模块七 第五讲 煤微观结构的基本概念汇总
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模块七 煤的有机质结构
第五讲 煤微观结构的基本概念
第五讲 煤微观结构的基本概念
煤的微观结构包括其化学结构和物理结构。 化学结构：指在煤的有机分子中，原子相互连接的次序和方式 物理结构：指煤的有机分子之间的相互关系和作用方式
1. 煤的化学结构特征
（1）煤化学结构的相似性 （2）煤的高分子聚合物特性
第五讲 煤微观结构的基本概念
（三）煤的结构单元模型 根据物理和化学研究方法研究煤所得到的信息，可以提出煤的结构单 元模型。表6-3是一组煤结构单元的化学结构模型。表中的结构式大致反 映了各种煤结构单元的特点和立体结构，缺点是没有包括所有杂原子和各 种可能存在的官能团和侧链。
3.煤微观结构的近代概念
第五讲 煤微观结构的基本概念
2. 煤的基本结构单元 煤具有聚合物特性，但又与一般聚合物不同。煤解聚后得到的不 是具有相同相对分子质量和单一化学结构的单体，而是不同相对分子 质量、不同化学结构的一系列相似化合物的混合物。因此，构成煤聚 合物的基本结构单位不称单体，而称基本结构单元。 煤聚合物的分子可以大致看作是由与基本结构单元有关的三个层 次或三个部分组成 基本结构单元的核 核外围的官能团 基本结构单元之间的连接桥键
第五讲 煤微观结构的基本概念
芳碳率 ，基本结构单元中芳香族结构的碳原子与总碳原子数之比。
芳氢率 ，基本结构单元中芳香族结构的氢原子与总氢原子数之比。
芳环率 ，基本结构单元中芳香环数与总环数之比。 环缩合度指数 ，基本结构单元中的环形成缩合环的程度。 （二）桥键 桥键是连接煤基本结构单元的化学键或特定组成结构的键合体，确定桥 键的类型和数量对了解煤的化学结构和性质至关重要。桥键处于煤分子结构 中的薄弱环讲，易于受热或化学作用而裂解，而且裂解的方式复杂多样。桥 键的类型也很多，如次甲基键－(CH2)n－、醚键－O－、硫醚键－S－、过硫 醚键－S－S－、次甲基醚键－CH2－O－、次甲基硫醚键－CH2－S－、以及 芳香碳-碳键ArC－CAr等。
第五讲 煤微观结构的基本概念
（一）基本结构单元的核 基本结构单元的核主要由不同缩合程度的芳香环构成，也含有少 量的氢化芳香环和氮、硫杂环。随煤变质程度的增加，基本结构单元 的缩合度增加，缩合芳环数也增加。低煤化度煤基本结构单元的核以 苯环、萘环和菲环为主，缩合环数较少，尺寸也较小；中等煤化度烟 煤基本结构单元的核则以菲环为主；到无烟煤阶段，基本结构单元核 的芳香环数急剧增加到10多个，且逐渐趋向石墨结构。 由于煤结构的复杂性和不均一性，还难以确切地了解煤的分子结 构，因此常常采用所谓的结构参数来综合地描述煤的基本结构单元的 平均结构特征。这里主要介绍芳碳率、芳氢率、芳环率和环缩合度指 数等四个结构参数。
第五讲 煤微观结构的基本概念
桥键在煤中并不是均匀分布的。在低变质程度的煤中，含氧官能团 较多，而且有较多的氧桥。如褐煤和低煤化度烟煤，主要存在次甲基键、 醚键和硫醚键以及次甲基醚键和次甲基硫醚键，尤其以较长的次甲基键 和次甲基硫醚键为多；中等煤化度烟煤中，桥键的数目最少，主要键型 为－CH2－和－O－；到无烟煤阶段，桥键又有所增多，键型则以芳香 碳-碳键为主。 煤的结构单元通过这些桥键形成相对分子质量大小不一的高分子化 合物。桥键的数量和种类与煤分子的大小和属数量，它 们的热稳定性也互有区别。
关于煤的化学结构曾有过多种假说，如低分子结构说、胶体化学结构 说和高分子结构说等，而近代观点则认为煤具有高分子聚合物特征，可以 从以下方面予以表述。
第五讲 煤微观结构的基本概念
表6-3 不同煤的结构单元
第五讲 煤微观结构的基本概念
煤结构的主体是三维空间高度交联的非晶质的高分子聚合物，煤的每 个大分子由许多结构相似而又不完全相同的基本结构单元聚合而成。 基本结构单元的核心部分主要是缩合芳香环，也有少量氢化芳香环、 脂环和杂环。 煤分子通过交联及分子间缠绕在空间形成不同的立体结构。芳环率 ， 基本结构单元中芳香环数与总环数之比。 在煤的高分子聚合物结构中还较均匀地散布着少量低分子化合物，其 相对分子质量在500左右及500以下。 镜质组是煤的代表性显微煤岩组分，煤的化学结构实质上主要是指镜 质组的结构。 低煤化度煤的芳香环缩合度较小，但桥键、侧链和官能团较多，低分 子化合物较多，其结构无方向性，孔隙率和比表面积大。
第五讲 煤微观结构的基本概念
相似性
煤化学结构的相似性是指相 同变质程度的同一显微组分 并不是一种纯物质，而是由 许多结构相似的煤分子组成 的混合物。每一个煤分子的 基本结构单元彼此也不完全 相同，但同一种煤的分子中 各个基本结构单元的结构却 是相似的。
高分子聚合物性
线型或支链型高分子链间以 共价键连接成网状或体形子 高分子的过程称之为交联。 近代煤化学的研究观点认为， 煤具有高分子聚合物的特征， 存在交联结构。煤中起交联 作用的化学键与桥键的化学 本性基本相同，但稳定性低 于桥键。
第五讲 煤微观结构的基本概念
第五讲 煤微观结构的基本概念
煤的微观结构包括其化学结构和物理结构。 化学结构：指在煤的有机分子中，原子相互连接的次序和方式 物理结构：指煤的有机分子之间的相互关系和作用方式
1. 煤的化学结构特征
（1）煤化学结构的相似性 （2）煤的高分子聚合物特性
第五讲 煤微观结构的基本概念
（三）煤的结构单元模型 根据物理和化学研究方法研究煤所得到的信息，可以提出煤的结构单 元模型。表6-3是一组煤结构单元的化学结构模型。表中的结构式大致反 映了各种煤结构单元的特点和立体结构，缺点是没有包括所有杂原子和各 种可能存在的官能团和侧链。
3.煤微观结构的近代概念
第五讲 煤微观结构的基本概念
2. 煤的基本结构单元 煤具有聚合物特性，但又与一般聚合物不同。煤解聚后得到的不 是具有相同相对分子质量和单一化学结构的单体，而是不同相对分子 质量、不同化学结构的一系列相似化合物的混合物。因此，构成煤聚 合物的基本结构单位不称单体，而称基本结构单元。 煤聚合物的分子可以大致看作是由与基本结构单元有关的三个层 次或三个部分组成 基本结构单元的核 核外围的官能团 基本结构单元之间的连接桥键
第五讲 煤微观结构的基本概念
芳碳率 ，基本结构单元中芳香族结构的碳原子与总碳原子数之比。
芳氢率 ，基本结构单元中芳香族结构的氢原子与总氢原子数之比。
芳环率 ，基本结构单元中芳香环数与总环数之比。 环缩合度指数 ，基本结构单元中的环形成缩合环的程度。 （二）桥键 桥键是连接煤基本结构单元的化学键或特定组成结构的键合体，确定桥 键的类型和数量对了解煤的化学结构和性质至关重要。桥键处于煤分子结构 中的薄弱环讲，易于受热或化学作用而裂解，而且裂解的方式复杂多样。桥 键的类型也很多，如次甲基键－(CH2)n－、醚键－O－、硫醚键－S－、过硫 醚键－S－S－、次甲基醚键－CH2－O－、次甲基硫醚键－CH2－S－、以及 芳香碳-碳键ArC－CAr等。
第五讲 煤微观结构的基本概念
（一）基本结构单元的核 基本结构单元的核主要由不同缩合程度的芳香环构成，也含有少 量的氢化芳香环和氮、硫杂环。随煤变质程度的增加，基本结构单元 的缩合度增加，缩合芳环数也增加。低煤化度煤基本结构单元的核以 苯环、萘环和菲环为主，缩合环数较少，尺寸也较小；中等煤化度烟 煤基本结构单元的核则以菲环为主；到无烟煤阶段，基本结构单元核 的芳香环数急剧增加到10多个，且逐渐趋向石墨结构。 由于煤结构的复杂性和不均一性，还难以确切地了解煤的分子结 构，因此常常采用所谓的结构参数来综合地描述煤的基本结构单元的 平均结构特征。这里主要介绍芳碳率、芳氢率、芳环率和环缩合度指 数等四个结构参数。
第五讲 煤微观结构的基本概念
桥键在煤中并不是均匀分布的。在低变质程度的煤中，含氧官能团 较多，而且有较多的氧桥。如褐煤和低煤化度烟煤，主要存在次甲基键、 醚键和硫醚键以及次甲基醚键和次甲基硫醚键，尤其以较长的次甲基键 和次甲基硫醚键为多；中等煤化度烟煤中，桥键的数目最少，主要键型 为－CH2－和－O－；到无烟煤阶段，桥键又有所增多，键型则以芳香 碳-碳键为主。 煤的结构单元通过这些桥键形成相对分子质量大小不一的高分子化 合物。桥键的数量和种类与煤分子的大小和属数量，它 们的热稳定性也互有区别。
关于煤的化学结构曾有过多种假说，如低分子结构说、胶体化学结构 说和高分子结构说等，而近代观点则认为煤具有高分子聚合物特征，可以 从以下方面予以表述。
第五讲 煤微观结构的基本概念
表6-3 不同煤的结构单元
第五讲 煤微观结构的基本概念
煤结构的主体是三维空间高度交联的非晶质的高分子聚合物，煤的每 个大分子由许多结构相似而又不完全相同的基本结构单元聚合而成。 基本结构单元的核心部分主要是缩合芳香环，也有少量氢化芳香环、 脂环和杂环。 煤分子通过交联及分子间缠绕在空间形成不同的立体结构。芳环率 ， 基本结构单元中芳香环数与总环数之比。 在煤的高分子聚合物结构中还较均匀地散布着少量低分子化合物，其 相对分子质量在500左右及500以下。 镜质组是煤的代表性显微煤岩组分，煤的化学结构实质上主要是指镜 质组的结构。 低煤化度煤的芳香环缩合度较小，但桥键、侧链和官能团较多，低分 子化合物较多，其结构无方向性，孔隙率和比表面积大。
第五讲 煤微观结构的基本概念
相似性
煤化学结构的相似性是指相 同变质程度的同一显微组分 并不是一种纯物质，而是由 许多结构相似的煤分子组成 的混合物。每一个煤分子的 基本结构单元彼此也不完全 相同，但同一种煤的分子中 各个基本结构单元的结构却 是相似的。
高分子聚合物性
线型或支链型高分子链间以 共价键连接成网状或体形子 高分子的过程称之为交联。 近代煤化学的研究观点认为， 煤具有高分子聚合物的特征， 存在交联结构。煤中起交联 作用的化学键与桥键的化学 本性基本相同，但稳定性低 于桥键。