Большая Советская Энциклопедия (УГ)
Шрифт:
Углепетрография
Углепетрогра'фия, описание составных частей угля, изучаемых макроскопически и под микроскопом в тонких и полированных шлифах. Основоположниками У. в СССР являются Ю. А. Жемчужников, М. Д. Залесский; за рубежом — Р. Тиссен (США), М. Стопе (Великобритания). С совершенствованием методов и расширением круга проблем У. она превратилась в науку о составе, строении и происхождении углей — петрологию углей. Основная задача петрологии углей — изучение элементарных компонентов органического вещества угольных пластов, то есть остатков растений, которые в процессе биохимического разложения в торфяную стадию углеобразования в той или иной мере сохранили или утратили свою форму и структуру. При этом различают форменные элементы и основную массу, которые совместно называются составными частями, или компонентами, угля. Различают макрокомпоненты (витрен ,
В У. используются оптические методы микроскопических исследований с применением проходящего и отражённого, простого, поляризованного и ультрафиолетового света в воздушной среде и с иммерсией; разделение в тяжёлых жидкостях (смеси C6 H6 , CCl4 , CHBr3 и др.) на группы компонентов, близких по плотности; методы мацерации для выделения и последующего изучения устойчивых компонентов, методы травления сильными окислителями для выявления скрытой структуры угля, а также методы термического и химического анализа вещества компонентов или их групп, выделенных из общей массы угля. Большое значение для решения задач имеют количественные методы: определение отражательной способности, показателя преломления и твёрдости витринита, цвета и яркости люминесценции лейптинита, подсчёт содержания компонентов в средних пластовых пробах и в кусках угля.
Различными исследователями выделяется от 14 до 40 петрографических компонентов углей, объединяемых по исходному материалу и условиям его превращения в торфяной стадии углеобразования в три основные (витринитовые или гелинитовые, фюзинитовые и лейптинитовые) и две промежуточные (слабо гелифицированные и слабо фюзенизированные) группы микрокомпонентов.
Количественное соотношение микрокомпонентов и состав исходных растений определяют генетические типы углей, характеризующиеся определёнными химическими и технологическими свойствами в пределах каждой данной стадии углефикации.
Лит.: Петрографические особенности и свойства углей, М., 1963; Материалы по геологии и петрографии углей СССР, Л., 1968; Угленосные формации и их генезис, М., 1973; Петрология палеозойских углей СССР, М., 1975.
Углеплотность
Углепло'тность, количество запасов угля, отнесённое к единице угленосной площади (месторождения, района, бассейна). У. определяется путём деления запасов угля, подсчитанных до той или иной глубины (перспективной для промышленного освоения), на общую площадь, по которой они оценены в млн. т/км2 . У. используется при подсчёте прогнозных запасов углей с переносом величин указанных выше показателей с хорошо разведанных площадей на слабо изученные, а также для сравнительной характеристики промышленной значимости изученных угленосных площадей.
Углерод
Углеро'д (латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14 C с периодом полураспада (Т = 5,6x103 лет). Небольшие количества 14 C (около 2x10– 10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N. По удельной активности изотопа 14 C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14 C широко используется в качестве изотопного индикатора .
Историческая справка. У. известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле , нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. У. был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum
Распространение в природе. Среднее содержание У. в земной коре 2,3x10– 2 % по массе (1x10– 2 в ультраосновных, 1x10– 2 — в основных, 2x10– 2 — в средних, 3x10– 2 — в кислых горных породах). У. накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% У., древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть У. литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов У. — 112; исключительно велико число органических соединений У. — углеводородов и их производных.
С накоплением У. в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют CO2 и угольная кислота. Огромное количество CO2 выделяется при вулканизме — в истории Земли это был основной источник У. для биосферы.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает У. из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые — основной источник энергии.
Огромное геохимическое значение имеет круговорот У. (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ ).
У. широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физико и химические свойства. Известны четыре кристаллические модификации У.: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а=2,462A, c=6,701A. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2 , или 1 кгс/см2 ) графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку: а = 3,560 A. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 °С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется. Жидкий У. может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м2 (105 кгс/см2 ) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого У. (кокс , сажа , древесный уголь ) характерно также состояние с неупорядоченной структурой — так называемый «аморфный» У., который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» У. выше 1500—1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства «аморфного» У. очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность «аморфного» У. всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см3 ). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома У. 2s2 2p2 . Для У. характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp3 . Поэтому У. способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счёт sp3– , sp2– и sp– гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов У. и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами У.