pokładach węgla kamiennego). Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 m może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złoża torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku mm do kilku metrów.
WĘGIEL BRUNATNY
Węgiel brunatny jest skałą osadową która powstała z obumarłych szczątków roślinnych. Przypuszcza się, że węgiel brunatny powstał w erze kenozoicznej, a dokładniej w trzeciorzędzie, z obumarłych roślin, które uległy zwęgleniu bez dostępu atmosferycznego powietrza.
Jednym z użyć węgla brunatnego jest zastosowanie jako paliwo. Jednakże jego wartość opałowa jest o wiele niższa od wartości opałowej węgla kamiennego. Węgiel brunatny jest jednym ze źródeł energii, które nie są odnawialne.
Węgiel brunatny jest klasyfikowany na wiele możliwości. Jednym z nich jest podział ze względu na wielkość ziarna. W tym podziale występuje siedem sortymentów. Następnym podziałem jest podział ze względu na twardość. Tutaj wyróżniamy dwa typy: pierwszy - miękki, który jest wydobywany głównie w kopalniach odkrywkowych; drugi - twardy najczęściej wydobywany w kopalniach podziemnych.
Węgiel brunatny może być wykorzystywany tylko w najbliższym otoczeniu kopalni. Spowodowane jest to przez skłonność mokrego i zapopielonego węgla brunatnego do zbijania się w masę trudną do rozładowania podczas transportu. Ponadto węgiel ten w zimie bardzo często zamarza. Z tego powodu większość elektrowni zasilanych węglem brunatnym jest ulokowana w bliskim sąsiedztwie kopalń tego surowca. Węgiel brunatny w tym przypadku doprowadzany jest do elektrowni przy pomocy przenośników taśmowych. Jedynie elektrownia Konin jest zaopatrywana w węgiel brunatny dowożony z kopalni za pomocą odpowiedniej kolei przemysłowej.
W Polsce węgiel brunatny wydobywany jest w Zagłębiu Turoszowskim, Bełchatowskim, Konińskim i Sieniawie Lubuskiej. Najważniejsze miasta wydobywcze węgla brunatnego to Bełchatów, Konin, Turek, Koło, Bogatynia i Turów. Natomiast perspektywiczne złoża tego surowca są w Gubin-Mosty-Brody oraz Legnica-Prochowice-Ścinawa. W tym drugim przypadku przypuszcza się, że jest to największe złoże węgla brunatnego w Europie, a nawet na świecie.
Wydobycie węgla brunatnego w Polsce jest mniej więcej 2-krotnie mniejsze w porównaniu z wydobyciem węgla kamiennego. Również w tym przypadku można zauważyć tendencję spadkową, gdyż w tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątym dziewiątym roku wydobyto 63 miliony ton węgla brunatnego, a już 2 lata później o 3,5 miliona ton mniej. Polska znajduje się na 6 miejscu wśród państw wydobywających węgiel brunatny. Polskę wyprzedzają Niemcy, Rosja, Stany Zjednoczone, Australia i Grecja.
WĘGLE KOPALNE
Węgle kopalne są to skały osadowe powstałe w wyniku nagromadzenia i przeobrażenia materii roślinnej. Stanowią mieszaninę różnorodnych związków org., w skład, których wchodzą głównie pierwiastki: węgiel, wodór i tlen oraz azot i siarka. Zawierają też substancje mineralne (krzemiany, siarczki, węglany i in.), a także minimalne ilości pierwiastków tzw. rzadkich (m.in. german, gal, wanad, uran, arsen). W węglach kopalnych wyodrębnia się, dostrzegalne pod mikroskopem, podstawowe składniki o jednakowych cechach fizycznych, chemicznych i morfologicznych, zw. macerałami. W zależności od procentowej zawartości pierwiastka węgla rozróżnia się następujące gatunki węgla kopalnego tworzące tzw. szereg węglowy: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt i szungit.
Złoża węgla kopalnego powstały w różnych okresach geologicznych, największe
— w karbonie i permie. Roślinnością węglotwórczą były: w karbonie — olbrzymie widłaki, skrzypy, paprocie nasienne, kordaity, w permie — gł. rośliny nagozalążkowe i iglaste, w trzeciorzędzie — rośliny okrytozalążkowe. W zależności od rodzaju pierwotnej materii roślinnej rozróżnia się 3 podstawowe grupy węgla kopalnego: węgle humusowe (humolity), najbardziej w przyrodzie rozpowszechnione i najważniejsze pod względem gosp., utworzone na torfowiskach ze szczątków flory lądowej, węgle sapropelowe (sapropelity), występujące
w znacznie mniejszych ilościach (gł. w postaci cienkich ławic i soczewek wśród węgli humusowych), powstałe ze szczątków gł. flory wodnej (zwł. glonów), oraz węgle liptobiolitowe (liptobiolity), stanowiące nagromadzenie żywiczno-woskowych składników roślin, najbardziej odpornych na działanie czynników fizycznych i biochemicznych. Węgle kopalne są podstawowymi surowcami energetycznymi i chemicznymi.
Węglowodory zatem są uznawane jako jeden z ważniejszych surowców w przemyśle chemicznym, znalazły zastosowanie np. jako paliwo (oleje napędowe, benzyny) oraz jako główny surowiec przemysłu energetycznego.
