生铁的化学式(生铁的化学式是什么)

你觉得这个问题很可笑吗?是的,虽然基本都是碳,但是因为产地不同,如果和价格比,恐怕任何一颗钻石都比煤贵上千倍。但是说到价值,有两点要说。

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从非洲开采的巨大钻石

煤产生的煤不是碳,主要是碳。

从元素上看,煤和金刚石是同源的。钻石是碳的同素异形体之一,其主要组成元素是碳原子。煤不是碳,煤是混合物,碳是煤最重要的成分,也是最有价值的部分。

就成分而言,煤根据其含碳量大致可分为褐煤、烟煤和无烟煤。

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一块无烟煤,含碳量超过90%

地球形成之初,地球大气中没有氧气,没有氮气,也没有二氧化碳。当时,地球表面被氢气、甲烷、氨气和水蒸气包围着。之后巨型小行星的撞击、剧烈的地质活动和火山爆发释放出地下的氮气、一氧化碳和二氧化碳,大量的碳开始在大气中积累。这些碳中的大部分溶解在水中形成碳酸盐,其余的成为地球大气的一部分。同时,二氧化碳作为一种优秀的温室气体,使地球保持适合生命形成的温度。随着地球上第一批厌氧菌和藻类的形成,它们吸收空 gas中的大量二氧化碳,将碳固定在地球表面,同时向大气中释放氧气。随着大气中二氧化碳的逐渐减少和氧气的增加,地球变得越来越适合动植物的生长。

从6.5亿年前开始,海洋中大量的藻类和细菌死亡后逐渐沉积,随着地质年代的变化形成了今天的石油。陆地上茂盛的植物死后也会慢慢积累,将它们从空 gas中吸收的碳固定在地面上。

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石炭纪茂盛的森林。

地球上植物最繁盛的时期始于3.6亿年前的石炭纪,大量的植物残骸堆积形成了今天丰富的煤炭储量。这一时期煤层丰富的一个主要原因是分解植物的细菌尚未进化,它们尚未进化出能够有效消化抗性酚木质素聚合物和蜡质软木聚合物的酶。煤层形成的另一个因素是,这一时期地壳非常活跃,大量的动植物遗骸很快被深埋在地下,它们受到挤压。在地下的高温高压下,死去的植物慢慢转化为煤,植物中的碳保存在煤中。

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综采设备在挖煤。

烟煤的含碳量约为60% ~ 80%;无烟煤含碳量高达92%~98%,是一种煤化程度较高的燃料。石墨是碳的同素异形体之一,它只含有少量的水、气体和其他杂质。

烟煤容易点燃,无烟煤很难点燃,石墨很难点燃,这就决定了它们的不同用途。

钻石为什么贵?石墨在极高的温度和压力下会变成金刚石。研究表明,大多数天然钻石的年龄在10亿至35亿年之间。它们形成于地球地幔150至250公里深处,少数甚至来自800公里深处。在高压高温下,碳质化合物中的大部分矿物杂质被一点一点挤出形成石墨,石墨的原子排列发生变化,变成金刚石,最后被火山喷发带到地面。

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碳键变化的过程

从形成年代可以看出,天然钻石并非由煤转化而来,因为煤是经过亿万年漫长的煤化作用,由地球表面的枯树转化为烟煤或无烟煤,而无烟煤在地壳深处的高温高压下可以进一步转化为石墨。石墨转化成金刚石的地方是在比煤层更深的地幔中,需要10亿年以上。所以钻石来自地幔深处的含碳化合物,而不是煤。

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这是一种罕见的石墨水晶片,没有变成钻石。

钻石极其罕见。一方面,它们是在很深的地方形成的,温度和压力的条件极其恶劣。同时,由火山运动带出地表的钻石更为罕见,它们沉积在被称为金伯利岩和灯盏岩的火成岩中。

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嵌在火成岩中的八面体金刚石

钻石之所以昂贵,不仅在于其稀有性,还在于其优良的物理特性。钻石是碳的钻石立方体晶体。我们知道碳的原子序数是6,它的外层有6个电子。这六个电子的轨道分布是1s 2s 2p,它的第二层有四个电子。这四个电子可以与相邻的原子结合形成四面体,使轨道SP成为更稳定的SP。四面体刚性大,附着力强,在所有已知的物质中,金刚石的单位体积原子数最多。

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金刚石结构与石墨结构的比较

钻石独特的结构使其具有优异的光学性能。具有5.5 eV的宽带隙,相当于225 nm的深紫外波长。因此,钻石是透明的,具有非常高的折射率。我们了解钻石,因为它们是珠宝行业的宠儿。珠宝商将钻石打磨成各种不同的表面,使它们闪闪发光。同时,由于其稀有性和极好的稳定性,钻石经常被宣传为“永恒不变”。

虽然钻石是世界上最坚硬的晶体之一,但是从它的碳键结构中我们可以看出,钻石内部有空个空间可以容纳各种杂质。事实上,任何元素都可以通过离子注入引入到钻石中。氮是目前宝石中最常见的杂质,是造成钻石呈黄色和棕色的原因。

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含氮棕色钻石

碳原子之间掺杂硼能使其呈现蓝色,因含有微量硼杂质而著名。

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“希望的钻石”

也有一些钻石在形成的过程中不均匀的掺杂了各种其他物质,产生了不同的花纹。大部分都失去了宝石的价值,少数还升值了一倍。比如“锦鲤鱼钻石”:

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“锦鲤鱼钻石”

与珠宝钻石相比,开采出来的钻石因为杂质多,大多用于工业用途。世界上每年有27吨以上的钻石用于工业,占世界钻石总产量的80%以上。同时,人们还利用给石墨加压的方法生产大量人造金刚石用于生产加工,每年有100多吨人造金刚石。

金刚石具有极高的硬度和导热性,是工业上理想的切割和磨削材料。例如,它可以制成金刚石钻头和金刚石锯。可以用来磨砂轮,也可以磨成砂纸磨其他东西。与昂贵的宝石相比,这些钻石真的一文不值。

煤炭和碳一样是重要的战略资源。与昂贵的钻石相比,煤很便宜。它们看起来又脏又不值钱,只配被烧掉。但煤炭是一种极其重要的战略资源。

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一名煤矿工人检查了地下的支撑系统。

煤是世界上开采量最大的矿产之一。2017年,全球煤炭开采量达到75.5亿吨,全球已探明煤炭可采储量超过1万亿吨。这些都是极其惊人的数字,足以证明煤炭在全球经济和人类发展中的重要地位。

煤是一种重要的化石燃料,大部分用作发电、取暖、做饭等能源消耗的燃料。2017年,煤炭占全球一次能源消费的28%。

早在新石器时代,我们的祖先就学会了烧煤;公元前1000年,中国东北抚顺煤矿的煤被用来炼铜。公元13世纪,凯尔·波罗在游记中说,因为人们烧煤,“他们可以一周洗三次热水澡”;《天工开物》还介绍了人们是如何采煤和从地下排出气体的。

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《天工开物》采煤地图

煤的能量密度(热值)约为24 MJ/kg,相当于每千克约6.7 kWh。大部分的煤都是作为燃煤电厂通过烧煤加热水来发电,然后用蒸汽推动汽轮机发电。电厂燃煤发电效率约为40%,而泰州最先进的超超临界二次再热燃煤发电机组热效率最高,设计煤耗为256.2g ∕千瓦时。

低硫煤炼制成焦炭后是重要的冶炼原料。煤在炼焦炉的炉内被隔绝的氧气加热到1000℃以上,其中硫、磷、煤焦油等大部分有机挥发物被除去,剩下多孔的海绵状碳和灰分,这就是焦炭。

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焦炭是炼铁的重要原料。

焦炭主要用于炼铁,其中的碳被用来还原铁矿石中的氧,这样铁元素就被还原成生铁:

2 Fe₂O₃ + 3碳→ 4铁+ 3 CO₂

其实这个反应过程只是一个简单的化学式。实际上,一氧化碳主要参与炼铁过程。当预热的空煤气被鼓风机吹入高炉时,其中的氧气会与焦炭形成一氧化碳,然后铁矿石被一氧化碳还原:

2 C + O₂ → 2 CO

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ +一氧化碳→ 3 FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

由于炉内高温焦炭,炼铁过程中产生的大量二氧化碳也能被碳还原成一氧化碳,再次参与与铁矿石的还原反应。这一循环大大减少了高炉的二氧化碳排放总量:

C + CO₂ → 2 CO

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高炉出铁

生铁含碳量高达4~5%,而且很脆,需要用其他方法去除多余的碳。但在炼钢过程中,人们往往需要加入石墨来调节碳含量,以获得不同的碳钢。碳钢是一种铁碳合金,含碳量为0.0218%~2.11%。在这个范围内,碳含量越高,钢的硬度越高。

煤不仅可以用作燃料,发电和金属冶炼,随着科学技术的发展,煤还可以液化和气化,生产更多的化工产品,这些产品可以用于国民经济的各个方面,加强我们的经济,丰富人民的生活。

煤和金刚石的主要成分是碳。由于条件不同,它们在地球上的储量差别很大。

煤广泛存在于地壳浅层,有些巨型煤矿甚至是露天的,开采起来非常方便。而钻石产于数百公里深处的地幔,由于火山活动,只有少量被带到地表,所以开采的钻石数量很少。

优质钻石是珠宝商的宠儿。它们被加工后以高价出售。与钻石相比,煤便宜。

煤在我们的生产和生活中被广泛使用。人类文明的发展和进步离不开煤炭的开发和利用。从社会发展的角度来看,煤炭比钻石有更大的价值。

同时也要看到,煤炭的使用使得大量的碳回到大气中,二氧化碳的急剧增加不仅改变了地球的环境,也对万物的生存构成了威胁。这是我们需要面对和解决的问题。

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地球的碳循环

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