Múzsák - Múzeumi Magazin 1982 (Budapest, 1982)
1982 / 1. szám
A szamlólhatatlan vegyületté kapcsolódó és a világ végtelen változatosságát adó alig száz elem szinte mindegyike szerepet játszik az ember életében. Az aranyat a szépérzék és a gazdagság vágya tette fontossá, oxigén nélkül pedig nyomban megszűnne az élet. De nincs még egy elem, amely oly sokszor és sokféle módon van jelen életünkben, mint a szén. Testünk anyaga, az élővilág első számú eleme, fűtőanyag, nyakék és Íróeszköz ... a felsorolás lezárhatatlan. Kémiai tulajdonságai és atomszerkezete következtében az élettelen világban játszott szerepe is kiemelkedő. A kémiának a szén vegyületeivel foglalkozó ága a tudomány egészének önálló része. Az elemek világának e különös tagja a természetben két, egymástól elütő módosulatban fordul elő tisztán: ez a grafit és a gyémánt. A régebben harmadik módosulatként számon tartott amorf szénről a vizsgálatok kiderítették, hogy valójában mikrokristályos grafit. A köztudatban élő barna és fekete szén, az antracit és a tőzeg nem tiszta szén: a szén mellett annak számos vegyületét is tartalmazza. A Föld hatalmas széntelepei rendkívül hosszú fizikai, kémiai, biológiai és geológiai folyamatok eredményeképpen jöttek létre. A Föld őskorában élt mocsári, lápi növényzet a geológiai mozgások következtében a föld alá került, s ennek anyaga képezte alapját mai széntelepeinknek. A levegőtől elzáródó növényi anyagok bomlásával indul az a földtörténeti korokon át húzódó rendkívül ösz- szetett folyamat, amelyet szénülésnek nevezünk, s amelynek végterméke ma is egyik legfontosabb energiahordozónk. Nagy nyomás és magas hőmérséklet kellett azokhoz a bomlási, tömörödési és széndúsulási folyamatokhoz, amelyek a mai szeneket eredményezték. A szénülés folyamatának első állomása a tőzeg. A ma is sokhelyütt található tőzeg arra enged következtetni, hogy szénképződés nemcsak a földtörténeti őskorban, hanem később is kezdődött. A tőzeg után a földes barnaszén, a fénytelen barnaszén, a kemény és fényes barnakőszén, majd a lángkőszén, gáz, zsír, kövér, sovány fekete kőszenek következnek; majd a kemiantracit, antracit és végül a tiszta elemi szén, a grafit zárja a szénülési folyamat állomásainak sorát. A felsorolt anyagokban a széntartalom durván ötven és száz százalék között változik. A szerves anyagok felépítésében részt vevő más elemek, (igy az oxigén és a hidrogén) kivonódása mellett a bomló anyagok tömörödése is jellemzi a szénképződés folyamatát. Egy méter vastag zsirkőszén réteg hozzávetőlegesen 16 méternyi növényi anyag felhalmozódásából keletkezik. A szénben dúsulás és a tö- mörödés eredménye talán legkifejezőbben az égéshőben (az egy kg anyag elégetésekor felszabaduló hasznos energiában) mutatkozik meg. Ez a tőzegtől az antracitig közel a duplájára emelkedik. A szenet régóta ismeri az emberiség, felhasználása mégis újkeletű. Elsősorban fűtőanyagként, illetve közvetett úton, energiatermelő anyagként alig több mint kétszáz éve használatos. Még fiatalabb az a felismerés, hogy az ásványi szenek közvetlen elégetése pazarlás, hasznosításuk más módon gazdaságosabb. Már a XIX. század elején ismeretes volt a szén száraz desztilláció útján történő hasznosítása. A kőszenet levegőtől elzárt vaskamrákban 5-800 °C- os hőmérsékletre hevítették. Az ásványi szenekben található vegyületek ezen a hőmérsékleten bonyolult és még ma sem teljesen tisztázott bomlási folyamatokon esnek át. Ez a pirolitikus bomlás. E kémiai folyamatok végeredménye a bomlástermékek gáznemű és folyékony halmazállapotú elegye. A bontókamrában pedig az eredeti ásványi szénnél jóval magasabb széntartalmú koksz marad, melyet a vaskohászat hasznosít. A száraz lepárlás hőskorában a keletkezett gázt tisztítás után világitógázként használták fel. A XIX. század elején a szén lepárlása szinte kizárólag a világítógáz előállításáért történt. A többi termék (koksz, kátrány, gázvíz) mellékterméknek számított. Ma már a világitógáz a melléktermék, amelynek jelentősége a földgáz mellett eltörpül. A koksz és a kőszén-kátrány lett a főszereplő. A kátrány a szerveskémiai nagyipar fontos alapanyaga. A belőle nyerhető vegyületeket a modern vegyipar festék, gyógyszer, gumi és robbanóanyag előállítására használja. A kőszénhez hasonlóan a fát is gyakran vetik alá száraz lepárlásnak. Ennek szilárd végterméke a faszén. A cseppfolyós termékek közül szerephez jut a faecet és a metilalkohol. A száraz lepárlás mellett jelentős feldolgozási mód a széncsepp- folyósitás. Ennek során az ásványi szenet igen nagy (kb. 200 atm) nyomáson és 400 °C körüli hőmérsékleten hidrogén atmoszférában hevítik. A folyamatban a szén nagy mennyiségű hidrogént vesz fel, miközben a szénhidrogénekkel olyan elegye keletkezik, amely robbanómotorok üzemeltetésére kiválóan alkalmas. Igy tehát mesterséges úton juthatunk benzinhez, Diesel-olajokhoz, petróleumhoz, kenőolajokhoz. Mengyelejev ötlete volt a múlt század végén a széntelepek föld alatti elgázosítása. A megvalósításra csak 1933-ban került sor. Főleg a nehezen megközelíthető, rossz fekvésű széntelepek hasznosítására használják. Függőleges aknákat fúrnak a telephez és a széntelepet meggyújtják. Az aknaiv egy részén át levegőt vezetnek be az égő széntelephez. Más aknák a felszabaduló éghető gázok felszínre hozását szolgálják. Az ásványolaj és kísérője, a földgáz egyaránt alapvető fontosságú energiahordozó, és mindkettő szénvegyületek változó összetételű elegye. A feltevések szerint parányi (főleg tengeri) élőlények 1 tömeges pusztulásával és levegőtől elzáródásával veszi kezdetét az olaj képződése, amelyhez ugyancsak nagy nyomás, de alacsonyabb hőmérséklet szükséges, mint a szénülés folyamatához. A szén vegyületeinek elenyésző hányada alkotja a szervetlen szénvegyületek csoportját. Ezek közül a szénsav sói, a karbonátok a földkéreg felépítésében játszanak jelentős szerepet (mészkő), a széndioxid pedig a földi légkör jelentéktelen mennyiségű, de rendkivül fontos alkotórésze. 1824-ig az az elképzelés élt a tudományos köztudatban, hogy szerves vegyületek előállitására csak az élő szervezetek képesek a „bennük rejlő" életerő (vis vitalis) révén. A világ szervetlen ásványi részét pedig a „nyers szervetlen erők" alakítják, változtatják. Wähler német kémikus állított elő elsőként szintetikus úton szerves vegyületet. Ezzel nemcsak a modern szervesvegyipar előtt nyitott kaput, megteremtette a lehetőségét annak is, hogy az ember a „legfőbb titok", az élet mesterséges létrehozása felé lépéseket tegyen. A szén jelentősége kozmikus méretű. Erre nemcsak a meteoritok széntartalma utal. Naprendszerünk központi energiaforrása, a Nap fúziós folyamataiban is szerepet kap a szén. A tiszta elemi szén két legfontosabb előfordulási formája a grafit és a gyémánt. Keletkezési körülményeik, kristályszerkezetük jelentősen eltér. A grafit a szénülési folyamat utolsó állomása. Szerkezetében egy-egy szénatomot csupán három másik szénatom vesz körül, egyenlő távolságban. Ezek a szénatomok egy síkban helyezkednek el. A síkok távolabb vannak egymástól, mint az egyes síkokon belüli atomok, s igy a síkok közötti kapcsolat is lazább. Ennek eredménye az, hogy az egyes kristálysíkok egymáshoz képest könnyen lecsúszhatnak ' - a grafit nyomot hagy a papíron. A grafitőrleményt finom, iszapolt agyaggal keverik és préselik. A ceruzabél keménységét nagyrészt a bekevert agyag mennyisége határozza meg. Ugyancsak lemezes szerkezete és nagy kémiai ellenállóképessége teszi alkalmassá magas hőmérsékletű mozgó részek kenésére, elektromos kemencék, tégelyek előállitására. A grafit jó elektromos vezető, igy elektród, ívlámpaszén, motorok áramszedő keféje készül belőle. Néhány évtizede a nagy tisztaságú grafit fontos felhasználási területe az atomenergia békés célú felszabadításában adódott. Mivel a láncreakciót biztosító neutronokat visszaveri, de nem nyeli el, moderátor, reflektor az atommáglyákban. A gyémánt kristályában minden szénatom azonos távolságra van egymástól. Ez a kristályszerkezet magyarázza a gyémánt rendkívüli keménységét 8
