Урок 14. Природные источники углеводородов
план-конспект урока по химии (10 класс)

Урок 14. Природные источники углеводородов

Важнейшие природные источники углеводородов

Важнейшие природные источники углеводородов — это газ, нефть,каменный уголь.

Полагают, что они появились путем длительного распада органических веществ, возможно, в результате жизнедеятельности бактерий (цианобактерий), отрывающих от органических соединений атомы кислорода, в результате чего образовывались углеводородные цепи.

Теорию органического происхождения нефти сформулировал еще М.В. Ломоносов, огромный научный вклад в развитие этой теории внес советский геолог Иван Михайлович Губкин, его имя носит Государственная академия нефти и газа (ГАНГ).

Невозобновимость полезных ископаемых призывает человечество к рачительному их использованию.

А используются они двояко:

а) с целью получения энергии;

б) в качестве химического сырья.

Доля основных видов топлива в энергетике России

Это интересно!

Более тысячи лет назад в Китае добывали природный газ из глубоких колодцев и передавали его к местам потребления по бамбуковым трубам.

Это интересно!

В различных странах нефть называют по-разному: древние славяне — ропанка или ропа, древние греки — петролиум. Русское слово нефть, вероятно, произошло от арабского нафта, что означает «вытекать», «просачиваться».

Природный и попутный нефтяной газы

«Невидимое золото», «незримые сокровища», «кладовые голубого огня» — эти эпитеты и сравнения посвящены природному газу как таковому и попутному нефтяному газу, который находится в залежах вместе с нефтью, растворен в ней или образует газовую шапку.

Газгольдеры — емкости для хранения газа

Газ — удобное, экономичное, достаточно чистое в экологическом плане топливо и химическое сырье для получения пластмасс, волокон, удобрений, фреонов, лекарств, каучуков и др.

Состав и применение природных газов

Это интересно!

Люди издавна поклонялись таинственным огням, которые иногда возникали на болотах или в расщелинах земли, перебегая с места на место, поскольку принимали за чудо вполне объяснимые, хотя и необычные явления природы. Это горел природный газ.

Проанализируйте данные приведенной таблицы и ответьте на вопросы.

1. Какова общая формула углеводородов, входящих в состав природных газов?
Ответ:

СnH2n+2 — общая формула алканов.

2. Какой углеводород является основным компонентом природных газов?
Ответ:

Метан СН4.

3. Как с увеличением молекулярной массы изменяется доля углеводородов в составе природных газов?
Ответ:

С увеличением молекулярной массы доля углеводородов в составе природных газов уменьшается.

4. Чем различаются составы природного и попутного нефтяного газов?
Ответ:

В составе попутных нефтяных газов доля метана меньше, а доля его ближайших гомологов больше.

Нефть

Трудно переоценить ту роль, которую сыграла нефть в жизни человека за последние 100 лет. Нефть не случайно называют «черным золотом».

Новые полимеры, строительные материалы, продукты бытовой химии, лекарственные препараты, взрывчатые вещества, красители — это результат быстрого развития нефтехимии. А если учесть, что почти весь транспорт (наземный, воздушный, водный), значительная часть ТЭС используют нефтепродукты как источник энергии, что экономика и даже политика государств зависят от нефти больше, чем от любого другого продукта, то мы должны уделить нефти особое внимание.

Нефть — маслянистая жидкость обычно темного цвета

Нефть — маслянистая жидкость со своеобразным запахом, обычно темного цвета, немного легче воды и не растворима в ней.

Нефть — природная смесь сотен различных соединений, но в составе любой нефти есть три вида углеводородов: н-алканы, циклоалканы, арены.

Сырую нефть не используют, ее перерабатывают.

Перегонка нефти

Перегонка (первичная переработка) — разделение на фракции, т. е. смеси веществ с близкими температурами кипения.

Промышленная установка состоит из трубчатой печи, ректификационной колонны и холодильника.

Схема промышленной установки для первичной переработки нефти

В трубчатой печи нефть нагревается за счет горения мазута или газа до 300 — 350 oС, поступает в нижнюю часть ректификационной колонны, которая имеет внутри несколько десятков перегородок с отверстиями (тарелок). Пары нефти поднимаются вверх, охлаждаются и сжижаются на тех или иных тарелках в зависимости от температур кипения углеводородов.

Менее летучие углеводороды сжижаются уже в нижней части колонны, более летучие — поднимаются и сжижаются выше. Наиболее летучие (пары бензина) охлаждаются еще и в холодильнике, а часть их возвращается в колонну для орошения, что способствует конденсации поднимающихся паров.

Чтобы облегчить испарение летучих углеводородов, задерживающихся в мазуте, снизу, навстречу стекающему мазуту, падают перегретый пар.

Образующиеся фракции на определенных уровнях выводят из колонны.

Все полученные нефтепродукты используются в основном в качестве горючего.

Использование битума

Мазут — ценная смесь тяжелых углеводородов.

Некоторая часть мазута используется в качестве топлива, а основная поступает на повторную ректификацию при пониженном давлении. Пониженное давление позволяет избежать высоких температур, приводящих к разрушению молекул углеводородов.

Из мазута получают:

• смазочные масла (машинное, цилиндровое, веретенное и др.)
• гудрон (остаток) — применяют для получения битумов, как дорожно-строительный материал.

Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин.

Обычно строят совместную атмосферно-вакуумную установку.

 Нефтеперерабатывающий завод

Это интересно!

В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов периодической системы.

Это интересно!

Дерево Ханга на Филиппинах содержит почти чистую нефть.

Это интересно!

Нефть бывает чрезвычайно вязкой, плотной, очень неудобной для добычи. Например, из омской нефти можно вырезать кубик, который сохраняет свою форму несколько дней, мангышлакская нефть не вытекает даже из перевернутого сосуда.

Это интересно!

Цвет нефти зависит от количества и характера смолистых веществ, содержащихся в ней и имеющих интенсивную окраску. Нефть бывает «белая», «красная», «зеленая», «янтарная», «голубая», образцы такой цветной нефти можно увидеть в геологическом музее города Новосибирска.

Это интересно!

Человек не одну сотню лет знаком с природным битумом (слово «битум» происходит от латинскогоbitumen — «горная смола»). В Древнем Вавилоне битумы считали целебными, да и сейчас встречаются энтузиасты «битумолечения» — применения мазей и микстур из битума.

Битумы — хорошие консерванты, т. к. водо- и газонепроницаемы. Так что не удивляют находки в асфальтовом озере (месторождении битума) в Калифорнии ствола дерева, возраст которого составляет 25 тысяч лет, останков доисторических животных и растений, причем все это сохранилось так, как будто лежит всего лишь несколько недель!

Природный нефтяной битум

Это интересно!

С древних времен битум использовали как клей, например, для хранения частей статуй. За 3 тысячи лет бирюзовые глаза изваяния царя Навуходоносора, приклеенные битумом, почти полностью разрушились, а долговечный «клей» сохранился!

Переработка нефти

Крекинг, риформинг, пиролиз

Крекинг, риформинг, пиролиз — виды вторичной переработки нефти.

Вспомните, в чем заключаются эти процессы.

Крекинг — это процесс разложения больших молекул углеводородов на меньшие.

Риформинг (ароматизация) — это процесс каталитического дегидрирования алканов и циклоалканов с образованием аренов.

Пиролиз — это процесс разложения органических соединений при высоких температурах.

Крекинг

Суть крекинга — термическое или каталитическое разрушение С — С связей:

Установка каталитического крекинга

Обратите внимание! 

При крекинге тяжелых фракций нефти образуется смесь углеводородов с меньшей молекулярной массой, соответствующая бензину, а также газообразные углеводороды, в том числе и непредельные.

Цели крекинга:

• получение дополнительного количества бензина;
• получение крекинг-газов, содержащих алкены — ценное химическое сырье.

• Впервые в мире промышленный крекинг осуществил русский инженер В.Г. Шухов в 
  1891 г.

Виды крекинга, качество получаемого бензина

Дополнительная информация

Установка каталитического крекинга

Крекинг-бензин превосходит по качеству и бензин термического крекинга, и бензин прямой перегонки. Он характеризуется более высокими октановыми числами благодаря алканам разветвленного строения, алкенам и повышенной доле аренов.

Что такое детонационная стойкость бензина? Что такое октановое число бензина?

Ответ

Риформинг

Риформингу подвергают низкооктановый бензин и лигроин, процесс осуществляют при t ≈ 500 °С, р = 3 — 4 MПа, в присутствии катализаторов Pt, Pd, Re.

Цели риформинга:

• повышение октанового числа бензина;
• получение индивидуальных аренов из бензиновой фракции нефти.

Пиролиз

Пиролиз — это высокотемпературный крекинг (t = 700 — 1200°C), при котором происходит глубокое расщепление углеводородов:

Цели пиролиза:

• получение газообразных углеводородов (преимущественно непредельных);
• получение аренов.

• Это интересно!
• Нефть — это «сгусток энергии». С помощью всего лишь 1 мл нефти можно нагреть на один градус целое ведро воды. По концентрации энергии в единице объема нефть занимает первое место среди природных веществ.
• Это интересно!
• Нефть — это также сырье для добычи серы и редких элементов — стронция, ванадия, урана и др.
• Это интересно!
• Из нефти получают даже продукты питания — искусственные масла, синтетический белок, которым подкармливают животных и птиц. Эксперты Всемирной организации здравоохранения предполагают, что в XXI в. рацион каждого человека на 25 — 30% будет состоять из заменителей мяса и молока.

Уголь. Переработка угля

Важным источником промышленного получения ароматических углеводородов наряду с переработкой нефти является коксование каменного угля.

Коксование — нагревание угля в закрытых реакторах (коксовых печах) без доступа воздуха при температуре ~ 1000 °C в течение 14 часов.

Другими важными направлениями переработки каменного угля являются егогазификация и гидрирование. Эти процессы позволяют из угля получить жидкое горючее (смеси жидких углеводородов).

Это интересно!

Интересно, что рождение газовой промышленности связано не с природными газами, а с теми, которые получали из каменных углей. Известные химики Европы — Ян–Баптист ван Гельмонт, Антуан–Лоран Лавуазье, Жозеф–Луи Гей–Люссак, Джозеф Пристли — исследовали свойства углей и разработали способы получения из них газов. Как побочный продукт при коксовании угля получали смесь водорода H2, метана CH4, угарного газа, составляющих основу «светильного газа».

Проблемы использования углеводородного сырья

Несмотря на огромные запасы органического топлива (3,5 трлн т), его ежегодный расход весьма велик. Очень скоро относительно «дешевые» нефть и газ закончатся, придется разрабатывать труднодоступные месторождения, и энергия станет значительно дороже. А вместе с тем — и вся наша комфортная жизнь, которая во многом зависит от развития нефтехимии.

Нефть — источник некоторых неорганических веществ

Месторождения углеводородов служат, кроме своего основного назначения, источником получения некоторых неорганических веществ. Так из природного газа некоторых месторождений извлекают содержащийся в нем в виде примеси гелий He (это практически единственный промышленный источник его получения), из нефтяных вод выделяют йод и бром, при очистке нефти получают серу, зола каменных углей служит промышленным источником урана, ванадия и др.

Если учесть еще экологические проблемы, все нарастающие при добыче, транспортировке, сжигании углеводородного сырья, особенно жидкого и твердого, картина становится угрожающей.

Каковы возможные пути решения этих проблем?

1. Поиск и использование новых источников энергии — солнечной, гидротермальной, водородной, ядерной и др.

Если учесть еще экологические проблемы, все нарастающие при добыче, транспортировке, сжигании углеводородного сырья, особенно жидкого и твердого, картина становится угрожающей.

Уровень потребления первичной энергии в мире

Познакомьтесь с уровнем потребления первичной энергии в мире.

2. Экономия потребления энергии за счет улучшения технологии ее потребления.

3. Ориентация в ближайшее время на преимущественное развитие газовой энергетики. Использование газа в энергетике значительно снизит экологические проблемы. Уже сегодня большое значение придается синтетическому топливу, полученному из угля. А при этом можно увеличить долю нефти в органическом синтезе.