今天上午超哥
给我转发了一个关于煤的问题，让我帮忙分析一下：hello，你学煤化工，煤的主要化学成分是木质素、纤维素和蜡等有机物的混合物。上面这句话对吗？我是学煤化工的，看到这个关于煤的描述我大吃一惊，觉得很有必要科普一下煤化工相关的知识，因此我把我的回复整理成了这篇短文，也期待各位读者批评指正。
我国的能源资源的情况是富煤、贫油、少气，在很长的一段时间内，我国还会以煤做为主要的能源物质。就目前来看，我身边很多人只知道煤是地里面挖出来的一块黑黑的玩意儿，甚至有一些人还会以为煤和我们烧的木炭是差不多的物质。
言归正传，以下是我
的回复：按照知乎传统，先看对不对，再看是什么。
1、先看对不对。显然这个回答描述是不严谨的，并且存在错误。煤里面是不含木质素和纤维素的，虽然煤的初始形态是远古时期的成煤植物，但是这些植物经历了一系列的生化过程、地质变化过程，这类物质早就发生了变化。当然现在有一种迷糊地带的“煤”，叫做泥炭，它是植物向煤转变的过渡产物，水分含量很高，比较软，外观富含未分解的植物组织，例如茎、叶等残留物，在这些组织中可能会含有木质素、纤维素的成分。但是现在业界的共识是：泥炭严格来说并不是煤。另外，煤里面并不存在蜡，蜡是高级烷烃的混合物，来源于原油的一种重质馏分，在动植物也可以产生。此外，煤里面还包含了一些矿物质等无机物成分，它不仅仅是有机物的混合物。综上，这段描述也就最后部分是相对正确的。“煤是混合物。”
2、再看是什么。解决这个问题，要看煤是怎样形成的，约4亿年前起，高等植物新种群出现与繁茂时期，即出现相应的成煤期。高等植物的有机族组成在不同程度上以不同的形式参与成煤。煤主要分为腐殖煤与腐泥煤，前者含量是最多的。前者由于成煤年限（煤化度Rank）的不同可以粗分为褐煤、烟煤、无烟煤。
再回到这个问题本身，“纤维素”“木质素”，这两个物质是成煤的较为关键的物质，可以把它理解成为形成煤的原料。从化学的观点看，植物的有机族组成可以分为四类，即糖类及其衍生物（包含问题中的纤维素）、木质素、蛋白质和脂类化合物。
纤维素及其成煤过程：
纤维素在生长着的植物体内很稳定，但植物死亡后，需氧细菌通过纤维素水解酶的催化作用可将纤维素水解为单糖，后者进一步氧化则分解为 CO2CO_2 和 H2OH_2O ，即：
当环境缺氧时，厌氧细菌使纤维素发酵生成CH4，CO2，C3H7COOH和CH3COOH等。无论是水解产物还是发酵产物，它们都可与植物的其他分解产物缩合形成更复杂的物质参与成煤，或成为微生物的营养来源。
木质素及其成煤过程：
木质素主要分布在高等植物的细胞壁中，包围着纤维素并填满其间隙，以增强茎部的坚固性。木质素是具有芳香结构的化合物，它的结构复杂，至今还不能用一个结构式来表示。但已知它具有一个芳香核，带有侧链，包括甲氧基、羟基、醚键、醛基等多种官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，因而比纤维素稳定，不易水解。但在多氧的情况下，经微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸。
此外植物里面还有蛋白质以及脂质可以参与成煤，其过程在此不再概述。
植物的煤化过程相当复杂，这里面会涉及到泥炭化、煤化阶段两个主要的过程。泥炭化包括凝胶化作用与丝炭化作用。当始于泥炭被泥沙沉积物覆盖，生化作用逐渐停止，开始煤化，地质化学作用逐渐增强。分为成岩作用和变质作用两个阶段。简而言之，植物的成煤过程一来和植物本身的组成有关系、二来成煤环境的地质影响也非常重要，这两者缺一不可。
煤的化学结构：
为了更好地描述煤到底是什么，各国科学家早已经提出了各种模型，借助更加先进的仪器分析手段，人们对煤的结构有了更深入的了解。
二战前，以化学研究方法为主，仅获得一些定性的概念，对煤的化学结构的认知比较肤浅，可用于建模的定量数据很少。
一、Fuchs模型（1957）
采用“统计结构解析”方法，是第一次突破。定量描述了煤结构中的芳香族与脂肪族结构，并首次引用X射线和红外光谱的结果来证明其结论。煤的化学特点是具有很大的蜂窝状缩合芳香环。但是比较片面，不能全面反映煤结构的特征。
二、Given模型（1960）
首次提出煤具有三维空间结构，年轻烟煤主要是萘环以脂环互联，分子线性排列，构成折叠状的无序的三维空间大分子。但是缩合芳环少，无醚键，无含硫结构。
三、Wiser模型（1975，USA）
Wiser引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键，较合理、全面。
四、Shinn模型（1984）
以烟煤为对象，芳环或氢化芳环由较短的脂链和键相连，形成大分子聚集体，相对分子量10023，结构单元分子量285~1250，受液化过程中溶剂作用的影响，未表示出低分子化合物。
五、本田模型
考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲为主，由较长的次甲基键相连接；但没有考虑氮和硫的结构。
此外，还有反应煤的物理结构模型以及煤的综合模型（同时考虑煤的化学结构和空间结构），包括Hirsch模型（1954）、两相模型Given（1986）、Oberlin模型（1989年）、球（Sphere）模型（1990年）等，在此不再概述。
关于煤的化学结构还有过多种假说，例如低分子结构说、胶体化学结构说、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。煤的化学结构是高度交联的非晶质大分子空间网络，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。
遗憾的是！尽管每一模型都有相关实验证据的有力支持，但没有一种模型可以解释所有的实验现象。也许对于煤这种复杂物质，也不存在这样一种模型对于从一开始煤科学就面临的问题，仍然不能给出确切的答案。虽然“标准”或“公认”的模型仍把煤认为是共价交联的大分子网络结构，煤交联键的本质仍然是引起争论的问题！
如果还想了解煤化学的更多知识，我推荐一本我导师参编的《煤化学》[1]，比较系统化地整理了煤的化学形成、结构、表征和应用等，很好用。
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