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第七章 煤化学结构及其研究方法(Chapter 7 coal chemical structure its research methods) 煤的化学结构，煤结构或煤分子结构，是指煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。它是煤化学的重要研究内容和核心问题之一。 煤结构的研究方法分三类： （1）物理研究方法（X射线衍射、红外光谱、核磁共振波谱、物理常数进行统计结构解析等）； （2）物理化学研究方法（溶剂抽提、吸附性能等） （3）化学研究方法（氧化、加氢、卤化、解聚、烷基化、官能团分析等）。煤中的大部分官能团可以用经典的化学分析方法测定。随着分析仪器和波谱技术的迅速发展，煤中官能团的测定一般不再采用化学分析的方法，而是采用更方便、更快捷、更迅速的仪器分析方法。 主要内容 第一节 物理研究方法 第二节 物理化学研究方法 第三节 化学研究方法 第四节 煤化学结构基本概念 第一节 物理研究方法(Physical methods ) A X射线衍射法(X-ray diffraction) B 红外光谱(Infrared Spectrum) C 核磁共振波谱NMR(Nuclear magnetic resonance) D 统计结构解析法(Statistical constitution analysis) A: X射线衍射法 研究物质的晶体结构。X射线的波长，与晶体内部规则排列的各原子或分子间的距离相近。当一束单色X射线通过晶体时，发生衍射现象，使射线的强度在某些方向上加强，而在另一些方向上减弱。衍射方向与晶胞的形状和大小有关，衍射强度则与原子在晶胞中排列方式有关。X射线衍射分析能揭示出煤中有序碳和无序碳的区域。 研究结果表明： 1.芳香层片的平均直径随煤化度加深而增加。 2.芳香层片的堆砌高度随煤化度加深而增大。 3.层间距随煤化度加深而减小。 4.芳香层片的芳香环数和碳原子数随煤化度加深而增大。 5.各种煤岩成分的微晶尺寸随煤化度有类似的变化规律。 B : 红外光谱研究煤结构 基于被测物质在红外光照射下，只能吸收与其分子振动和转动频率相同的红外线，不同分子只能吸收一定波长的入射光，形成各自特征的红外吸收光谱，而吸收一定波长红外线的强弱程度与物质浓度有关。该方法可用于研究复杂分子的结构，并可进行定性和定量分析。 在红外区域出现分子振动光谱，其吸收峰的位置和强度取决于分子中各基团的振动形式和相邻基团的影响。因此，只要掌握了各种基团的振动频率，即吸收峰的位置，以及吸收峰位置移动的规律，即位移规律，就可进行光谱解析。 对煤和煤衍生物（腐植酸、氢化产物、溶剂抽提物等）的红外光谱已进行了大量的研究，证实各种官能团都有其特征的吸收峰。 C : 核磁共振波谱研究煤结构 基于具有自旋磁距的原子核，在一个固定磁场和一个以某种射频变动的磁场作用下，吸收一定波长射频的能量后，会产生能阶跃迁现象。这种现象称为核磁共振。 核磁共振波谱可以获得三方面的信息：化学位移、耦合裂分和积分线。 D: 统计结构解析法研究煤的结构 根据物质性质与物质结构的内在联系，采用数学统计方法，求取描述物质结构特征即所谓结构参数的方法叫做统计结构解析法。 煤的统计结构解析法研究，主要就是利用煤的加和性质来计算煤的结构参数，并根据煤的结构性质对计算结果进行校正。 煤的结构参数： （1）芳碳率fa=Ca/C，基本结构单元中属于芳香族结构的碳原子数与总的碳原子数之比。 （2）芳氢率fHa=Ha/H，基本结构单元中属于芳香族结构的氢原子数与总的氢原子数之比。 （3）芳环率fRa=Ra/R，基本结构单元中芳香环数与总环数之比。 （4）环缩合程度指数2（R-1）/C，基本结构单元的环形缩合环的程度；R表示基本结构单元中的缩合环数，C表示基本结构单元中碳原子的个数。 （5）环指数2R’/C，基本结构单元中平均每个碳原子所占环数，即单碳环数。 （6）芳环紧密度4（Ra+1/2)/C-1，表明一定数量的芳香族原子能形成尽可能多的芳香环的能力。 （7）芳族大小Cau，芳香核的大小，即基本结构单元中的芳香族碳原子数。 （8）聚合 强度b，煤的大分子中每一个结构单元的桥键数。 （9）聚合度p，每一个煤大分子中结构单元的平均个数。 煤结构参数与煤质的关系： 芳碳率fa随煤化度的增加而增大；碳含量大于87%以后，fa急剧增加；碳含量大于95%以后，fa已接近于1或等于1，说明只有无烟煤才是高度芳构化的。 在同一煤化度的煤中，不同显微组分具有不同的结构参数，随煤化度增加，镜质组、稳定组、微粒体的芳碳率