Природные энергоносители и углеродные материалы

Природные энергоносители

Природные энергоносители могут встречаться в различном агрегатном состоянии: твердом (уголь, сланец), газообразном (природный газ) и жидком (нефть).

Углеродные материалы - это преимущественно твердые вещества. Они могут быть как искусственные, так и природные. Например, к углеродным материалам относятся графит, пеки, коксы и алмаз.

В зависимости от соотношения водорода и углерода в составе природных энергоносителей и углеродных материалов может меняться их агрегатное состояние.

Рисунок 1. Природные энергоносители и углеродные материалы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Например, углеводородные газы могут переходить в твердое состояние с образованием сажи, пироуглерода, алмаза; жидкие нефтепродукты - в газообразные и твердые (кокс, сажа) вещества; уголь - в жидкие нефтеподобные продукты, твердый углеродистый остаток, а также газы.

Углеродные материалы: способы получения

Углеродные материалы могут быть получены различными путями. Их объединяет то, что вещества, содержащие углерод, обрабатываются высокой температурой как в конденсированной, так и в газовой фазах.

Например, образование сажи может протекать как при ограниченном доступе воздуха в пламени горящего сырья, так и при термическом разложении сырья в отсутствие воздуха. В процесс необходимо вносить тепло сжиганием либо части сырья, либо топлива, так как реакция является эндотермической. При этом большее количество углеводородов разлагается с образованием сажи при температуре свыше 1000 °C.

Пиролитический углерод (пироуглерод) образуется путем кристаллизации из газовой фазы на подложке. Простыми словами, это процесс образования пленок углерода на нагретой поверхности в результате термодеструкции углеродсодержащих веществ. То есть атомы углерода из газовой фазы взаимодействуют с углеродом зародышей и образуют плотную массу, которая постепенно расширяется и заполняет всю поверхность подложки.

Рисунок 2. Пиролитический углерод. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим получение алмаза из графита. Этот процесс осуществялется с помощью полиморфного перехода «твердое-твердое», при этом меняется тип связи $\mathrm {sp_2 - sp_3}$. Графит сжимается по оси под действием высокого давления, происходит их сдвижка и уменьшение расстояния между слоями. После этого гофрируются плоские слои атомов углерода и превращаются в структуру алмаза с образованием связей между слоями.

Теперь рассмотрим такие природные энергоносители, как нефть и природный газ.

Нефть является природной дисперсной системой жидких органических соединений, основную часть которых составляют углеводороды различной молекулярной массы. Также в ней обнаружены гетеросоединения, которые содержат серу, кислород и азот.

Природный газ представляет собой смесь газообразных углеводородов $\mathrm {C_1 - C_4}$, где основным компонентом является метан. Также в состав могут входить такие соединения, как $\mathrm {CO_2, N_2, H_2S, H_2, He, H_2O}$.