석탄 (石炭 coal)단어장에 추가

요약: 식물이 땅속에 매몰되어 장기간 물리적·화학적 작용을 받아 생긴, 주로 탄소질로 이루어진 암석 모양의 가연성 물질.
설명: 식물이 땅속에 매몰되어 장기간 물리적·화학적 작용을 받아 생긴, 주로 탄소질로 이루어진 암석 모양의 가연성 물질. 석유와 함께 대표적인 화석연료이며, 현재는 에너지원으로서뿐만 아니라 화학공업상 유용한 각종 탄화수소원으로서의 이용이 연구, 개발되고 있다.

석탄이용의 역사
석탄이 연료로 사용되었다는 기록은 BC 315년에 아리스토텔레스의 제자 테오프라스토스가 쓴 《돌에 관하여》의 내용 중 ＜북이탈리아의 리구리아지방과 그리스의 엘리스에서 채굴한 석탄을 대장간의 연료로 사용하고 있다＞고 한 데서 볼 수 있다. 당시에는 석탄을 anthrax라고 했는데, 이것이 오늘날 anthra-cite(무연탄)의 어원이다.

세계
영국에서는 5세기 무렵부터 상업적인 석탄채굴이 시작된 듯하며, 12∼13세기 무렵 제철·단야(鍛冶)·양조·염색·도자기·유리·벽돌 등의 공업에 쓰이는 연료가 심각하게 부족해지자 본격적인 채탄이 시작되었다. 철 1t을 만드는 데 24ft³의 목재가 필요하여 당시 유럽의 대삼림까지도 벌거숭이가 되었다. 그리하여 1600년 영국의 석탄생산량은 연간 100만t에 달하였다. 1735년 A. 더비가 처음으로 코크스를 이용하는 제철에 성공함으로써, 그 때부터 석탄생산량이 비약적으로 증가하였다. 1769년 J. 와트의 증기기관 발명과 함께 영국에 산업혁명이 일어나 동력자원으로서의 석탄의 역할이 크게 확대되었고, 코크스제조의 부산물인 건류가스는 가스 등의 연료로서 당시의 대도시를 낭만적인 분위기에 휩싸이게 했다. 그 뒤 석탄가스는 발생로가스·수성가스로 변환되어 20세기 전반의 도시가스로서 공급되었다. 한편 코크스제조의 또 하나의 부산물인 타르(콜타르)는 처음에는 불필요한 물건으로 취급되었으나, 그에 대한 분석이 진전됨에 따라 방향족화합물이라는 중요한 유기물이 발견되고, 독일의 화학자 F.A. 케쿨레가 1865년에 벤젠의 구조식을 제안하는 등, 유기화학의 획기적인 발전을 이루었다. 그 중에서도 특히 염료의 합성으로, 그때까지 천연상태에서만 얻을 수 있었던 유기화합물을 합성이라는 방법으로 제조하는 유기합성화학의 큰 발전을 이루게 되었다. 내연기관의 발달에 따라 그 연료인 가솔린 등의 수요가 늘었지만, 당시에는 석유자원이 조금 밖에 없었다. 특히 독일에서는 국내에서 석유가 생산되지 않았으며, 또 A. 히틀러의 등장에 따른 국방상의 요청에 의해 석탄액화공업이 발달하여, 제2차세계대전이 끝날 무렵에는 석탄의 연간생산량이 400만t에 이르렀다. 이 밖에 석탄을 가스화하여 일산화탄소와 수소로 나누고, 이것을 다시 피셔-트로프슈법으로 합성하여 탄화수소유(인조석유)를 만드는 공업도 발달하였다. 이 무렵에는 전력도 대부분 수력과 석탄화력에 의해 공급되었다. 즉 이 무렵까지는 석탄이 에너지 공급의 주역이었고, 유기화학공업도 석탄화학공업이라고 해도 좋을 정도였다. 제2차세계대전 후에는 사정이 달라졌다. 중동에서 대유전의 발견과 함께 편리한 석유가 싼값으로 공급되자, 취급이 불편한 석탄은 급속히 석유로 대체되었다. 1973년까지는 석유가 지배하는 시대였으나, 1973년 중동 여러 나라의 결속으로 제1차 석유파동이 일어나자 대체에너지원을 찾기 시작했다. 각국이 에너지원을 다시 상대적으로 값이 싼 석탄으로 전환시키려고 한 것은 1980년대 이후의 경향이다.

한국
한국에서 석탄에 대한 기록으로 추측되는 것은 609년(신라 진평왕 31)에 ＜모지악(毛只嶽)에서 동토함산지(東吐含山址)가 불탔다＞는 기록이 있다. 모지악의 현재 지명은 분명하지 않지만 동토함산지는 현재의 경상북도 포항시(浦項市)의 갈탄지역일 것으로 짐작된다. 또한 1180년(고려 명종 10)에 평양 관원이 조정에 보고한 내용 중 ＜의연촌(衣淵村)에 땅이 불타서 연기가 끊이지 않는다＞는 기록이 보이며, 이때 땅이 불탔다는 것은 석탄이 탄 것이라고 생각된다. 조선 말기에 궁내부(宮內府) 내장원(內藏院) 소유의 광산 51개소 중 석탄생산지로 표시된 광산이 12개로 나타나 있는데, 이 중 다른 광물을 중복 생산하지 않는 순수탄광은 강원도 삼척(三陟)과 경기도 김포(金浦)의 통진(通津) 2곳뿐이었다. 그러나 한국에서 석탄을 사용한 시기는 내장원의 기록보다 훨씬 오래전으로 추정되는데 늦어도 17세기 무렵부터이며, 처음에는 불이 잘 타는 갈탄의 분포지역 주민들이 겨울철 연료로 사용하기 시작했을 것이다. 그 후 1900년 무렵에 외국 자본과 기술에 의해 국내의 석탄이 채굴되었다는 기록이 있으며, 일제강점기에는 석탄채굴이 본격화되었다. 광복 후 한동안 침체되었으나, 산림보호정책의 시행으로 일반 가정용 연료가 나무에서 연탄으로 바뀌자 1950년대 중반부터 무연탄 생산이 급증하였다. 1960년대 이후 몇 차례의 경제개발계획에 따른 수요 증대와 석유파동으로 인하여 석탄생산이 증가되었다.

석탄이란 무엇인가
석탄은 옛날부터 이용되어 왔으나 그 성인(成因)·구조 등이 밝혀진 것은 최근 50여 년 동안의 연구 성과이다.

매장량
석탄은 전세계에서 거의 보편적으로 산출되지만 특히 매장량이 많은 곳은 북아메리카·러시아·중국 등이다. 세계의 석탄매장량은 〔표 1〕과 같다. 한국의 경우 총매장량은 약 15억t이며 가채매장량은 7억∼8억t 정도이다. 〔표 1〕에서 보듯이 세계 전체의 매장량은 10조t이나 되지만 가채매장량은 5000억t 정도이다. 그러나 이것만으로도 연간채굴량을 20억t이라고 볼 때 약 300년간의 수요를 충당할 수 있는 양이다. 이 가운데 유라시아대륙·오스트레일리아에서 산출되는 석탄의 대부분은 고생대·중생대에 퇴적된 것으로, 석탄화가 진행된 역청탄(瀝靑炭)이 많다. 유라시아대륙·오스트레일리아에는 또한 제3기에 퇴적된 갈탄·아탄(亞炭)의 양도 방대하다. 한국의 주요 석탄층은 석탄기 다음 시대인 페름기에 생성된 것들로, 생성된 이래 수차례에 걸친 지각변동 및 이에 따른 화성탄(火成炭)의 분출로 인하여 많은 변화를 받아 왔다. 반흑연화(半黑鉛化) 내지 흑연화가 되어 있으며 지층의 질서도 큰 혼란을 일으켜 탄층의 주향·경사·탄폭(炭幅)에 변화가 많았다. 탄전은 옛날부터 전국적으로 분포했으며, 현재 주요 탄전은 삼척·정선·문경·단양·영월·화순·보은탄전 등이다. 한국의 1990년 석탄생산량은 1721만 7000t이었다.

성인
석탄을 현미경으로 보면 식물의 세포조직·화분·포자 등이 관찰되고, 때로는 고대식물의 화석도 발견되는 것으로 보아 식물로부터 생성된 것이 틀림없다. 단지 그 근원 식물은 연대에 따라 다르다. 고생대 데본기(4억 1600만년전부터 3억 6700만년 전까지)·석탄기(데본기이후부터 2억 8900만년 전까지)·페름기(석탄기 이후부터 2억 4700만년 전까지), 중생대 트라이아스기(페름기 이후부터 2억 1200만년 전까지)·쥐라기(트라이아스기 이후부터 1억 4300만년 전까지)·백악기(쥐라기 이후부터 6500만년 전까지)에는 현화식물(顯花植物)은 아직 출현하지 않았고 노목(蘆木；속새류)·인목(鱗木)·봉인목(封印木；석송류) 등과 같은 양치류·석창포류·속새류가 주된 식물이었다. 이러한 식물들은 현재보다 고온다습하고 또 이산화탄소의 농도가 높은 환경에서 충분히 성장하여, 화석으로 추정해 보면 줄기의 지름이 1m 이상, 높이 20∼30m인 큰 나무로서 대삼림을 형성하였던 것 같다. 신생대 고제3기(중생대 백악기 이후부터 2400만년 전까지)가 되면 이와 같은 포자식물은 점차 쇠퇴하고, 오늘날 볼 수 있는 세쿼이아·메타세쿼이아 등 송백류(松柏類), 포플러·플라타너스·느릅나무·느티나무·박쥐나무·단풍나무와 같은 겉씨식물 등의 침엽수·활엽수인 현화식물이 번성하게 되어, 이러한 것이 석탄의 기원이 되었다. 이 밖에도 물속의 조류(藻類)가 기원일 것으로 추정되는 촉탄(燭炭, cannel coal；기름성분이 많고 밝게 촛불처럼 타는 석탄)이 극히 예외적으로 산출된다. 이러한 대삼림 중 습지대에서 자란 것은 쓰러져도 물속에 퇴적되어, 미생물에 의한 생화학적 분해가 이루어지지 않고 축적이 진행된다(現地性堆積). 한편 홍수 등에 의해 떠밀려 와서 호수·해안 등지의 물속에 퇴적된 것을 유적성퇴적(流積性堆積)이라고 한다. 이렇게 해서 퇴적된 식물은 처음에는 미생물의 작용을 받는다. 공기 중에서는 호기성균의 작용이 심하여 산화분해를 받아서 비교적 단시간에 거의 완전히 분해되지만 물속에서는 혐기성균이 작용하고 그 작용은 약하며 환원적으로 작용하기 때문에 식물체의 많은 부분이 그대로 남게 된다. 퇴적된 식물층이 점차 침강하고, 그 위에 곧 토사가 퇴적되어 식물층은 차차 땅속 깊이 매몰되어 간다. 일반적으로 땅속의 온도 상승은 100m당 3∼5℃이기 때문에, 깊이 매몰될수록 고온을 받게 되어 열분해반응이 진행된다. 실험실에서 열분해를 할 경우에는 단시간에 반응을 끝내도록 하기 위해 꽤 높은 온도가 필요하지만, 지질연대처럼 그 시간이 매우 길면 온도가 낮아도 반응은 차차 진행된다. 실험실의 열분해와 다른 또 한 가지는, 실험실에서는 분해생성물 가운데 끓는점이 낮은 것은 가스·타르 등이 되어 반응계 밖으로 빠져 나가서 그 이상 반응에 관여하지 않는데, 석탄화의 경우는 온도가 낮고 위아래에 암석층이 존재하기 때문에 생성가스나 끓는점이 낮은 물질 등이 그대로 반응계 속에 갇히게 되어 이것이 다시 반응을 일으키는 것이다. 이렇게 해서 석탄화가 진행되는데 원래의 식물상(植物相)의 차이, 초기 생화학적 변화의 차이, 땅속온도와 경과시간의 차이 등에 따라 여러 가지 석탄이 생성되었다.

분류
석탄화반응은 열분해반응이고, 열분해반응은 탄소의 축적반응이며 최종적으로는 흑연이 되는 것이기 때문에 과학적 연구에서는 탄소％로써 석탄화의 단계를 나타낸다. 이제까지의 명칭과 탄소％를 대응시켜 〔표 2〕에 나타내었는데, 이것은 편의적인 것일 뿐 엄밀한 것은 아니다. 〔표 3〕은 주로 국제간 상거래의 필요성 때문에 만들어진 국제분류표이다. 이것은 휘발분을 기초로 하여 일단 분류하고, 휘발분33％ 이상은 발열량으로 분류하여 이와 같이 얻어진 각 분류를 다시 〔표 4〕에 나타낸 점결성지수(粘結性指數)로 분류하는 방법이다. 〔표 5〕에 국제석탄분류법과 각국의 석탄분류법을 비교하여 나타내었다. 한국의 경우는 무연탄만 생산한다. 이 밖에 한랭지에서 풀이 습지대에 퇴적되어 생기는 토탄(土炭, peat), 조류에서 생성되었다고 생각되는 촉탄, 땅속의 마그마가 탄층으로 관입하여 급속히 땅속에서 전류되어 생성된 천연코크스라고도 할 수 있는 선석(煽石) 등이 있다. 각종 석탄의 명칭에 관해서는 이 밖에 반역청탄·고도역청탄·저도역청탄·흑갈탄 등 일정하지 않으며, 명칭보다는 성질에 의한 분류가 중요하다.

조직성분
석탄을 육안으로 보면 일반적으로 줄무늬모양의 조직으로 보이지만, 현미경으로 관찰하면 미세한 조직성분이 혼재되어 있음을 알 수 있다. 암석조직학을 기초로 하여 이러한 조직성분을 분류하는 것이 석탄조직학(coal petrography 또는 petrology)이다. 화강암이 석영·장석·운모의 3가지 미세결정으로 구성되어 있는 것처럼, 석탄도 〔표 6〕에서와 같이 많은 미세조직성분(maceral)으로 구성되어 있다. 이들 미세조직성분은 석탄 속의 현미경적 구별에 불과하며, 어떤 석탄이든, 예컨대 비트리나이트(Vitrinite)라고 해서 모두 같은 것이 아니라, 석탄화에 의하여 화학적 성질이 변화된다. 즉 어떤 조직성분이건 석탄화가 진행되면 탄소%는 증가한다. 개개 석탄의 미세조직성분간에는 큰 성상(性狀)의 차이가 있는데, 엑시나이트(Exinite)는 탄소%가 가장 낮고 수소%가 높으며 용제에 녹기 쉽다. 또 타르의 발생량이 크고, 가열했을 때 가장 액체상으로 변하기 쉽다. 푸지나이트(Fusinite)는 반대로 탄소%가 가장 높고 용제에는 거의 녹지 않으며 그 밖의 화학반응성도 아주 낮다. 푸지나이트가 속하는 군(群)인 이너티나이트(Inertinite)가 원래 비활성이라는 뜻을 지니고 있는 것도 이러한 특성에서 유래한다. 석탄 전체의 여러 가지 복잡한 성질은 이러한 미세조직의 혼합비율에 따라 크게 좌우된다. 예를 들면 이너티나이트의 함유비율이 많으면 가열했을 때의 녹는 정도, 즉 유동도가 낮아져 고압수소첨가액화의 경우에도 이너티나이트는 거의 액화되지 않으므로 전체의 액화율은 낮아진다. 따라서 개개 석탄의 미세조직성분 비율을 아는 것이 석탄을 실제로 응용하는 데 있어 중요하다.

석탄의 분석
석탄은 매우 불균일한 천연산물이기 때문에 석탄의 평균적인 성상을 분석하기 위해서는 먼저 전체를 대표할 만한 시료를 채취해야 한다. 채취한 시료는 실제로 분석하는 데 소용되는 양이 되도록 나누어야 하는데, 이분기(二分器)·회전축분기(回轉縮分器) 등 여러 가지 방법을 사용하여 시료가 가급적 균일하게 나누어지도록 해야 한다. 그 한 예를 〔그림 1〕에 나타냈다. 이렇게 하여 균일시료가 약 180g이 된 단계에서, 전량을 250㎛ 이하가 되게 분쇄한 뒤 잘 혼합하여 기건시료(氣乾試料；실온의 공기 중에 방치하여 평형에 도달한 시료)로 만든다. 기건시료를 포화식염용액을 담은 항습기(恒濕器) 속에 방치하여 조제된 시료를 항습시료(恒顯試料)라고 한다. 석탄의 분석은 공업분석과 원소분석으로 크게 나뉜다.

공업분석
공업분석에는 다음과 같은 항목이 있다.

① 수분: 항습시료 약 1g을 107±2℃의 전기로 속에서 1시간 건조시켰을 때의 감량%

② 휘발분: 항습시료 약 1g을 뚜껑을 덮은 백금도가니에 넣고, 900±20℃의 전기로 속에서 7분간 급열(急熱)했을 때의 감량 %에서 수분%를 뺀 값

③ 회분(灰分): 항습시료 약 1g을 공기 중에서 815℃로 가열하여 회화(灰化)했을 때의 잔류분%

④ 고정탄소: 100%에서 수분·회분·휘발분%를 뺀 것

⑤ 발열량: 항습시료 약 1g을 열량계 속에서 연소시켰을 때 발생하는 열량을 총발열량 또는 고발열량(高發熱量)이라고 한다. 여기에는 함유수분, 석탄 속의 수소가 연소하여 생성된 수분의 응축열이 포함되어 있기 때문에 그만큼 높은 값을 나타낸다. 실제 연소 때의 발열량은 이 값을 보정한 것으로 이것을 진발열량(眞發熱量) 또는 저발열량이라고 하며, 다음 식으로 계산한다.

여기에서 h는 수소%, 는 수분%이다.

⑥ 황: 에슈카법과 연소용량법으로 측정한다. 에슈카법은 항습시료 약 1g을 에슈카혼합제(산화마그네슘 65%, 탄산나트륨무수물 35%를 혼합한 흰색 분말) 2.5g과 잘 섞고, 그 상부를 에슈카혼합물제 1g으로 덮은 것을 공기 중에서 800±25℃로 가열하여 시료 중의 황을 황산염이 되게 하고, 염산으로 추출하여 황산바륨으로 만들어 정량한다. 연소용량법은 항습시료 0.25~1g을 1350℃의 연소관 속에서 1분당 800㎖의 산소가스와 함께 가열하여 황을 이산화황으로 변화시키고, 이것을 1%과산화수소수에 통과시켜 황산으로 만들어 수산화나트륨으로 적정하는 것이다.

원소분석
원소분석은 일반적인 유기물질의 원소분석과 마찬가지이다. 다만 석탄은 매우 불균일하기 때문에 마이크로분석은 적합하지 않다. 보통 매크로 또는 세미매크로의 규모로 시행하며, 탄소·수소·질소·황을 정량하고, 산소는 100％부터의 차(差)로서 산출한다. 최근에는 산소의 직접정량법도 종종 시행된다. 앞에서 본 것 외에도 제철 때 코크스에 인이 함유되면 좋지 않으므로 인의 분석도 시행된다. 이것은 항습시료를 815±10℃로 회화(灰化)시켜, 그것을 0.1∼1g 취해서 10배의 융해혼합제(탄산나트륨무수물과 탄산칼륨무수물을 1:2로 혼합한 것)로 융해시킨 뒤, 융해물을 온수 및 염산으로 용해시켜 규산을 제거하고, 암모니아를 첨가해서 수산화물을 침전시켜 이것을 질산에 용해시키고, 인을 인몰리브덴산암모늄으로서 침전시킨다. 이 침전을 1/10N수산화나트륨에 용해시켜 질산으로 적정하여 정량한다.

재의 분석
보통은 고온에서 산소로 태운 다음 남은 재를 원자흡광분석 등으로 분석하는데, 이것은 실제로 석탄에 함유되어 있는 광물의 형태가 아니며, 실제로 함유되어 있는 광물을 조사하려면 200℃ 전후에서 산소플라스마를 사용하여 유기물을 제거하고, 잔존물에 대해 X선분석을 실시하여야 한다. 그 결과 얻어지는 무기성분으로는 점토광물이 많다. 황철석(pyrite)을 다량 함유하는 석탄도 있다.

석탄 코크스 시험법
대부분의 시험법은 코크스제조와 관련된 것이다.

하드글러브분쇄성시험
입자를 골라 분쇄해서 체로 친 시료 50g을 시험기에 넣고, 8개의 볼과 함께 60회 회전시킨 뒤, 74㎛체로 친다. 체 아래 떨어진 것의 중량 로부터 다음 식에 의해 지수를 산출한다.
하드글러브지수=13＋6.93

도가니시험
기건시료 1g을 석영도가니에 넣고 뚜껑을 닫아 전기로에서 일정 조건 아래 가열, 생성된 남은 석탄의 형상을 표준윤곽과 비교하여 지수를 산출한다.

기세라유동도시험
420㎛ 이하가 되게 분쇄한 시료 200g을 시험기도가니에 넣고, 그 속에 토크를 건 프로펠러를 묻는다. 일정한 속도로 온도를 올리면서 가열했을 때 프로펠러의 회전속도를 기록하고, 1분 마다의 눈금 분할(DDPM)로 회전속도를 표시한다. 프로펠러가 회전을 시작하여 1DDPM에 도달했을 때를 연화개시온도(軟化開始溫度)라 하고, 최고에 도달했을 때의 유동도를 최고유동도, 다시 움직이지 않게 되는 온도를 고화온도라고 한다.

재의 녹는점 시험
석탄을 회화하여 물 또는 덱스트린 10％용액으로 반죽하고 삼각뿔 틀에 넣어서 삼각뿔로 성형한 뒤, 전기로에서 일정하게 온도를 올리면서 가열한다. 삼각뿔이 반구(半球)모양으로 변했을 때의 온도를 재의 녹는점으로 본다. 가스화할 때, 온도가 낮을 경우에는 재가 고체상태의 가루로 추출되고, 온도가 매우 높은 가스화방식일 경우에는 슬래그상태로 추출된다. 그러나 그 중간 온도에서는 재가 소결(燒結)되어 전기로 속에서 굳은 덩어리(클링커)가 되거나, 전기로 벽에 부착되어 달려 있게 된다. 재의 녹는점에 따라서 선택할 가스화로의 종류와 가스화의 조건이 결정되기 때문에, 재의 녹는점은 중요한 물성값의 하나라고 할 수 있다.

석탄의 구조
석탄은 피리딘에 수％에서 30％정도까지 녹으며, 가장 잘 녹는 것은 탄소함유율이 85∼88％인 역청탄이다. 또 석탄을 알코올과 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 함께 300℃ 이상으로 처리하면, 아탄·갈탄·아역청탄 등 석탄화가 진행되지 않은 석탄은 구조가 그다지 변화되지 않은 채 거의 전부 피리딘에 녹는다. 한편 퀴놀린으로 350℃ 정도의 온도에서 추출하면 역청탄의 대부분은 거의 녹는다. 온화한 수소첨가반응을 되풀이하면 역시 구조가 변하지 않은 상태로 피리딘에 60∼80％ 녹일 수 있다. 이들 용매가용부분(溶媒可溶部分)에 대하여 H·NMR(NMR는 핵자기공명의 약자), 원소분석값을 이용하면 그 평균적인 구조를 구할 수 있다. 이렇게 해서 안 석탄의 골격구조를 이루는 벤젠고리의 크기는 아탄·갈탄은 단일고리 정도, 아역청탄은 2고리 정도, 역청탄은 3∼5고리 정도이다. 무연탄은 어떠한 반응으로도 가용화되지 않기 때문에 이러한 방법으로는 평균구조를 알아낼 수가 없다. 그러나 X선회절·자기계수측정·비중측정 등에 의해 추정한 벤젠고리의 크기는 10고리 이상이 되는 매우 큰 것이다. 즉 석탄화반응은 벤젠고리의 축합반응이라 할 수 있고, 이것은 ＜성인＞에서 설명된 석탄화반응이 일종의 탄화반응이라고 하는 점과 일치한다. 말하자면 탄화반응에서는 벤젠고리가 서로 축합하여 점차로 큰 벤젠고리가 되고, 최후에 흑연 같은 2차원적으로 무한에 가깝게 확대된 벤젠고리구조를 가지게 된다. 석탄화가 진전되지 않은 아탄·갈탄은 히드록시기·카르복시기·카르보닐기·에테르형산소 등을 많이 함유하고 있는데, 이러한 활성화기는 석탄화가 진전됨과 동시에 점차 감소되어 간다. 가장 빨리 감소되는 것은 카르복시기인데 이것은 아마 이산화탄소로 분해된다고 여겨지며, 탄소함유량 77％ 정도에서 거의 소실되어 버린다. 히드록시기·에테르형산소 등은 물이 되어 빠져나가는 것 같다. 아탄·길탄의 이와 같이 추정된 구조는 리그닌의 구조에 가깝다. 리그닌은 프로필벤젠을 골격구조로 하여 히드록시기·메톡시기가 불균일하게 결합되어 있으며, 나아가 이러한 골격구조가 여러 형태로 서로 결합되어 고분자구조를 이루고 있다고 한다. 아탄·갈탄은 리그닌이 초기 생화학적 과정에서 약간의 산화를 받고, 그 뒤 땅속에서 느린 속도로 일어난 열분해과정에서 히드록시기·메톡시기의 이탈작용이 진행된 것 같다. 그러나 이러한 변화는 아직 초기 단계에 머물러 있고, 벤젠고리의 축합 등이 일어나지 않아 방향족고리는 단일고리에 지나지 않는다. 산화생성물의 분석에서는 대부분은 단일고리화합물이다. 또 그 분자량은 리그닌의 열분해가 그다지 많이 진전되지 않은 것 같아서, 상당한 고분자물질이라고 생각된다. 여러 가지 반응이 아탄·갈탄에서 잘 진전되지 않는 것은 이러한 고분자구조로 말미암아, 용액상태가 아닌 고체-액체 사이의 반응이 되기 때문일 것으로 추정된다. 석탄화가 진전되면 벤젠고리끼리의 축합, 지방족의 고리화, 탈수소 등에 의해 벤젠고리의 수가 증가한다. 이와 동시에 열분해에 의해 결합사슬이 끊어져 분자량이 적어진다. 또 히드록시기 등의 활성화기는 이탈해서 점점 적어진다. 알킬기의 분해도 진전되고 지방족탄소의 비율이 더욱 감소되어 메탄가스 등이 된다. 이렇게 하여 탄소함유량 85∼87％ 부근에서 석탄은 더욱 더 분자량이 작아져서 용매에 잘 녹게 되고, 가열했을 때의 유동도도 더욱 커진다. 또 석탄화가 진전되면 벤젠고리는 점점 커지고, 지방족탄소·작용기는 거의 없어지며, 분자량은 작아진다. 이 때문에 탄소함유량 90％ 부근에서 가장 물러져 분쇄성도 높다. 가열했을 경우에는 벤젠고리가 크기 때문에 최고유동온도는 가장 고온으로 변하고, 그 유동도는 그다지 올라가지 않는다. 그러나 분해가스화되는 부분이 매우 적어지기 때문에 탄화수득률(炭化收得率)은 높아지고, 따라서 가장 강도가 높은 치밀한 코크스가 생긴다. 석탄화가 더욱 진전되면 벤젠고리는 다시 서로 결합되어 커다란 2차원 방향족구조, 즉 흑연미결정구조(黑鉛微結晶構造)로 바뀌기 때문에 전체가 방향족구조로 되어, 더 이상 가열해도 용융되지 않는다. 또한 석탄화가 진전되지 않은 석탄도 가열했을 때 용융되지 않는다. 이것은 원래 고분자이며 히드록시기 등의 활성화기를 많이 가지고 있어서, 이것이 비교적 저온에서 탈수반응을 일으킴으로써 결합이 일어나 조밀한 그물모양구조를 만들기 때문이다. 앞에서 보았듯이 코크스를 만들 수 있는 석탄은 가열했을 경우에 용융되는 특수한 범위의 석탄이라야 하고, 또 강도가 높은 코크스를 만들 수 있는 석탄은 범위가 더욱 좁은, 탄소함유량 90％ 부근의 석탄뿐이다.

석탄의 이용에 사용된 기술
앞에서 설명한 것과 같이 석탄의 구조를 구명하기 위한 각종 연구는 탄화수소화학의 일반적인 수준을 높이고, 석탄화학의 기초를 쌓았을 뿐만 아니라 석탄의 보다 유효한 화학적 이용에 크게 이바지했다.

석탄의 건류-열분해반응
700℃ 정도까지의 건류를 저온건류라고 하는데, 현재는 이 방법을 거의 사용하지 않는다. 그러나 한때는 가스·타르 등을 생산하기 위해, 또는 무연연료의 제조나 가스화 예비처리로서 성행했다. 1300℃ 정도까지의 건류는 고온건류라고 하며 주로 제철용 코크스를 제조하기 위해 이용된다. 건류는 열분해를 말하며, 석탄의 열분해반응을 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저 200∼300℃에서 석탄화도가 낮은 석탄은 작용기가 탈수·탈탄산 등의 반응을 일으켜서 빠져나간 뒤 그물모양결합이 남는다. 이 때문에 더 고온으로 가열해도 용융되지 않는다. 400℃ 이상이 되면 지방족구조가 분해되어 메탄 등의 탄화수소가스가 발생되고, 그 뒤 벤젠고리의 축합, 고리화 등이 일어난다. 이 정도의 온도에서부터 포화고리의 탈수소·축합반응 등에 의한 수소의 발생이 시작되고, 또 퀴논 등의 분해에 의한 일산화탄소도 발생되기 시작한다. 더욱 고온인 700℃ 정도가 되면 벤젠고리의 수소가 수소가스로 되어 이탈하고, 벤젠고리끼리의 축합이 일어난다. 이렇게 해서 점차로 벤젠고리의 크기가 커져 흑연 미결정이 서로 연결되어 있는 것과 같은 탄소로 이행되어 간다. 이때 점결탄(粘結炭)처럼 용융상태를 거쳐서 탄화되어 가는 것에서는, 용융될 때 평면고분자(平面高分子)가 서로 의평행상(擬平行狀)으로 겹쳐진 이방성 중간상(mesophase)이 생성되고, 이것이 성장하여 탄화가 진전되기 때문에, 뒤에 고온으로 가열했을 때 흑연화가 잘 된다. 이러한 탄화과정에서 원래 석탄 중에 함유된 저분자화합물 또는 열분해로 생성된 저분자화합물은 증기가 되어 밖으로 나가는데 이것이 타르이다.

석탄의 가스화
석탄의 건류에서는 단지 가열하는 것만으로 약 20％의 코크스로가스가 얻어지지만, 석탄의 가스화는 석탄으로부터 가급적 많은 가스를 제조하는 것이 목적이며, 공기·산소·수증기·이산화탄소·수소 등의 가스화제를 석탄과 반응시켜 수소·일산화탄소·메탄을 주성분으로 하는 가스를 생산하는 것을 말한다. 1950년대 후반에 들어와 석탄의 가스화는 석유계 원료공업으로 급속히 대치되면서 거의 정지되었다. 그러나 제1차 석유파동 이래로 석탄을 원료로 하는 클린연료가스의 제조연구가 각국에서 성행하여 가스로의 방식도 종래의 고정상(固定床)에 대하여 유동상(流動床)·분류상(噴流床)·용융상(溶融床) 등의 방식이 개발 중이다. 1985년에는 암모니아 등의 제조가격이 석유계 원료와 석탄계 원료에서 거의 같아지게 되어 석탄을 원료로 유용물질을 제조하는 공업이 미국 등에서 실현되고 있다. 석탄의 가스화 방식은 크게 발생로가스화·수성가스화·수첨가스화로 나뉜다.

발생로가스화
석탄과 부족량산소의 반응으로 주로 일산화탄소를 생성하는 가스화인데, 칼로리가 낮은 가스밖에 생산되지 않기 때문에 현재는 거의 이용되지 않는다. 발생로 안의 온도 제어가 곤란하기 때문에 보통은 열용량이 큰 수증기를 첨가하는 경우가 많다. 이러한 점 때문에 수성가스화와의 구별이 애매하다.

수성가스화
수증기와 탄소의 반응으로 일산화탄소와 수소를 생성하는 가스화이다. 이 반응은 큰 흡열반응이기 때문에 열을 보급해야만 한다. 따라서 산소를 공급하여 탄소의 일부를 연소시킨다. 이 점 때문에 발생로가스화와 크게 다를 바가 없다.

수첨가스화
수소와 산소의 반응으로 메탄을 생성하는 반응이다. 생성된 일산화탄소와 수소의 혼합물은 그대로 연료로 이용된다. 또한 철계 촉매로 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 이산화탄소와 수소로 분리시킨 다음, 이산화탄소를 제거하여 수소만 남게 할 수 있으며, 니켈계촉매를 사용하여 메탄을 합성할 수도 있다. 그밖에 여러 가지 촉매를 사용하여 탄화수소·알코올·케톤·알데히드·방향족화합물 등을 합성할 수 있다. 가장 유명한 것은 피셔-트로프슈합성·옥소합성 등이다. 최근에는 보다 선택적인 단일물질합성을 목표로 하게 되었는데, 이것들을 총칭하여 C화학이라고 한다.

석탄의 액화
석탄의 수소원자와 산소원자의 비(比)는 0.4∼1.0 정도인데, 이 비가 작을수록 석탄화가 많이 진전된 것이다. 한편 석유유분(石油溜分)은 중유의 1.2∼1.6 정도부터 가솔린의 2.0 정도까지이며, 이것을 석탄과 비교하면 훨씬 많은 수소를 함유하고 있다. 이것은 대부분 지방족화합물로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 석탄을 액화하여 석유와 비슷한 기름으로 만들려면 필연적으로 수소를 첨가하여야 한다. 종래 대부분의 액화법은 고압수소하에서 430∼480℃ 정도의 온도로 촉매와 함께 반응시켜 액화하는 방법이다. 이 경우에 석탄은 먼저 열분해에 의해 분해되어 작은 라디칼이 되고, 이 라디칼에 수소가 첨가되면 안정화되어 액체로 된다. 이것이 1차액화이다. 1차액화생성물질은 이러한 반응이 이상적으로 이루어진다면 벤젠고리와 그것을 결합하고 있던 사슬 부분만이 끊겨 있기 때문에, 그 석탄 속에 함유되어 있는 벤젠고리의 크기에 따라 중질도(重質度)가 결정된다. 즉 아탄처럼 단일고리방향족으로 된 것으로부터는 비교적 경질유를 얻을 수 있고, 역청탄처럼 3∼5고리방향족으로부터는 중질유를 얻을 수 있다. 이러한 중질유를 다시 경질화시키기 위해서는 벤젠고리에 수소를 첨가하여 포화시킨 다음, 이것을 다시 열분해로 분해시키는 반응을 일으켜야 한다. 이것이 2차액화반응이다. 이러한 1·2차의 구별은 반응의 종류에 따라 구분한 것이며, 실제로는 반응기 속에서 거의 동시에 일어난다. 이상에서 알 수 있듯이 어떤 종류의 석탄을 어떤 반응조건하에서 액화시키는가에 따라 생성물질의 종류와 그 양에 큰 차이가 생긴다. 석탄화가 진전되지 않은 석탄을 사용하면 비교적 경질유를 많이 얻을 수 있지만, 반면에 산소 함유량이 많기 때문에 물의 생성을 위해 값비싼 수소를 사용해야 하는 결점이 있다. 역청탄은 액화되기 쉽고 수소의 소비량도 적지만, 생산되는 기름은 주로 중질유이다. 열분해로 생성된 라디칼의 안정화는 수소공여성(水素供與性) 용매를 써서 도모할 수도 있다. 석탄의 액화유는 타르와 마찬가지로 많은 종류의 방향족화합물을 함유하고 있다. 이러한 유용한 화학원료를 분리해서 부산물로 이용하고, 연료유 제조법으로서의 비용을 조금이라도 절약하기 위한 여러 가지 연구가 있다. 1950년대에 미국에서 연구한 CCC법은 석탄 1일처리량 500t의 시험공장을 건설하여 129종이나 되는 화합물을 단리(單離)했으나 분리기술의 미발달, 석유로의 에너지원 전환 등으로 인하여 중지되었다.

석탄의 산화
탄갱의 자연발화로 알 수 있듯이 석탄은 매우 산화되기 쉽다. 산화가 진행되면 점결탄 등은 그 용융성이 낮아지기 때문에 실용면에서 매우 중요한 반응이라고 할 수 있다. 공기산화에서 산화는 입자의 표면에서 시작되어 점점 내부로 진행되어 간다. 따라서 표면은 굳은 껍질을 쓰고 있는 것처럼 되기 때문에, 가열해도 연화(軟化)되어 입자가 서로 엉겨붙는 일이 없게 된다. 이 때문에 정도가 아주 약한 산화로, 원소분석 등과 같은 기타 방법으로도 검지(檢知)할 수 없는 경우에 기세라유동도 등이크게 영향을 받는다. 여러 가지 산화시약을 사용하는 석탄의 산화는 주로 석탄의 구조를 알기 위한 것이다. 한편 질산·알칼리 속에서 산소산화 등을 일으켜 방향족 가운데 주로 벤젠다가카르복시산을 제조하려는 시도도 이루어지고 있다. 산화제를 사용하여 아탄·토탄 등과 같은 탄화도가 낮은 석탄에 저도산화(低度酸化)가 일어나게 하면 퓸산을 얻을 수 있고, 또 산소를 사용하여 역청탄에 고도산화(高度酸化)를 일으키면 물에 녹는 방향족 카르복시산·옥살산·호박산 등을 얻을 수 있다. 방향족 카르복시산은 아직 실용화되지 않았으나 계면활성제나 열경화성수지의 원료로 사용할 수 있다.

석탄의 용제 추출
벤젠·알코올·피리딘 등의 유기용제를 사용하여 석탄 속의 가용성분을 추출해서 석탄의 화학구조·점결성(粘結性) 등을 연구하는 방법은 일찍부터 실시되어 왔다. 공업적으로는 독일에서 인조석유제조를 목적으로 테트랄린과 크레졸의 혼합물을 용제로 사용한 포트-브로헤법, 수소 가압하에서 용제를 추출하는 우데법이 있다. 현재 수소 가압하에서 여러 가지 용제를 사용하여 용제정제탄(溶劑精製炭；SRC)을 제조하는 연구가 진행되고 있다.

석탄의 탄소화
분쇄한 점결탄을 가압성형하여 변형·균열·산화 등을 방지하면서 500∼3000℃로 소성(燒成)해서 흑연화하여 직접 탄소재를 제조하는 기술이 개발되어 있는데, 이것은 종래의 방법에 비해 기계적인 강도가 크고 제조공정이 간단한 이점이 있다. 그 밖에 석탄으로 활성탄을 만들어 물의 처리, 악취방지 등 환경보전대책에 사용하고 있다.

석탄재의 이용
석탄은 무기질인 재를 5∼20％ 정도 포함하는 단점이 있으므로 앞으로 석탄을 대량으로 이용하기 위해서는 재를 유효하게 이용하는 것이 중요한 과제이다. 이미 시멘트 혼합용으로 이용되고 있으며, 나아가서 시멘트 제조원료, 자연조립회의 도로노반용 골재, 경량골재 등으로 이용하는 방법이 강구되고 있다. 또 석탄재 속의 규산성분에 착안, 지효성(遲效性)의 규산칼륨비료를 제조하고 있다.

연료로서의 석탄
석탄은 석유에 비해 저장·운반에 비용이 많이 들고, 연소 후 재를 처리해야 하는 등의 문제가 있지만, 여전히 석유와 더불어 중요한 연료원으로 사용되고 있다. 최근에는 석탄을 슬러리화하여 취급하기 편리하고 보다 더 효율적으로 이용하기 위하여, CWM(coal water mixture；고농도 석탄과 물을 혼합한 슬러리)·COM(coal oil mixture；석탄과 석유를 혼합한 연료) 등을 연구, 개발하고 있다.