Fosilna goriva

Ugljen, naftu i zemni plin nazivamo i fosilnim gorivima jer su nastajali milijunima godina od ostataka uginulih biljaka i životinja. Fosilna goriva spadaju u skupinu neobnovljivih izvora energije čija je količina ograničena, a glavni sastavni element im je ugljik. Spaljivanjem fosilnih goriva dobiva se oko 95 % svjetske energije koja se koristi u industriji, za pokretanje motornih vozila, grijanje, dobivanje električne energije itd.

Ugljen je kruto fosilno gorivo koje izgledom podsjeća na crno obojani kamen. Nastao je procesom karbonizacije ili pougljenjavanja u geološkom periodu koje se naziva karbon. Kako je divovsko bilje i drveće umiralo u to doba, padalo je na dno močvara i oceana, stvarajući spužvaste slojeve zvane treset. Treset su prekrivali slojevi pijeska i gline od kojih su nastale sedimentne stijene. Kako su se stijene gomilale jedna na drugu, težile su sve više i više i pritiskale treset. Pri velikom tlaku i povišenoj temperaturi, bez prisustva kisika, iz treseta su izašli plinovi ugljikov dioksid, metan i voda. Zaostali sadržaj postao je bogat ugljikom i pretvorio se u ugljen. Uz ugljik, prirodni ugljen sadrži i spojeve sumpora, dušika, itd.

Postoji više vrsta prirodnog ugljena koji se razlikuju po starosti, količini prisutnog ugljika i primjesa. Što je ugljen stariji, to je bogatiji ugljikom i kvalitetniji je. Poznate vrste ugljena su: antracit, smeđi ugljen, kameni ugljen, lignit i drugi. Najveći postotak ugljika sadrži antracit, pa je on najkvalitetniji ugljen koji izgaranjem daje najviše energije. Lignit je najmlađi i najlošiji ugljen, jer sadrži najmanje ugljika i puno vode. Ugljen je loše gorivo jer daje mnogo pepela, a njegovim gorenjem nastaju različiti spojevi koji onečišćuje okoliš. Umjetni ugljen (koks i drveni) dobivaju se suhom destilacijom drveta, tj. zagrijavanjem na povišenoj temperaturi bez pristupa zraka.

Pogledajmo što sve nastaje suhom destilacijom drveta. Napravit ćemo jednostavan pokus s drvenim čačkalicama. U aluminijsku foliju čvrsto zamotamo desetak drvenih čačkalica sa staklenim štapićem koji nam služi zato da dobijemo cijev za odvod plinova. Nakon što smo smotali čačkalice, izvučemo stakleni štapić i foliju uhvatimo drvenom hvataljkom, i počnemo zagrijavati. Po bijelom dimu koji izlazi iz cijevi u tikvicu, vidimo da je započela suha destilacija drvenih čačkalica. Nastaje i tekući produkt koji se slijeva u tikvicu. Kada bijeli dim prinesemo plamenu, on se zapali. Prekinimo zagrijavanje i pričekajmo da se sadržaj u aluminijskoj foliji ohladi. Provjerimo izgled čačkalica nakon suhe destilacije. Primjećujemo da su pocrnile i da ostavljaju trag na papiru. Dobili smo drveni ugljen. Suhom destilacijom na povišenoj temperaturi drvo pocrni, a nastaju još i tekući i plinoviti produkti. U nastalom plinu ima vodika, metana, ugljikovog monoksida i drugih plinova koji zapaljeni gore. Nastalu tekućinu nazivamo katran. To je smjesa preko 300 različitih korisnih organskih spojeva među kojima su octena kiselina i aceton. Drveni ugljen kvalitetno je gorivo koje ne sadrži sumpor i smolaste tvari, pa zapaljen gori bez svjetlećeg plamena. Koristi se za pripremu jela sa žara, izradu crnog baruta, u metalurgiji itd.

Nafta je gusta uljasta tekućina, zelene do crne boje, koja se nalazi duboko u tlu. Nastala je prije 500 milijuna godina od ostataka različitih morskih organizama. Zato su u ležištima nafte uvijek prisutni pijesak, slana voda i zemni plin. Nafta je po kemijskom sastavu smjesa različitih spojeva od kojih su najbrojniji ugljikovodici. Nafta se ne koristi u sirovom stanju već se prerađuje frakcijskom destilacijom u rafinerijama, kako bi se dobila goriva i različiti kemijski spojevi. Frakcijska destilacija je metoda odjeljivanja sastojaka iz smjese na temelju njihovih različitih temperatura vrelišta. Dakle, prerada nafte započinje frakcijskom destilacijom u postrojenjima s kolonama. Zagrijavanjem nafte pod atmosferskim tlakom, prvo izlaze plinovite frakcije, zatim benzin, petrolej i lako plinsko ulje, dok se ostatak smjese destilira pod sniženim tlakom pri čemu se dobivaju ulja za podmazivanje, parafini za svijeće i asfalt.

Ispitajmo svojstva dviju frakcija nafte, benzina i petroleja. Kapaljkom uzmimo malo benzina iz bočice i polijmo po papiru. Nastala je mrlja koja stajanjem brzo ishlapi. Ako isti postupak ponovimo s petrolejem vidimo da mrlja od petroleja ostaje na papiru. Zaključujemo da frakcije nafte nižeg vrelišta, poput benzina, lakše hlape za razliku od težih frakcija kao što je petrolej. Upravo na tom svojstvu temelji se odvajanje spojeva iz nafte frakcijskom destilacijom. Ispitajmo zapaljivost para benzina i petroleja. Na satno staklo kapnimo nekoliko kapi benzina. Upalimo treščicu u plamenu plamenika i prinesimo stakalcu. Što opažamo? Pare benzina su se upalile i gore. Ponovimo isti postupak s petrolejem. Upaljenom treščicom ne možemo zapaliti petrolej. Vrelište petroleja je oko 200°C dok je benzinu vrelište na oko 80°C a to znači da benzin pri sobnoj temperaturi puno više isparava. Sve frakcije nafte niskog vrelišta upravo su zbog svoje hlapljivosti vrlo zapaljive pa s njima treba biti oprezan.

Najvažnija frakcija nafte je benzin koji se koristi za pokretanje motora s unutrašnjim izgaranjem. Ostale frakcije koriste se kao sirovine za dobivanje različitih spojeva u petrokemijskoj industriji, za proizvodnju plastike, boja, umjetnih gnojiva, lijekova itd.

Zemni ili prirodni plin fosilno je gorivo koje u prirodi dolazi uz naftu. To je smjesa više različitih plinova, lakših od zraka, a najzastupljeniji je metan. Metan je jednostavan spoj ugljika i vodika, kemijske formule CH₄. Zemni plin je bezbojan, bez mirisa i lako zapaljiv. Koristimo ga u kućanstvu za grijanje i kuhanje. U smjesi sa zrakom eksplozivan je pa je njegovo nekontrolirano istjecanje u okoliš jako opasno. Zbog toga se prije dostave potrošačima, iz sigurnosnih razloga miješa s kemikalijama koje mu daju neugodan miris kako bi nam ukazao na istjecanje plina. Ako u prostoriji osjetimo miris plina trebamo upozoriti ljude da izađu, otvoriti prozore i nipošto ne paliti svjetla, telefone, mobitele i druge el. uređaje jer je dovoljna iskra iz sklopke da se plin zapali. U takvoj situaciji trebamo zatvoriti plinsku bocu ili glavni ventil za plin, izaći iz prostorije i tek onda nazvati mjerodavne službe.