CHARBONS FOSSILES
Indépendamment du graphite et du diamant, on rencontre dans la nature diverses snhstances renfermant des quantités plus ou moins considérables de carbone, telles que l'anthracite, la houille, le lignite. L’étude de ces comhustihles fossiles qui ne peuvent guère être désignés sous le titre de carbone, ne rentre pas directement dans notre sujet : nous n’en dirons que quelques mots ici, les détails sur la houille et ses applications devant trouver place dans une autre partie de cet ouvrage.
1. Anthracite. — L’anthracite se rencontre en couches plus ou moins épaisses dans les terrains antérieurs au terrain carbonifère, quelquefois en contact avec les roches éruptives : on la trouve en Dauphiné, sur divers points des Alpes, en Pensylvanie et au Massachusetts, en Bohème, en Silésie et en Saxe, enfin dans diverses régions de l’Angleterre. Comme la houille, l’anthracite paraît provenir de la décomposition de matières végétales.
L’anthracite est amorphe, noire, douée d'un certain reflet jaiinfitre, quelquefois irisée. Sa densité varie de d,3 à d,75. Elle conduit bien l’électricité. Sa dureté est de 2 à 2,3. Cependant on a rencontré quelquefois des échantillons très durs, en nodules compacts, contenant de petits grains noirs capables de rayer le verre, qu’on a pu prendre pour une sorte de diamant noir. Ces nodules prennent un très beau poli. Leur densité, leur composition, la manière dont ils sont dissous par le chlorate de potasse et l’acide nitrique, montrent qu’ils ne renferment point trace de diamant.
La teneur en cai’bone de l’anthracite est voisine de 90 pour 100, et peut descendre à 70 pour 100. Ce charbon, plus compact et plus dur que la houille, hrfile aussi plus difQcilemçnt, et exige un fort tirage. Par la calcination, il dégage un peu d’humidité, sans fournir d’huiles volatiles.
2. Houille. — La houille est un carbone impur, provenant de la décomposition de matières végétales. Les gisements constituent, avec les roches arénacées, grès, schistes hitumineux qui l’accompagnent, le terrain appelé carbonifère, très répandu en Angleterre, en Belgique, dans le nord de la France, etc.
La houille est amorphe, d’une structure souvent feuilletée, et rappelant la texture du bois. Son éclat est vari.ablc, quelquefois terne, quelquefois'brillant et métallique.
5S ENCYCLOPÉDIE CHIMIQüE.
certaines espèces ont une teinte ])rune (cannel-coal), La densité est comprise entre 1,25 et 1,55, la dureté entre 2 et 2,5.
La houille peut subir une sorte de demi-fusion : c’est ce qui a lieu principament avec les variétés renfermant un grand excès d’hydrogène.
La teneur en carbone varie de 75 à 95 pour 100. Rien ne prouve d’ailleurs que ce carbone de la houille y soit à l’état d’élément plus ou moins mélangé d’impuretés : il est au contraire plus vraisemblable de ci'oire qu’il s’y trouve sous la forme d’une véritable combinaison organique complexe.
Les bouilles portent différents noms, selon leurs qualités et les usages auxquels on les destine. Ainsi les houilles grasses contiennent environ 89 pour 100 de carbone et 5,35 d'hydrogène, leur densité est 1,31; les bouilles maréchales, renfermant 85 pour 100 de carbone, ont pour densité 1,28 ; les houilles à gaz, 82 pour 100 de carbone, densité 1,25; les houilles ??iafsrres, 78 pour 100 de carbone, densité 1,25. On trouvera ailleurs la composition centésimale détaillée des diverses variétés de combustibles fossiles. Rappelons que l’analyse d’une houille peut s’effectuer rapidement par le procédé suivant : On en calcine 100 grammes environ, dans un creuset de platine entouré d’un creuset de terre. On porte la température au rouge pendant une demi-heure ; on a ainsi comme résidu le coke, et par différence le poids des matières volatiles : ce coke est lui-même brûlé au contact de l’air, on détermine ensuite le poids des cendres, dont l’analyse se fait par les métbodes ordinaires.
La houille brûle avec flamme au contact de l’air plus ou moins facilement, selon les proportions d'hydrogène et d’oxygène qu’elle renferme.
Chauffée en vase clos, elle perd 25 à 40 pour 100 de matières volatiles carbonées et de gaz ; les houilles les plus riches en carbone sont celles qui perdent le moins. Le dégagement de ces matières volatiles a lieu à des températures variables : ainsi le boghead, très ricbe en hydrogène, produit à une température assez basse un gaz très éclairant et très riche en carbures. La calcination de la houille fournit d’une part le gaz de l’éclairage, et les huiles lourdes ou légères qui ont reçu aujourd’hui de si nombreuses applications, et, d’autre part, comme résidu, le coke.
Chaleur de combustion de la houille. — MM. Schcurer-Kestner et Ch. Meunier ont publié d’intéressantes recherches sur la chaleur développée par la combustion de la houille {Ann. de phys. et de chimie, ¥ série, t. XXI, p. 456 ; Bulletin de la Société industrielle de Mulhouse, 1869). Ces expériences ont été effectuées dans le calorimètre à combustions vives de Favre et Silbermann. La combustion de la houille présente certaines difficultés. MM. Scheurer-Kestner et Meunier insistent d’abord sur la néeessité de se procurer un échantillon moven représentant réellement le combustible étudié. Ce point a une grande importance dans leurs essais, où la quantité de matière brûlée est faible. La houille brûle dans l’oxygène, difficilement si le courant est lent, et trop vite si l’on emploie une forte quantité d’oxygène pur ; dans ce cas la chaleur produite met en liberté une partie des carbures de la houille qui s’échappent ou brûlent incomplètement : de bons résultats ont été obtenus avee un courant rapide d’oxygène renfermant 40 pour 100 d’azote; on a brûlé environ 1/2 gramme de matière. La combustion n’est jamais totale et il reste du coke don oxydé. Pour pouvoir évaluer les cendres et le coke
CARBONE
échappé à la combustion, la matière était placée dans une capsule de platine reliée par trois fils à un tube de platine s’adaptant par le haut au bouchon de la chambre à combustion, et conduisant l’oxygène au centre de la capsule par l’intermédiaire du chalumeau ordinaire de l’appareil.
L’allumage est déterminé par une parcelle de charbon de bois pesant 1 milligramme. Le gaz carbonique formé est dirigé dans un tube à potasse liquide, et à travers trois tubes à chaux sodée. La pesée de la capsule après l’expérience permet de connaître la somme des cendres et du coke non brûlé; en calcinant do nouveau à l’air, on a par une nouvelle pesée le poids des cendres seules.
Les chaleurs de combustion trouvées sont peut-être trop faibles d’une petite quantité, car un peu de houille peut n’avoir pas été brûlé, et rester mélangé au coke.
Il se produit toujours dans ces combustions une certaine dose d’oxyde de carbone (2 à 5 pour 100 du poids du carbone) ; on en tient compte en faisant passer les gaz dans un tube à oxyde de cuivre disposé à la suite des appareils absorbants, comme pour une combustion de matière organique. MM. Scheurer-Kestner et Meunier résument leurs expériences dans un tableau dont nous empruntons quelques chiffres, rapportés à 1 gramme de houille, défalcation faite du poids des cendres et de l’humidité.
Chaleur de combustion
Observée.
Calculée.
Cal.
Cal.
Houille de Ronchamp.
Houille de Saaibruck.
Houille de BKinzy.
— du Creuzot.
La seconde colonne renferme la chaleur de combustion calculée d’après les quantités relatives de carbone et d’hydrogène, mais en déduisant une quantité d’hydrogène équivalente .à l’oxygène que renferme la houille. On voit donc que la chaleur de combustion observée est supérieure de -4 à 8 pour 100 à celle que donne le calcul d’après les éléments. C’est là un fait constant pour toutes les houilles étudiées ; il on résulte ce fait intéressant que la houille serait un composé formé avec absorption de chaleur. L’influence de l’azote, si l’on admettait qu’il fût combiné dans la houille à l’état de combinaisons exothermiques telles que le cyanogène, ne suffit point pour expliquer l’excès observé dans la chaleur de combustion.
MM. Scheurer-Kestner et Meunier pensent, d’après ces résultats, que la composition élémentaire d’une houille n’est point une donnée suffisante pour apprécier sa valeur comme combustible. Toutefois on arrive à une approximation généralement assez précise en admettant que le carbone fixe dégagera 8*^“', 70 par gramme et
le carbone des hydrocarbures ce qui revient à augmenter de 9 cal.pour 100
la chaleur de combustion du carbone contenue dans le coke.
Recherches sur la formation de la houille. — On doit à M. Fremy d’intéressantes recherches sur la formation des combustibles fossile {Comptes rendus, t. LXXXVIII, p. 1048). Conduit à penser que la transformation houillère s’est produite sous la double influence de la chaleur et de la pression, M. Fremy a chauffé pendant de longues heures, en tuhes scellés, entre 200 et 300 degrés, les tissus des végétaux d’une part, et de l'autre les substances qui les accompagnent dans l’organisation. 11 a constaté que les tissus à base de cellulose et de vasculosc, et ceux à base de cutose, deviennent, dans ces conditions, noirs, cassants, dégagent de l’eau, des acides, des gaz et des goudrons; cependant l’organisation première est conservée, la matière n’a pas subi de fusion et le résidu fixe ainsi obtenu n’a point de ressemblance avec la houille. Au contraire, les diverses substances produites par l’organisme, telles que les sucres, l’amidon, les gommes, la chlorophylle, fournissent des résultats tout opposés; ces matières laissent uii résidu noir, brillant, souvent fondu, et absolument insoluble dans les dissolvants neutres, acides ou alcalins. Par la chaleur, ces résidus, que M. Fremy désigne sous le nom de substances houillères, se comportent en effet comme la houille, dégagent du gaz, des goudrons et laissent un coke dur comparable à celui de la houille. L’analyse confirme ces rapprochements :
Carbone,
Hydrogène.
Oxygène.
Houille du sucre ....
— de l’amidon . . .
— de la gomme. . .
Les acides ulmiques sont également transformés en substances houillères avec le concours de la chaleur et de la pression, que ces acides proviennent soit de la tourbe soit de la vasculose. L’acide saccharhumique conduit aux mêmes résultats. L’acide ulmique de la vasculose, remarquable par sa fusibilité, peut rendre compte de la production des houilles grasses et fusibles, si l’on admet, comme le pense M. Fremy, qu’il a pris naissance avant la transformation houillère finale.
En résumé, ces recherches montrent que les principaux corps contenus dans les cellules des végétaux, se changent dans les conditions indiquées en matières présentant la plus grande analogie avec la houille naturelle ; que les acides ulmiques de la tourbe et les acides ulmiques préparés artificiellement subissent la même transformation; que les matières colorantes (chlorophylle), résineuses et grasses extraites des feuilles, se changent en corps se rapprochant des bitumes ; enfin qu’il est logique d’admettre que les végétaux producteurs de la houille ont subi d’abord la fermentation tourbeuse, qui a détruit toute organisation végétale, et se sont ultérieurement transformés en houille aux dépens de la tourbe, sous la double influence de la chaleur et de la pression.
Gaz de la houille. — Les gaz renfermés dans la houille ont été l’objet d’une étude approfondie, de la part de E. von Meyer (J. f. Prakt. Chem. (21, V, 144 ; V, 407; VI, 509). Ces gaz peuvent être extraits en introduisant un poids connu de houille
CARBONE
dans une fiole entièrement remplie d’eau privée d’air. On fait bouillir et on recueille les gaz ainsi dégagés. Généralement la composition de ces produits rappelle celle des gaz qui se dégagent dans les mines, et consiste en acide carbonique, gaz des marais, oxygène et azote. Lorsque l’échantillon a longtemps subi le contact de l'air, la proportion de gaz extraite est plus faible. Pour la houille récemment recueillie, le volume atteint 25 cent. c. à 55 cent. c. par 100 grammes. Voici les chiffres fournis par quelques-unes des analyses :
Az.
CSRi. '
Traces.
tl,12
La diminution résultant de l’exposition à Pair porte principalement sur le gaz des marais. Une élévation de température de 50“ détermine aussi la disparition presque totale du gaz des marais, probablement à cause de la grande diffusibilité de ce gaz.
Les houilles riches en sulfure de fer produisent des gaz exempts de gaz des marais, et contenant au contraire beaucoup d’acide carbonique.
Ces résultats ont été observés sur des charbons allemands (Zwickau, Westphalie). Certaines houilles anglaises (Durham) renferment une bien plus grande quantité de gaz, jusqu’à 258 cent. c. pour 100 grammes. En admettant la densité 1,5, on voit que ces variétés contiendraient environ 5 fois leur volume de gaz.
5. Lignite. — Citons encore, parmi les matières naturelles riches en carbone, le lignite, minéral noir, analogue à la houille, quelquefois fibreux, et conservant les caractères, la structure et le tissu du bois qui lui a donné naissance. Les débris végétanx fossiles qui l’accompagnent appartiennent à des plantes dicotylédones. Les terrains où il se rencontre sont postérieurs au terrain houiller; c’est un charbon fossile de formation plus récente que la houille.
La couleur du lignite est d’un noir foncé brillant, quelquefois brune. La dureté est comprise entre 1 et 2 ; la densité est 1,2 environ. Il existe une variété très dure et compacte, douée d’un vif éclat métallique, appelée jayet, dont a fait usage comme objet d’ornement. La terre d'ombre, employée comme couleur, est un lignite léger, terreux, ne contenant que peu de carbone (57 pour 100). Certains lignites renferment de la pyrite et de l’argile; ils sont utilisés pour la fabrication du sulfate de fer et du sulfate d’alumine.
La composition du lignite est assez variable : de 55 à 75 pour 100 de carbone, de 2,5 à 5,5 d’hydrogène, de 19 à 50 d’oxygène et d’azote, et 1 à 5,5 de cendres; quelquefois le poids des cendres s’élève à 15 et 20 pour 100 (lignites des Bouches-du-Rhône et des Basses-Alpes). Il est en outre hygroscopique et peut retenir jusqu’à 20 pour 100 d’eau.
Il s’enflamme aisément, brûle avec production de fumée noire, en perdant de l’eau, de l’oxyde de carbone, de l’acide carbonique, de l’acide acétique, des matières bitumineuses, et laisse pour résidu un coke brillant.
La chaleur de combustion du lignite, étudiée par MM. Scheurer-Kestner et Meunier, a fourni les chiffres suivants :
Ch. de combustion.
Ch. de combustion calculée d’après le carbone
l’hydrogène.
Cal.
Cal.
Lignite de Fadeau.
— de Manosque.
— dur de Manosque.
— de Bohême.
— de Bohême (bois fossile).
Ce tableau met en évidence ce fait intéressant, que dans les lignites, contrairement à ce qui arrive avec la houille, la chaleur de combustion observée est moindre que la chaleur de combustion calculée d’après les quantités de chaleur qui seraient dégagées par les proportions de carbone et d’hydrogène contenus : la valeur comme combustible d’un lignite ne peut être déduite de son analyse quantitative : c’est ce qui arrive aussi, comme nous l’avons dit, pour la houille.
Le gaz qui se dégage dans les mines de lignite consiste principalement en acide carbonique ; on n’y trouve point de gaz des marais (Kolb et Litowitsch, J. f. pr. Chem. (2), VI, 79). L’analyse du gaz contenu dans le lignite de Bohême conduit aux nombres qui suivent :
Az.
Le lignite de Tranthal, fondu avec trois fois son poids de potasse, fournit un sublimé de pyrocatéchine (Schinnerer et Morawski, Deutsch. Chem. Ges., V, p. 185). Cette réaction ne se produit pas quand la matière a été préalablement épuisée par l’éther. Les lignites d’ancienne formation, qui n’ont pas conservé la structure du bois, ne présentent pas cette réaction.
