Уголь каменный (техн.) - по своим свойствам примыкает, с одной стороны, к бурым У., а с другой - к антрацитам, и переход между ними является настолько постепенным, что на них можно смотреть, как на отдельные фазы в развитии одного и того же процесса изменения растительных тканей. В типических представителях разница между каменными У., антрацитами и бурыми У., прежде всего, выражается в цвете, затем в характере горения и в количестве и свойствах получаемого из них кокса. Каменный У., как и антрацит, черного цвета и дает черную черту; подобно бурому У. и в противоположность антрациту, не дающему пламени, У. каменный горит светящимся пламенем; кокса каменный У. дает больше, чем бурый У., и меньше, чем антрацит. Все эти различия находятся в связи с разницей в их химическом составе. Каменный У. содержит в органической части: углерода 75 - 93%, водорода 4 - 6%, азота до 2,7%, кислорода с азотом 19 - 3%; золы содержит до 30%. Если сравнить между собой составы бурых У., каменных и антрацитов, то можно прийти к тому выводу, что бурый У. ближе стоит к растительной клетчатке, чем кам. У., антрацит же дальше, так как первый содержит в процентном отношении больше водорода и кислорода, чем кам. У., последний меньше. Благодаря сравнительно большому содержанию летучих веществ кам. У. горит пламенем и при коксовании оставляет кокса в количестве, промежуточном между тем, что дает бурый У. и антрацит. Относительно образования каменного У. и нахождения его в природе - см. Каменный У. Для обозначения различных сортов каменного У. в практике применяется разнообразнейшая номенклатура. Прежде всего, отличают У. по месту добычи, напр.: донецкий У., нью-кэстльский, силезский, кардиф и пр. Затем он различается по величине кусков, причем указывается, подвергался ли У. сортировке или нет. Сортированный У. подразделяется, напр., в Германии на 3 сорта: 1) крупный У. - куски не менее кулака; 2) средний У. - меньше кулака, до ореха, и 3) угольная мелочь - куски меньше ореха и угольная пыль. Пустая порода с частицами каменного У. составляет угольный отброс. Каменный У. различается и по назначению, т. е. для какой цели данный сорт наиболее пригоден. В этом отношении отличают газовый, паровой, коксовый, кузнечный У. и пр. По качеству кокса и по способности размягчаться и спаиваться при нагревании (см. Кокс) еще в 1836 г. Карстен предложил разделять каменные У. на: 1) спекающиеся У. (Backkohlen) - в жару они плавятся и дают однородную массу кокса; 2) полуспекающиеся У. (Sinterkohlen) - порошок их соединяется в однородную, но мало прочную массу, не плавясь, и 3) песчанистые У. (Sandkohlen) - порошок их в жару совершенно не соединяется в одно целое. Затем в спекающихся У. стали различать еще дальнейшие подразделения (Backkohlen и Backkende Sinterkohle); подобное же подразделение было сделано и для полуспекающихся У. (Sinterkohle и gesinterte Sandkohle). По характеру пламени различают короткопламенные У. и длиннопламенные, жирные У. (с блестящим пламенем) и тощие.
Мук (Muck) сделал попытку дать естественно-историческую классификацию каменных У. Он рассматривает различные сорта их как смесь нескольких более или менее определенных разновидностей (Kohlensorten). Эти разновидности, являясь результатом различно выраженных геологических процессов, по-видимому (Gumbel), обязаны своим происхождением отчасти тому обстоятельству, что для образования их служили различные растения или различные части растений, Мук различает: 1) блестящий У. (Glanzkohle) 2) матовый У. (Mattkohle); 3) кенельский У. (Cannelkohle); 4) псевдокенельский У. (Pseudo-Cannelkohle); 5) горючий сланец (Brand- oder Kohlenschiefer) и 6) волокнистый У. (Faser-kohie). Блестящий У. имеет густой черный цвет, сильный стеклянный блеск, часто очень хрупок и обладает ясно выраженной спайностью. В угольных месторождениях он встречается большею частью в нижних ярусах. Он содержит мало золы, дает много кокса. Углерода содержит редко меньше 80%. Для образования его служили, главным образом, стволы и ветви. Блестящий У. дает постепенный переход к антрациту. Матовый У. является одной из наиболее распространенных угольных разновидностей. Он встречается обыкновенно с прослойками блестящего У., от которого отличается меньшим блеском, серым или иногда буроватым цветом, большей твердостью и вязкостью, отсутствием слоистости. Излом его неровный, иногда раковистый. Золы в нем больше, чем в блестящих У., углерода меньше; он богаче кислородом и водородом (в особенности так наз. несвязанным; см. Горючие материалы и Топливо). Кокса он дает меньше предыдущих У. Матовый У. образован преимущественно из листьев. Кенельский У. (cannel-coal) похож на матовый У., но не имеет прослоек блестящего У. Излом его плоский или плоскораковистый; он не хрупок, способен принимать полировку; цвет его серый до черного. По составу он близок к матовым У., очень богатым водородом (в особенности несвязанным) и бедным кислородом. Он легко загорается и горит ярким пламенем, как свеча. Кенельский У. распространен в Англии, Франции, в Богемии; для образования его служили главным образом водоросли. К кенельскому У. причисляют различные ископаемые горючие материалы, напр., богхед (Boghead), но, по Муку, они не принадлежат к каменным У.; при сухой перегонке они дают деготь, богатый парафином и летучими продуктами, тогда как каменный У. в этих условиях дает деготь, содержащий главным образом ароматические углеводороды (см. Деготь). Богхед принимается некоторыми за сланцеватую глину, пропитанную битуминозными веществами и парафином. Он имеет черный цвет, со слабым блеском, раковистый излом в одном направлении и сланцеватый в другом. Богхед не хрупок, легко загорается и горит ярким пламенем. Наиболее ценится шотландский богхед; он находится около Бутгата, сходен с кенельским У., употребляется для сухой перегонки и как топливо. Псевдокенельский У. настолько похож на предыдущий У. (кенельский), что часто и принимается за него. Он отличается от кенельского У. большим содержанием углерода и малым содержанием кислорода и водорода; кокса он дает много; для газового производства не годится. Горючий сланец представляет глинистый сланец более или менее пропитанный углистым веществом. Цвет его серый и доходит до чисто черного. Кокса он дает немного; при прокаливании выделяет сравнительно много летучих веществ (считая на органическую часть), что зависит от большого содержания в нем несвязанного водорода. Содержание золы в нем доходит до 75% и более. По структуре горючий сланец ближе подходит к матовым У., чем к кенельским. Волокнистый У., или иначе минеральный древесный У., имеет ясную растительную структуру, заключая остатки хвойных растений и папоротников. Он является в виде тонких прослоек; цвет его серый, шелковистый; он легко пачкает руки и дает много неспекающегося кокса. Из указанных разновидностей каменного У., по Муку, слагаются угольные породы (Kohlengattungen) подобно тому, как горные породы слагаются из отдельных минералов.
Другая более или менее принятая классификация У. была дана Грюнером. Основываясь на взаимной связи различных родов ископаемого топлива (торф, бурый У., каменный У., антрацит), насколько они являются продуктами химического изменения растительной клетчатки, Грюнер предложил принять за основу классификации их химический состав, именно отношение между кислородом и водородом: для торфа оно будет 5 - 6 (кокса получается 35 - 40%), для бурого У. - 5 (кокса 40 - 50%), для каменного У. - 4 - 1 (кокса 50 - 90%) и для антрацита 1 - 0,75 (кокса больше 90%). Переходя к каменному У., мы видим, что, представляя большое разнообразие в химическом составе, различные сорта каменного У., в свою очередь, значительно отличаются между собой по своим свойствам. Так как на практике резче всего бросается в глаза способность каменного У. выделять известного качества газ при накаливании, давать большее или меньшее пламя, спекаться в жару и пр., а эти свойства находятся в известном соотношении с химическим составом каменного У., то Грюнер, выделяя эти свойства, предложил следующую классификацию каменного У.: 1) сухие пламенные У.; 2) жирные пламенные (с длинным пламенем), или газовые; 3) жирные, или кузнечные; 4) жирные с коротким пламенем, или коксовые; 5) антрацитовые, или тощие. Сухие пламенные У. имеют уд. в. около 1,26, отличаются большой твердостью и потому легко выдерживают перевозку, не раскрашиваясь. При хранении на воздухе вязкость их уменьшается от окисления. Состав их следующий: влажности 4,5 - 7,5%; золы и серы 3 - 5%; в органической части углерода 75 - 80%; водорода 4,5 - 5,5%; азота и кислорода 19,9 - 15,5%. При горении дают тепла около 8200 - 8300 к. (вода жидкая) на органическую часть; горят длинным пламенем, При накаливании без доступа воздуха дают 50 - 60% неспекающегося кокса, 12 - 5% аммиачной воды, 18 - 15% дегтя, 20 - 30% газа. Сухие У. более всего пригодны для пламенных печей; они встречаются в Англии, Шотландии (где прямо идут для доменной плавки), в Силезии, в Соед. Штатах, в России - в Польском бассейне, в Лисичанском у. и пр. Жирные газовые У. имеют уд. в. 1,28 - 1,30, легче крошатся, чем предыдущие, но все-таки удобны для перевозки. Они содержать влажности 1 - 4%, в органической части углерода 80 - 85%, водорода 5 - 5,8%, азота с кислородом 10 - 14,2%; золы и серы в них находится 3 - 7%. При сухой перегонке газовые У. дают 60 - 68% спекающегося рыхлого кокса, 5 - 3% аммиачной воды, 12 - 15% дегтя, 17 - 20% газа; хотя газа получается меньше, чем при сухих У., но он обладает большей светопроизводящей способностью (благодаря присутствию в нем большого количества тяжелых углеводородов), и потому газовые У. являются более пригодными для производства светильного газа (отсюда их название). Теплопроизводительная способность 8500 - 8800 к., считая на органическое вещество. К газовым У. принадлежат многие сорта английских каменных У., напр., хороший ньюкэстльский У.; они встречаются также в Шотландии, во Франции на Луаре и в дпт. Па-де-Кале, в Германии около Саарбрюкена, в России в сев. части Донецкого бассейна около Голубовки. Жирные кузнечные У. имеют слоистое строение, уд. в. 1,3; горят блестящим пламенем, в жару сильно размягчаются, вспучиваются. Состав органической части: углерода 84 - 89%, водорода 5 - 5,5%, кислорода с азотом 0,5 - 11%. При сухой перегонке дают 68 - 74% спекающегося кокса, 3 - 1% аммиачной воды, 13 - 10% дегтя, 16 - 15% газов; теплота горения 8800 - 9300 к. (на органическую часть). Кузнечный У. очень пригоден для кузнечного дела и коксования. Он встречается во многих местах во Франции, Бельгии, Вестфалии, в России (петромарьевский, щербиновский и макеевский У.). Жирные коксовые У., подобно кузнечным У., имеют слоистое строение, уд. в. 1,30 - 1,35; легко крошатся, загораются труднее и горят коротким пламенем с небольшим дымом; при сухой перегонке спекаются и дают плотный и твердый кокс, но многие сорта при лежании на воздухе теряют способность спекаться. Состав: углерода 88 - 91%, водорода 4,5 - 5,5%, кислорода с азотом 4,5 - 6,5%; они дают 74 - 80% кокса, 1% аммиачной воды, 10 - 5% дегтя, 15 - 12% газов. Теплота горения 9300 - 9600 к. (на органическую часть). Коксовые У. встречаются в Англии в окрестности Кардифа, во Франции в Крёзо, Кармо; в России к ним относят Богодуховский У. (Донецкий бассейн около Юзовки). Тощие, или антрацитовые, У. довольно хрупки, уд. в. 1,35 - 1,40, трудно загораются и горят коротким бездымным пламенем. Состав их (для органической части): углерода 90 - 93%, водорода 4 - 4,5%, кислорода с азотом 3 - 5,5%. При сухой перегонке дают 82 - 90% кокса, аммиачной воды 1 - 0%, дегтя 5 - 2%, газов 12 - 18%; теплота горения 8800 - 9500. Антрацитовые У. встречаются, главным образом, в Пенсильвании; к ним же принадлежат многие из валлийских У., некоторые донецкие У. и др. По классификации Грюнера, с увеличением содержания углерода в каменном У. увеличивается теплота горения, выход кокса, хрупкость, уменьшается выход летучих веществ и пр. На самом деле встречаются многочисленные отклонения от этих правильностей.
Но элементарный состав каменного У. крайне сложен и мало исследован. Попытки выделить из каменного У. различные составные части, подвергая их действию различных реагентов, как-то: кислот, щелочей, растворителей (эфира, хлороформа, бензола и пр.), дали пока незначительные результаты. Исследования показывают, что органическая часть каменных У. состоит из смеси сложных смолистых органических веществ черного или бурого цвета, натура которых с точностью не определена. Минеральные составные части каменного У. - частью растительного происхождения, частью явились извне во время образования У.; сюда относятся серный колчедан, углекислая закись железа, известковый шпат, кремнезем, магнезит, поваренная соль и пр. Железный колчедан представляет обычную примесь к каменному У. Подмесь его в большом количестве делает У. негодным для топки благодаря образованию во время горения сернистого газа, разъедающего железные части топок и котлов; кроме того, благодаря легкой окисляемости колчедана такой У. при хранении изменяется и может воспламениться (см. ниже). Зола каменного У. содержит 1,3 - 80,9% Fе2O3; 0,87 - 42,7% Al2O3; 1,7 - 76% SiO2; 0,6 - 36,9% СаО; 0 - 10,7% SО3. В состав каменного У. входят в небольших количествах калий, натрий, магний, сера, фосфор, иногда титан, цинк, медь, никель и пр. Серы в кам. У. часто бывает больше, чем требуется по составу серного колчедана; некоторое количество ее может входить в состав органического вещества кам. У. Кенельский У. в особенности богат серой и фосфором. Содержание в кам. У. серы и фосфора имеет большое значение при употреблении его для металлургических целей (см. Доменное производство). Для одного и того же У. состав золы очень меняется. Указывалось, что при помощи рентгеновских лучей можно видеть разницу в содержании золы для разных каменных У. В каменном У. всегда находится некоторое количество (1 - 12%) воды, содержание которой меняется в зависимости от условий, в которых хранится У. Вообще каменный У. менее гигроскопичен, чем бурый, в особенности это относится к жирным У. В состав каменных У. входят и газообразные вещества, которые выделяются при помещении У. в безвоздушное пространство. Количество их зависит как от сорта У., так и от температуры, при которой происходит выделение газов. Состав газов тоже меняется; среди них часто находят болотный газ, пропан и другие углеводороды, углекислоту, азот и даже кислород; последние два газа представляют, вероятно, остаток воздуха, поглощенного каменным У. и только отчасти израсходованного на окисление. Обстоятельные опыты с выделением газов из каменного У. были произведены Мейером; он помещал У. в стеклянную трубку, которая соединялась с ртутным насосом, и исследовал собираемый газ. При обыкн. темп. газов получается немного - 2 - 3 куб. см на 100 г У., а некоторые плотные каменные У. выделяли только следы его. При нагревании до 100° каменный У. (100 г) давал около 600 куб. см газа. Когда выделение газа при 100° прекращалось и У. охлаждался до обыкновенной температуры, то он вновь выделял некоторое количество газа (до 57 куб. см). То же явление получалось, когда У. нагревался до 200° и 300°. Всего собрано было 1881,9 куб. см. Состав газов, собранных при температурах 100°, 200°, 300° был соответственно следующий: углекислоты СО2 - 14,7%, 8,1%, 1,4%; болотного газа СН4 - 84,2%, 91,8%, 98,5%; азота Ν - 1,1%, 0,1%, 0,1%; кислорода не было найдено. Если каменный У., лишенный газов при 100°, держать некоторое время на воздухе при обыкнов. температуре и затем поместить его в пустоту, то при 100° он вновь выделяет газ, но этот последний газ отличается от первого, содержа более углекислоты, азота и кислорода и меньше болотного газа. Различие в составе полученных газов объясняется окисляющим действием на каменный У. воздуха. Подобные же результаты были получены Брокманом (Brookmann). Результатом выделения газов из каменного У. является образование так назыв. рудничного газа, служащего причиной многочисленных несчастных случаев в угольных копях или в угольных ямах на кораблях. Чтобы сколько-нибудь оградить себя от действия рудничного газа, обыкновенно не нагружают каменный У. на корабль прямо из копи, а дают ему некоторое время вылежаться на воздухе, и тогда мало-помалу выделение газов значительно ослабевает; однако хранение каменного У. на воздухе не проходит для него бесследно. С каменным У. происходит целый ряд химических процессов, известных под названием "выветривания У.". Под влиянием кислорода воздуха происходит окисление различных веществ, входящих в состав каменного У., и состав его изменяется; обыкновенно вес У. при этом увеличивается, но иногда он и уменьшается; вместе с этим увеличивается гигроскопичность У. и уменьшается способность его спекаться; параллельно уменьшается также и теплопроизводительная способность. При поглощении кислорода часть его идет на образование углекислоты и воды, а другая часть входит в состав органического вещества угля. Каменный У. в кусках меньше поддается окислительному действию воздуха, чем угольная мелочь. Влажность не имеет никакого влияния на ускорение процесса выветривания при обыкн. темп. Главнейшее значение при выветривании имеет температура и свойство самого У. При обыкн. темп. поглощение кислорода идет медленно; по опытам Рихтерса, 50 г воздушно-сухого У. поглощали при 12,5° - 21,5° около 16 куб. см кислорода из влажного воздуха в 7 дней, а из сухого воздуха 20 г в 11 дней поглотили его 6,6 куб. см. При нагревании порошка каменного У. при 190° в токе воздуха Рихтерс получил углекислоту и воду. Окисление каменного У. сопровождается выделением тепла и таким повышением температуры, что У. иногда воспламеняется. При воспламенении каменного У. значительную роль играет колчедан, при окислении которого выделяется большое количество тепла; однако окисление колчедана нельзя считать единственною причиною самовозгорания каменного У.; в этом явлении существенное значение имеет и окисление органических веществ, входящих в состав У. По расчетам Рихтерса, в У., содержащем 1% колчедана, при окислении последнего, предполагая, что оно происходит мгновенно и теплота никуда не теряется, температура поднимается только на 72°, что далеко не достаточно для воспламенения У. Самовозгорание каменного У. часто является причиной пожаров на кораблях. Практика показывает, что воспламенение каменного У. чаще всего происходит при хранении его в больших количествах в помещениях со сравнительно высокой температурой, напр. вблизи топок или паропроводных труб и пр. Для устранения самовозгорания каменного У. на кораблях или в складах, по Льюису (Lewis), нужно употреблять вылежавшийся У. (напр., извлеченный из копи не ранее месяца); его нужно складывать в плотные кучи не выше 8 - 6 фт. в помещениях с железным или цементным полом, в которых не должны проходить паровые или дымогарные трубы. По опытам Арта, кам. У. под водой сохраняется лучше, чем на воздухе.
Анализ каменного У. состоит в определении влажности, золы, кокса, серы, фосфора, углерода, водорода и кислорода. Прежде всего, должно быть обращено особое внимание на составление средней пробы исследуемого каменного У., так как даже один и тот же кусок его часто бывает очень неоднороден. При поставках берут, напр., лопату У. с каждой тачки или через определенное число тачек и бросают в ящик с крышкой. У. затем разбивают на более мелкие куски, смешивают и разравнивают на поверхности так, что получается квадрат; его делят диагоналями на 4 части, отбрасывают 2 противоположные части, а остальное вновь измельчают и подвергают прежней операции. Это повторяют до тех пор, пока вся проба не уменьшится до 2 кг; полученную пробу хорошо укупоривают. При точных исследованиях для контроля берется такая же проба и из 2-х вышеуказанных отброшенных порций У. Взятую пробу грубо измельчают, смешивают, берут около 200 г, которые сполна превращают в порошок, не отбрасывая ни в каком случае трудно измельчаемых порций. Для определения воды берут навеску 5 - 10 г и помещают между часовыми стеклами или в закрытом тигле в воздушную баню при 105° - 110° на 2 ч., охлаждают в эксикаторе и взвешивают. При высушивании У. закрывается для того, чтобы предохранить его от окисления. Для определения золы берут навеску в 2 - 3 г и осторожно нагревают в платиновой чашке, чтобы У. сплавился в один кусок (в особенности осторожность требуется при анализе спекающихся У., которые лучше всего нагревать при 120° - 150° в сушильном шкафу). При нагревании У. помешивается платиновой проволокой, и температура поднимается постепенно до красного каления. Нужно избегать слишком высокой температуры, так как тогда будут улетучиваться щелочи. Делают определение золы и в тигле; но тогда нужно его ставить наклонно. Для определения выхода кокса накаливают 1 - 1,5 г У. в закрытом платиновом тигле на хорошей бунзеновской горелке так, чтобы пламя охватывало весь тигель (расстояние между дном тигля и горелкой - 3 см). Прокаливание ведется до тех пор, пока из-под крышки тигля не перестанет показываться пламя. Получи в кокс, замечают его вид, цвет и пр. Сера находится в каменном У. в виде сернистых, серно-кислых и органических соединений; при горении У. или коксовании его только часть серы удаляется, поэтому в каменном У. отличают, кроме общего количества серы, так назыв. летучую серу. Когда У. предназначен для отопления, то при исследовании главнейшее внимание обращается на летучую серу. При разного рода химических процессах, когда каменный У. приходит в соприкосновение с реагирующими веществами, необходимо принимается во внимание все количество серы, содержащейся в У. Для определения общего содержания серы применяется обыкновенно способ Эшка. 1 г У. смешивают в платиновом тигле с 2 г прокаленной магнезии и 1 г безводной соды. Тигель ставят наклонно без крышки и умеренно накаливают, так что только нижняя половина тигля является раскаленной, при этом масса тщательно перемешивается толстой платиновой проволокой. Когда У. сгорит, что узнается по цвету массы, тигель кладут в стакан и кипятят с водой для отделения его содержимого; затем прибавляют сюда бромной воды, нагревают для полного окисления сернистых соединений, фильтруют и осаждают хлористым барием. Для определения "летучей" серы определяют содержание серы в золе, для чего лучше всего каменный У. сжигать в кислороде, и затем вычитают полученное количество из общего содержания серы. Иногда для определения летучей серы каменный У. сжигают в струе кислорода в стеклянной трубке с платинированным асбестом и улавливают образовавшийся сернистый газ в растворе перекиси водорода. Фосфор определяется в золе обычным способом с помощью молибденовой жидкости. Азот определяется по способу Кьельделя. Водород и углерод определяются путем обычного органического анализа.
