Вихідний матеріал й умови утворення твердих горючих копалин

Походження твердих горючих копалин

У рослинах відбувається утворення багатьох природних вищих молекулярних сполук. У них здійснюється безперервний біохімічний синтез вищих полісахаридів (це­люлози) і лігніну. Каталізаторами, які збільшують у сотні тисяч і мільйони разів швид­кість реакцій синтезу вищих молекулярних сполук у рослинах, служать ферменти (або ензими) - речовини білкової природи. Якщо рослини являють собою складний ком­плекс органічних сполук, основою якого є високомолекулярні вуглеводи, то в основі тваринного світу також лежать вищі молекулярні сполуки - білки.

Ліпіди (бітумоутворювачі). До ліпідів відносять жири, воски, смоли й бальзами, а також (до деякої міри умовно) - спорополеніни, кутин, суберин і фосфатиди. Більша частина ліпідів перебуває переважно усередині клітин організму.

Жири й жирні мастила - це естери триатомного спирту гліцерину СН₂ОН-СНОН - СН₂ОН і різноманітні жирні кислоти. Серед них можуть бути як граничні ки­слоти, наприклад пальмітинова С₁₅Н₃₁СООН і стеаринова С₁₇Н₃₅СООН, так і негранич-ні кислоти з одним подвійним зв'язком, наприклад олеїнова, а також з по­трійним зв'язком, наприклад тариринова кислота.

У рослинному й тваринному світі налічується близько 1300 видів жирів, але елементний склад їх відносно мало коливається й дорівнює в середньому, %:

С - 76-79, Н-11-13, О-10-12.

Шляхом гідролізу (омилення) жири легко розщеплюються на гліцерин і жирні кислоти, причому різні кислоти виявляють неоднакову стійкість до дії високих темпе­ратур і мікроорганізмів. Так, граничні жирні кислоти досить стійкі не тільки при зви­чайних температурах, але й при нагріванні навіть до 400°С вони важко втрачають свою карбоксильну групу й не розкладаються. Досить стійкими є й неграничні жирні кис­лоти з одним подвійним зв'язком (типу олеїнової). Неграничні кислоти із двома й бі­льшим числом подвійних зв'язків менш стійкі. Вони легко окиснюються й полімери­зуються, а при нагріванні до 300 °С розпадаються з розривом вуглецевого ланцюга й утворенням суміші насичених і ненасичених вуглеводнів жирного ряду.

Для хімічної характеристики жирів й інших ліпідів визначаються температура плавлення й числа - йодне, омилення й кислотності.

Віск, кутин, суберин. Воски - складні ефіри (естери) одноосновних жирних ки­слот і вищих одноатомних спиртів, наприклад, монтановий віск - це ефір монтанової кислоти С₂₇Н₅₅СООН і церилового спирту С₂₆Н₅₃СООН. Сьогодні відомо близько 300 видів твердих і рідких восків. Вони належать до дуже стійких складових частин рослин, хоча, як і жири, здатні піддаватися гідролізу. Біологічне призначення восків -вкривати найтоншим шаром стебла, листя, оболонки плодів наземних рослин, захи­щаючи їх від зовнішніх впливів. У нижчих рослин воски зосереджені в оболонках клі­тин. У порівнянні з жирами воски більш багаті вуглецем (80-82%) і воднем (13-14%) і, отже, містять менше кисню (4-7%). Дуже близько до восків стоїть кутин, який просо­чує зовнішній шар епідермісу листя і молодих бруньок, утворюючи кутикули, а також суберин - речовина коркової тканини в корі деяких рослин. З хімічної точки зору ку­тин є різновидом восків, але утворений жирними кислотами з більш низькою молеку­лярною масою. Міститься він у рослинах у невеликій кількості (до 3,5%), головним чином у листі, шкірочці плодів і корових частин. Кутин і суберин дуже стійкі до дії гідролізуючих агентів і мікроорганізмів. Ще більшою стійкістю щодо дії кисню, бакте­рій, мінеральних кислот, розчинів лугів і нагрівання (до температури близько 200 °С) наділені близькі до восків, кутину й суберину високомолекулярні речовини - споро­нін і поленін, які утворюють оболонки спор та пилку.

До групи ліпідів входять також жироподібні розчинні в спирті речовини - фо­сфатиди. Вони, крім вуглецю, водню, кисню, містять також фосфор, азот, іноді сірку. Розглядаються як похідні фосфорної кислоти, пов'язаної з гідроксильними групами багатоатомних спиртів. Зосереджуються фосфатиди переважно в насінні і пилку.

Смоли й бальзами. Смоли мають подібність із восками, оскільки до їх складу входять естери. Але воски належать до числа аліфатичних сполук, а смоли в основному складаються зі сполук циклічних, частина яких має ароматичний характер.

У складі смол розрізняють наступні групи сполук: смоляні кислоти, одно- або бага­тоатомні спирти (резиноли), ефіри смоляних кислот і резинолів або одноатомних фенолів (таннолів), інертні вуглеводні (резени). Нерідко в рослинних смолах присутні також речо­вини вуглеводного характеру - камеді. Подібні смоли називаються смолокамедями.

Елементний склад смол (%): С - 79, Н - 10, О - 11.

Рослинні смоли хімічно більш стійкі, ніж жири і воски, але деякі з них здатні гідролізуватися, утворюючи ароматичні кислоти (бензойну, коричну) і спирти, напри­клад, бензиловий. Частина смол може окиснюватися, полімеризуватися й здобувати при цьому ще більшу стійкість.

Смоли - це секреторні виділення вищих (головним чином хвойних) рослин. їх при­значення полягає в тому, щоб служити пластиром у випадку поранення рослин, причому смоли виділяються у вигляді бальзамів, тобто в суміші з ефірними маслами. При витіканні бальзаму з пораненого дерева легколеткі ефірні масла випаровуються, а на рослинах нако­пичуються напливи смол - майбутні конкреції смол у викопному вугіллі.

Вуглеводи. Поширена в природі група багатоатомних спиртів (цукрів, целюлози, крохмалю тощо). У вищих рослинах вуглеводів міститься більше, ніж інших речо­вин. Деревина, наприклад, містить понад 50% найбільш складних вуглеводів, до яких належить целюлоза. Водночас у деревині містяться прості вуглеводи, пектинові речо­вини й геміцелюлози.

Прості вуглеводи. До цієї групи вуглеводів належать розчинні в холодній воді найпростіші моносахариди - гексози і пентози С₅Н₁₀О₆. Пентози поширені в рослинах, входять до складу речовини клітин.

Пектинові речовини здатні розчинятися в гарячій воді до 100°С. Вони містяться як у багатоклітинних, так і в нижчих рослинах, а також в альгах (водоростях). У хімічному відношенні пектинові речовини - високомолекулярні ангід­риди пентоз і гексоз. Вони досить стійкі до дії бактерій, але піддаються гідролітично­му розщепленню в природних умовах під впливом ферментів, у результаті чого утво­рюються пентозани і гексозани.

Геміцелюлози є супутниками целюлози в стінках рослинних клітин, в деяких рослинах складають переважну частину вуглеводів. Геміцелюлози зараховують до ви­щих молекулярних сполук, вони займають проміжне місце між целюлозою й крохма­лем. Геміцелюлози здатні гідролізуватися 2-4%-м розчином НС1 з утворенням пентоза­нів, гексозанів і поліуронідів, причому, у свою чергу, пентозани й гексозани при пода­льшому гідролізі утворюють відповідно пентози й гексози.

Целюлоза, або клітковина належить до полісахаридів, гетерола-нцюгових вищих молекулярних сполук з макромолекулярною будовою. Вона - голо­вна складова частина деревини. Целюлоза являє собою лінійний стереорегулярний (синдіотактичний) природний полісахарид, побудований з ангідридів Б-глюкопіранози. Стереорегулярна будова макромолекули й стійкість конфірмаційної форми її елементарної ланки виділяє целюлозу із усього ряду полісахаридів, у тому числі й найбільшою стійкістю до хімічних впливів.

Лігнін. Поряд із целюлозою в стінках клітин більшості вищих рослин перебуває лігнін, будова якого ще не повністю з'ясована. Вважають, що лігнін - нерегулярно по­будована вища молекулярна сполука із тривимірною структурою розгалужених мак­ромолекул. Початі спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул від­бивають лише загальні принципи його будови. Не з'ясовано ще, чи складається лігнін із цілком ідентичних макромолекул, а також не встановлена його молекулярна маса; приймають від 682 до 1 000 000.

Тема 1.2.2 Процеси утворення твердих горючих копалин

Для перетворень відмерлих рослинних матеріалів, занурених у воду, певне зна­чення мало хімічне середовище, у якому вони перебували; важливу роль відіграли, можливо, і фізико-хімічні фактори. Однак найважливішими є фактори, пов'язані з бак­теріальними процесами - з діяльністю ферментів мікроорганізмів, що викликають і спрямовують хід хімічних перетворень і реакцій (гідроліз, окиснювання, відновлення, полімеризація, поліконденсація й ін.).

Існують також аеробні й анаеробні мікроор­ганізми. Через порівняно малу вивченість впливу аеробних і анаеробних мікроорганіз­мів на процеси перетворень рослинних залишків, Г. Потоньє розглядав ці перетворен­ня тільки залежно від більшої або меншої участі в них кисню повітря, а також від воло­гості середовища, де протікали розглянуті процеси. З урахуванням цих факторів, Г. Потоньє розрізняв наступні основні види первинних перетворень рослинних залиш­ків:

1. Тління - перетворення залишків вищих рослин при достатньому доступі по­вітря в присутності води; при цьому всі органічні речовини переходять у кінцеві про­дукти окиснювання - вуглекислий газ і воду. Цей процес аналогічний повільному го­рінню, і тверді органічні залишки в результаті його протікання, як правило, не утво­рюються; тверді залишки можуть давати в цих умовах лише найбільш стійкі хімічні складові частини рослин. Отже, у результаті тління або зовсім не утворюється вугілля, або ж виходять первинні продукти, з яких утворюються ліптобіолити.

2. Гниття (гуміфікація) - цей процес відрізняється від тління недостатнім до­ступом повітря й малою вологістю: його уподібнюють неповному згорянню. У резуль­таті перетворень у таких умовах органічні речовини рослинних залишків лише частко­во перетворюються в СО і Н₂О, причому одночасно утворюється також невеликий тве­рдий залишок, що містить більше вуглецю, ніж вихідний матеріал. Його називають звичайно перегноєм або гумусом.

3.Оторфеніння (торфоутворення) - досить розповсюджений у природі процес.
Протікає при великий вологості, спочатку при недостатньому доступі кисню повітря, а потім - при майже повній ізоляції від нього. Отже, лише в початковій стадії процес оторфеніння подібний до гниття, а надалі він має специфічні особливості: внаслідок перекриття рослинних залишків, що нагромадилися, більш-менш товстим шаром води припиняється доступ повітря до них, а на їхній поверхні знову розвивається багата рослинність, яка утворює, у свою чергу шар, що ізолює від повітря. Окисні процеси під цим шаром тривають як з виділенням Н₂О і СО, так і з утворенням твердого залишку (болотного торфу), але вони дуже уповільнені, і джерелом необхідного для цього кисню є, очевидно, сам перетворюваний рослинний матеріал.

Процес оторфеніння, як і гниття, зводиться в основному до підвищення віднос­ного вмісту вуглецю в гумусових твердих продуктах, які можуть накопичуватися у ве­ликих кількостях.

4. Гнильне шумування, або бродіння - це своєрідний вид перетворень рослин-
них залишків, при якому процес здійснюється в спокійній воді при повній ізоляції від
кисню повітря. Для цього процесу характерна перевага відновних реакцій, причому
тверді продукти, що утворюються (гнильний мул, або сапропель) збагачуються не стільки вуглецем, як у раніше описаних процесах, скільки воднем. Гниттю піддаються в основному нижчі рослини - (водорості) і тваринні рештки.

Розглянуті види процесів зміни рослинних матеріалів, що накопичуються в природі, являють собою лише перші стадії вуглеутворення. У природних умовах вони тільки в рідкісних випадках протікають окремо: одні з цих процесів обов'язково супро­воджують інші, завдяки чому вони переплітаються й накладаються.

Характер основних змін окремих хімічних складових частин рослини на різних стадіях первинних перетворень.

Білки в аеробних умовах швидко піддаються повному розкладу з утворенням газоподібних продуктів (аміаку), а також, можливо, амінокислот. В анаеробних умовах відбувається гідролітичне розщеплення білків, у результаті чого виходять в основному також амінокислоти, подальше перетворення яких може йти різними шляхами залежно від характеру навколишнього середовища. Частина амінокислот розчинна у воді й, от­же, може легко видалятися з перетворених залишків рослин. Завдяки властивій аміно­кислотам високій реакційній здатності вони через аміногрупу або оксигрупу можуть легко вступати також у реакції конденсації, наприклад, із продуктами гідролізу деяких вуглеводів, утворюючи при цьому стійкі азотисті й сірчисті сполуки. Таким чином, не виключена можливість протікання реакцій синтезу між продуктами змін білків й ін­ших складових частин рослинних залишків.

Що стосується жирів, то в умовах природного нагромадження відмерлих рос­лин вони здатні швидко піддаватися омиленню й перетворюватися на суміші жирних кислот і гліцерину. В аеробних умовах жирні кислоти, як і жири, розкладаються порі­вняно легко. В анаеробних же умовах жирні кислоти змінюються в значно меншій мірі: винятково стійкими є насичені жирні кислоти й ті з ненасичених, які містять один по­двійний зв'язок.

У порівнянні з жирами воски значно більш стійкі як в аеробних, так і в анаеро­бних умовах, чим пояснюється те, що вони виявляються в торф'яних покладах і навіть у бурому вугіллі.

Спорополенін, кутин і суберин у природних умовах є також досить стійкими до дії біохімічних агентів. Дуже стійкими щодо дії мікроорганізмів в аеробних й анае­робних умовах є смоли й продукти їх перетворень. Після втрати ефірних масел, у яких звичайно розчинені смоли, в останніх протікали процеси полімеризації, при яких ускладнювалися молекули, смоли перетворювалися на тверді, ще більш стійкі, нероз­чинні й тугоплавкі речовини.

Усі менш складні вуглеводи в аеробних умовах легко розкладаються; у першу чергу це стосується найпростіших вуглеводів, причому вони малостійкі й в анаеробних умовах. Відносно більш стійкими в цих умовах виявляються геміцелюлози й пектинові речовини. Ще частіше в скупченнях перетворених рослинних залишків виявляють продукти гідролі­тичного розщеплення геміцелюлоз і пектинових речовин - пентозани й ексозани.

Трохи відрізняється від розглянутої теорії Потоньє генетична класифікація ви­копних палив Ю.А. Жемчужникова, базована на їх природі й походженні.

За Жемчужниковим, нагромадження вищих рослин складаються головним чином із двох типів речовин: 1) лігніноцелюлозних тканин; 2) кутинізованих елементів (кутику­ла, оболонки спор, пилок, коркова тканина). Ці два типи речовин можуть переважати або мати підлегле значення як матеріал, з якого утворилися ті або інші викопні палива, але у всіх випадках таким матеріалом будуть речовини вищих рослин, що дають на певній стадії розкладання гумус.

Дата добавления: 2014-10-23