Вступ
Вуглеводні –
це органічні сполуки, молекули
яких складаються з атомів
двох елементів: Карбону (вуглецю) і
Гідрогену (водню). Від вуглеводнів
походять різноманітні класи
органічних сполук.
Основними джерелами
вуглеводнів є природні гази,
нафта, кам’яне вугілля. Вони належать
до невідновлюваних природних ресурсів.
І тому вже відкриті родовища треба експлуатувати
так, щоб максимально вилучати з них копалини
і раціонально, з найбільшою користю використовувати
їх.
Теорії
походження горючих копалин
Існують різні
погляди на походження горючих
копалин. Як вважають прихильники
теорії органічного походження,
поклади утворилися із решток
вимерлих рослинних і тваринних
організмів, що перетворилися на
суміші вуглеводнів у товщі
Землі під дією бактерій, високих
тисків і температур.
Згідно з теорією
вулканічного (мінерального) походження
нафти, природного газу, кам’яного
вугілля, на первісній стадії
формування планети Земля метали
сполучалися з вуглецем, утворюючи
карбіди. Карбіди реагували з
водою, утворюючи газуваті вуглеводні,
зокрема метан і ацетилен. А
під впливом нагрівання, радіації
та каталізаторів з них утворювалися
інші сполуки, що містяться у
нафті. Далі рідкі нафтові компоненти
випаровувалися, рідина загусала, і
в літосфері утворювалося вугілля.
Теорію мінерального
походження нафти вперше висловив
Дмитро Іванович Менделєєв.
Природний
газ
У природному
газі містяться вуглеводні з
низькою молекулярною масою. Основну
частину цієї суміші становить
метан. Його масова частка там
від 80 до 90 %, решта - гомологи метану:
етан, пропан, бутан та інші гази.
До природних
газів належать і так звані
супутні нафтові гази, які звичайно
розчинені у нафті і виділяються
під час добування її. У супутніх
нафтових газах міститься менше
метану, але більше етану, пропану,
бутану і вищих вуглеводнів. Крім
того, у них наявні в основному
ті самі домішки, що й в інших
природних газах: сірководень, азот,
інертні гази, вуглекислий газ, водяна
пара.
Природний газ
широко використовується у промисловості.
У доменних печах він згоряє
до вуглекислого газу, який, реагуючи
з коксом, утворює відновник карбон(II)
оксид CO. Під час виробництва сталі
мартенівським способом природний
газ використовується як джерело
теплоти. З цією ж метою застосовують
метан у скловарних печах.
Але природний
газ не лише спалюють, а й
переробляють на різні цінні
хімічні продукти. Він є сировиною
для добування ацетилену, водню,
який використовується в синтезі аміаку.
Сажа, яку добувають із метану, використовується
для виготовлення фарби, гуми.
Супутні нафтові
гази раніше не знаходили застосування,
і під час добування нафти
їх спалювали факельним способом.
Зараз їх вловлюють і використовують
як паливо і як цінну хімічну
сировину. Із пропану і бутану,
які входять до складу супутних
нафтових газів, дегідруванням добувають
пропілен, бутилен і бутадієн, з яких потім
синтезують каучуки і пластмаси.
Кам'яне
вугілля
Вугілля - це залишки
рослин, які загинули багато мільйонів
років тому,гниття яких було
перерване в результаті припинення
доступу повітря. Тому вони не
змогли віддати в атмосферу
відібраний у неї вуглець. Доступ
повітря припинявся особливо
різко там, де болота і заболочені
ліси опускалися в результаті
тектонічних зрушень та зміни
кліматичних умов і покривалися
зверху іншими речовинами.
При цьому рослинні останки
перетворювалися під впливом
бактерій і грибів (вуглефіцирувалися)в
торф і далі в буре вугілля, кам'яне вугілля,
антрацит і графіт. За складом основного
компонента - органічної речовини вугілля
підрозділяються на три генетичні групи:
гумоліти, сапропеліти, сапрогумоліти.
Переважають гумоліти,
вихідним матеріалом яких з'явилися залишки
вищих наземних рослин. Відкладення їх
відбулося переважно у болотах,займали
низинне узбережжі морів, заток, лагун,
прісноводних басейнів. Накопичується
рослинний матеріал в результаті біохімічного
розкладання перероблявся в торф, при
цьому значний вплив робили обводненість
і хімічний склад водного середовища.
Вміст вуглецю
в кам'яному вугіллі коливається
від 75 до 90 відсотків.
Точний склад обумовлюється
місцем розташування й умовами перетворення
вугілля. Мінеральні домішки знаходяться
або в тонкодисперсному стані органічної
маси, або у вигляді найтонших прошарків
і лінз, а також кристалів і конрецій. Джерелом
мінеральних домішок в вугіллі можуть
бути неорганічні частини рослин - вуглестворювачів,
мінеральні новоутворення, що випадають
з розчинів вод, що циркулюють у торфовищах
і т.д. Склад мінеральних домішок - кварц,
глинисті мінерали, польові шпати, пірит,
маркази, карбонати та інші сполуки, що
містять
Більша частина мінеральний
домішок при спалюванні перетворюється
на попіл.
Кам’яне вугілля,
як і нафта, не індивідуальна
речовина. До його складу входять
вільний вуглець (до 10%), органічні
речовини, що містять Карбон, Гідроген,
Оксиген, Сульфур, Нітроген, мінеральні
речовини (вони залишаються у вигляді
шлаку після спалювання вугілля).
Вам відомо,
що вугілля використовується
як паливо, але не меншого значення
надається хімічній переробці
вугілля з метою вилучення
величезної кількості цінних
речовин.
Унаслідок
нагрівання до 10000С без доступу
повітря вугілля перетворюється
на кокс. Цей продукт на 96-98 % складається
з вуглецю. Основна галузь його
застосування – металургія.
Разом із
коксом утворюються коксовий
газ і кам’яновугільна смола,
що є багатим джерелом різноманітних
речовин, - з неї їх виділено
близько 500. Перегонкою і хімічною
обробкою кам’яновугільної смоли
добувають ароматичні вуглеводні:
толуол, нафталін, феноли, інші цінні
речовини.
Кам’яновугільна
смола і коксовий газ перероблюються
на коксохімічних заводах.
У розвитку
синтетичної органічної хімії
кам’яновугільна смола відіграла
особливу роль. Як джерело хімічних
сполук кам’яне вугілля почало
використовуватись раніше, ніж нафта
і природний газ. На основі
продуктів, виділених із кам’яновугільної
смоли, виникли цілі галузі хімічної
промисловості – виробництво
синтетичних барвників, лікарських
препаратів, засобів захисту рослин,
вибухових речовин тощо.
Кам’яновугільна
смола виявилась доступною сировиною
для виробництва всіх цих продуктів,
що уможливило їх багатотоннажне
виробництво. Отже, кам’яне вугілля
– цінна хімічна сировина, яку
вигідніше переробляти, ніж спалювати.
Життя людини
повсякденно пов’язане зі спалюванням
горючих речовин у побуті, на
транспорті, у промисловості. Крім
користі застосування нафтопродуктів,
вугілля і природного газу
створює ряд проблем, негативних
для розвитку цивілізації та
загалом для виживання людства.
Тепловий баланс
нашої планети підтримується
завдяки тому, що діоксид карбону
і вода, які містяться в атмосфері, поглинають
енергію сонячного випромінювання (інфрачервону
частину спектра), а потім пере випромінюють
її. Таким чином на планеті зберігається
тепло.
Поглинання
і випромінювання енергії діоксидом
карбону та іншими речовинами спричинює
парниковий ефект. Отже, можна сказати,
що ми живемо в умовах парникового ефекту,
і це відповідає нормальному станові атмосфери,
комфорту для нас. Проте посилення цього
ефекту може мати згубні наслідки, а саме
– глобальне підвищення температури й
у зв’язку з цим – зміну клімату.
Нафта
Одним з
основних джерел вуглеводнів
є нафта.
Нафта (від
перс. neft) - пальна масляниста рідина зі
специфічним запахом, розповсюджена в
осадовій оболонці Землі і яка є найважливішою
корисною копалиною.
Фізичні властивості нафти
Найголовнішою
властивістю нафти, які принесли
їй світову славу виняткових
енергоносіїв, є її здатність
виділяти при згорянні значну
кількість тепла. Нафта і її
похідні володіють найвищою серед
усіх видів палив теплотою
згоряння. Теплота згоряння нафти
– 41 МДж/кг, бензину – 42 МДж/кг. Важливим
показником для нафти є температура кипіння,
що залежить від будови вхідних до складу
нафти вуглеводнів і коливається від 50
до 550°С.
Нафта, як і
будь-яка рідина, при визначеній
температурі закипає і переходить
у газоподібний стан. Різні компоненти
нафти переходять у газоподібний
стан при різній температурі.
Так, температура кипіння метану
–161,5°С, етану –88°С, бутану 0,5°С, пентану
36,1°С. Легені нафти киплять при
50–100°С, важкі – при температурі
більш 100°С.
Розходження температур
кипіння вуглеводнів використовується
для поділу нафти на температурні
фракції. При нагріванні нафти
до 180–200°С википають вуглеводні
бензинові фракції, при 200–250°С –
лігроїнові, при 250–315°С – керосиново-газойлеві
і при 315–350°С – масляній. Залишок представлений
гудроном. До складу бензинової і лигроїновой
фракцій входять вуглеводні, що містять
6–10 атомів вуглецю. Гасова фракція складається
з вуглеводнів з [pic], газойлева і т.д.
Важливим є
властивість нафти розчиняти
вуглеводневі гази. У 1 м3 нафті може
розчинитися до 400 м3 пальних газів.
Велике значення має з'ясування
умов розчинення нафти і природних
газів у воді. Нафтові вуглеводні
розчиняються у воді вкрай
незначно. Нафти розрізняються по
щільності. Щільність нафти, обмірюваної
при 20°С, віднесеної до щільності
води, обмірюваної при 4°С, називається
відносної. Нафти з відносною
щільністю 0,85 називаються легенями,
з відносною щільністю від 0,85
до 0,90 – середніми, а з відносною
щільністю понад 0,90 – важкі. У
важких нафтах містяться в основному
циклічні вуглеводні. Колір нафти залежить
від її щільності: світлі нафти мають меншу
щільність, чим темні. А чим більше в нафті
смол і асфальтенів, тим вище її щільність.
При видобутку нафти важливо знати її
в'язкість. Розрізняють динамічну і кінематичну
в'язкість. Динамічною в'язкістю називається
внутрішній опір окремих часток рідини
руху загального потоку. У легкій нафті
в'язкість менше, ніж у важкій. При видобутку
і подальшому транспортуванні важкі нафти
підігрівають. Кінематичною в'язкістю
називається відношення динамічної в'язкості
до щільності середовища. Велике значення
має знання поверхневого натягу нафти.
При зіткненні нафти і води між ними виникає
поверхня типу пружної мембрани. Капілярні
явища використовуються при видобутку
нафти. Сили взаємодії води з гірською
породою більше, ніж у нафти. Тому вода
здатна витиснути нафту з дрібних тріщин
у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі
шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні
речовини (УПАВШИ). Нафта має неоднакові
оптичні властивості. Під дією ультрафіолетових
променів нафта здатна світитися. При
цьому легені нафти світяться блакитним
світлом, важкі – бурим і жовто-бурої.
Це використовується при пошуку нафти.
Нафта є діелектриком і має високий питомий
опір. На цьому засновані електрометричні
методи встановлення в розрізі, розкритому
свердловиною, нафтоносних шарів.
Хімічні елементи і сполуки
в нафті
Нафта складається
головним чином з вуглецю –
79,5 – 87,5 % і водню – 11,0 – 14,5 % від
маси нафти. Крім них у нафті
присутні ще три елементи –
сірка, кисень і азот. Їхня загальна
кількість переважно складає 0,5 –
8 %. У незначних концентраціях
у нафті зустрічаються елементи:
ванадій, нікель, залізо, алюміній, мідь,
магній, барій, стронцій, марганець, хром,
кобальт, молібден, бор, миш'як, калій
і ін. Їхній загальний зміст
не перевищує 0,02 – 0,03 % від маси
нафти. Зазначені елементи утворюють
органічні і неорганічні сполуки,
з яких складається нафта. Кисень
і азот знаходяться в нафті
тільки в зв'язаному стані. Сірка
може зустрічатися у вільному
стані чи входити до складу
сірководню.
Продукти, які отримують з нафти,
їх застосування
З нафти виділяють
різноманітні продукти, що мають
велике практичне значення. Спочатку
від неї відокремлюють розчинені
вуглеводні (переважно метан). Після
відгону летучих вуглеводнів
нафту нагрівають. Першими переходять
у газоподібний стан і відганяються
вуглеводні з невеликим числом
атомів вуглецю в молекулі, що
мають відносно низьку температуру
кипіння. З підвищенням температури
суміші переганяються вуглеводні з
більш високою температурою кипіння. У
такий спосіб можна зібрати окремі суміші
(фракції) нафти. Найчастіше при такій
перегонці одержують три основні фракції,
що потім піддаються подальшому поділу.
Основні фракції нафти наступні:
Фракція, що збирається
від 400 до 2000 С, - газолінова фракція
бензинів – містить вуглеводні
від З5Н12 до З11Н24. При подальшій
перегонці виділеної фракції
одержують: газолін (від 400 до 700 С), бензин
(від 700 до 1200 С) – авіаційний, автомобільний
і т.д.
Лігроїнова фракція,
що збирається в межах від 1500
до 2500 С, містить вуглеводні від
З8Н18 до З14Н30. Лігроїн застосовується
як пальне для тракторів.
Гасова фракція
включає вуглеводні від З12Н26 до
З18Н38 з температурою кипіння від
1800 до 3000С. гас після очищення
використовується як пальне для
тракторів, реактивних літаків і
ракет.
Газойль (вище 2750
С) – дизельне паливо.
Мазут – залишок
від перегонки. Містить вуглеводні
з великим числом атомів вуглецю
(до багатьох десятків) у молекулі.
Мазут також розділяють на
фракції:
Солярові олії
– дизельне паливо,
Мастила (авіатракторні,
авіаційні, індустріальні й ін.), вазелін
(основа для косметичних засобів і лік).
З деяких
сортів нафти одержують парафін
(для виробництва сірників, свіч
і ін.). Після відгону залишається
гудрон. Його широко застосовують
у дорожнім будівництві.