Węglowodory to związki organiczne o cząsteczkach zbudowanych wyłącznie z atomów węgla i atomów wodoru. Najogólniej dzielimy je na dwie duże grupy: węglowodory łańcuchowe (alifatyczne) - w nich atomy węgla łączą się w łańcuchy otwarte, oraz węglowodory pierścieniowe (cykliczne). Stanowią one jedną z największych grup związków organicznych. W warunkach normalnych występują jako gazy, ciecze lub ciała stałe. 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. Znajdują one zastosowanie m.in. jako paliwa silnikowe, do celów opałowych oraz jako podstawowy surowiec w przemyśle organicznym.
Ropa naftowa
Ropa naftowa już w XX wieku stała się głównym motorem rozwoju przemysłu i cywilizacji.
Niestety jest ona nierówno rozmieszczona po świecie, co przyczyniło się wielu konfliktów międzyludzkich. 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. Gęstość ropy wynosi 0,73–0,99 g/cm3, a wartość opałowa 38–48 MJ/kg.
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. Pochodzenie ropy naftowej próbowały tłumaczyć dwie teorie, mianowicie Mendelejewa - tzw. węglikowa, i polskiego chemika - Radziszewskiego, tłumacząca powstanie ropy naftowej jako wynik rozkładu w głębi skorupy ziemskiej (pod wpływem ogromnego ciśnienia i bez dostępu powietrza) fauny i flory, bujnie rozwiniętej we wcześniejszych epokach geologicznych.
Skład chemiczny ropy naftowej waha się w szerokich granicach w zależności od miejsca jej wydobycia. Na przykład ropy rosyjskie zawierają głównie węglowodory o budowie pierścieniowej, którym odpowiada wzór ogólny CnH2n, ropa pensylwańska zawiera prawie wyłącznie węglowodory nasycone. 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 (40-180C), naftę (180-280C), oleje napędowe (280-350C) oraz mazut (powyżej 350C), 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 (m.in. płonące strzały, tzw. ogień grecki — mieszanina ropy naftowej, siarki i wapna zapalająca się w zetknięciu z wodą); najczęściej wydobywano ją z bardzo płytkich otworów albo zbierano
z powierzchni w miejscu jej naturalnego wypływu z warstwy roponośnej bądź szczeliny.
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 tj. Los Angeles czy Meksyk.
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.
Znaczne ilości gazu występują również pod dnem morskim u wybrzeży Ameryki Północnej (wschodnie wybrzeże), Brazylii, Indii (O. Indyjski) i Australii.W Polsce występuje on głównie na Podkarpaciu, w środkowej części Niziny Południowo-wielkopolskiej (k. Ostrowa Wielkopolskiego) około Jasła, Lubaczowa, Gorlic, Cieszyna i na Pomorzu Zachodnim.
Węgiel kamienny
Węgiel jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na kuli ziemskiej. Po pierwsze jest skałą pochodzenia organicznego, czyli powstałą ze szczątków organizmów żywych. Po drugie, w przeciwieństwie do innych skał pali się, wydzielając dużo ciepła.
Węgiel kamienny jest bardzo cennym źródłem - zarówno węglowodorów, jak i innych bardziej złożonych substancji organicznych. Węgiel jest produktem przemiany roślinnych substancji organicznych na dużych głębokościach, czyli pod ogromnym ciśnieniem,w wysokiej temperaturze i bez dostępu powietrza.
Zawiera 78–92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt, zawierający do 97% węgla). Jest czarny, zwarty, kruchy; paląc się daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny ma niejednorodną budowę; składa się z kilku składników (odmian) petrograf. różniących się połyskiem i twardością (witryn — węgiel błyszczący, klaryn — węgiel półbłyszczący, duryn — węgiel matowy i fuzyn — węgiel włóknisty), występujących w postaci pasemek w różnych proporcjach. Największe złoża węgla kamiennego znajdują się w Federacji Ros. (m.in. zagłębia: Leńskie, Tunguskie, Kuźnieckie, Peczorskie), na Ukrainie (gł. Zagłębie Donieckie),w USA (m.in. stany: Wirginia, Pensylwania, Ohio, Kentucky), w Kanada (gł. prow. Alberta),w Niemczech (m.in. zagłębia: Ruhry i Saary),w Chinach (zwł. prow. Shanxi), RPA (gł. Transwal),w W. Brytanii (zagłębia: Yorkshire, Derbyshire, Durham i in.). W Polsce pokłady węgla znajdziemy w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym i Lubelskim Zagłębiu Węglowym),w Indiach (gł. dorzecze rz. Damodar),w Australii (Nowa Pd. Walia, Queensland).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.
Węgiel brunatny
Węgiel brunatny jest jednym z węgli kopalnych, zawiera on 65–78% pierwiastka węgla.Ma barwę od jasnobrunatnej do czarnej. Węgiel brunatny jest szeroko rozpowszechniony na świecie. Występuje przede wszystkim w utworach trzeciorzędowych, niekiedy też w utworach kredy, jury i triasu, a także sporadycznie karbonu.
Rozróżniamy kilka odmian węgla brunatnego: węgle ksylitowe, zwane też węglami lignitowymi (lignitami), odznaczające się wyraźnie zachowaną strukturą drewna, następnie węgle miękkie, do których należą węgle ziemiste, o nierównym przełamie, po wysuszeniu łatwo rozsypujące się na drobne kawałki, i węgle łupkowe, o wyraźnej podzielności warstwowej, po wysuszeniu mniej kruche od węgli ziemistych. Węgle twarde, różnią się od innych odmian węgla brunatnego większą zwięzłością. Rozróżnia się wśród nich węgle matowe, o przełamie muszlowym, i węgle błyszczące, zbliżone do węgli kamiennych.
Największe złoża węgla brunatnego występują na obszarach: Niemiec (Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Saskie Zagłębie Węglowe, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Kańsko-Aczynskie, Podmoskiewskie Zagłębie Węglowe), Rumunii, Czech (Pólnocnoczeskie Zagłębie Węglowe), USA, Kanady, Australii i Indii.
W Polsce najbogatsze złoża znajdują się w rejonie Turoszowa (Turoszowskie Zagłębie Węgla Brunatnego), Konina (Konińskie Zagłębie Węgla Brunatnego) i Bełchatowa (Bełchatowskie Zagłębie Węgla Brunatnego); węgiel brunatny występuje również na Dolnym Śląsku (m.in. okolice Legnicy, Ścinawy), i w rejonie Trzcinki.
Węgiel brunatny stosowany jest głównie jako opal (ze względu na dużą zawartość siarki – 3-4%, i wysoka popielność, do 40%, jego spalanie ma ujemny wpływ na środowisko.Jest cennym surowcem chemicznym przerabianym w procesach wytlewania, zgazowania i uwodorniania węgla. Z niektórych gatunków węgla brunatnego ekstrahuje się tzw. wosk montanowy. Węgiel brunatny jest też używany jako podłoże, gł. w ogrodnictwie, a także jako czynnik użyźniający glebę.
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.
W tworzeniu się węgla kopalnego rozróżnia się 2 fazy: biochemiczną i geochemiczną.
W fazie biochemicznej nagromadzony materiał roślinny ulegał rozkładowi przy współudziale drobnoustrojów (próchnienie, butwienie i torfienie lub gnicie), w wyniku, czego wzbogacił się w pierwiastek węgiel. W fazie geochemicznej w przeobrażonej masie roślinnej, przykrytej skałami osadowymi (piaskiem, iłem), zachodziły reakcje chemiczne prowadzące do usunięcia składników lotnych i koncentracji pierwiastka węgla. Proces wzbogacania nagromadzonej masy roślinnej w pierwiastek węgiel, zw. uwęglaniem, odbywał się z różną intensywnością i decydował o powstaniu różnych rodzajów węgla kopalnego; na intensywność procesu uwęglania duży wpływ miały: wysoka temperatura (zależnie od głębokości, na jaką została pogrążona nagromadzona materia roślinna lub od sąsiedztwa intruzji magmowej), czas trwania procesu oraz ciśnienie wywierane przez nadległe masy skalne. Powstawanie węgla było procesem długotrwałym, obliczono teoretycznie, że na powstanie pokładu węgla o grubości 1 m potrzeba 1200 lat akumulacji materiału roślinnego. Węgle kopalne są podstawowymi surowcami energetycznymi i chemicznymi.