Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и
газ, уголь и торф. Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет
назад из микроскопических морских растений и животных, которые оказались
включенными в осадочные породы, образовавшиеся на дне моря, В отличие от
этого уголь и торф начали образовываться 340 миллионов лет назад из растений,
произраставших на суше.
Природный газ и сырая нефть обычно обнаруживаются вместе с водой в
нефтеносных слоях, расположенных между слоями горных пород (рис. 2). Термин
«природный газ» применим также к газам, которые образуются в природных
условиях в результате разложения угля. Природный газ и сырая нефть
разрабатываются на всех континентах, за исключением Антарктиды. Крупнейшими
производителями природного газа в мире являются Россия, Алжир, Иран и
Соединенные Штаты. Крупнейшими производителями сырой нефти являются
Венесуэла, Саудовская Аравия, Кувейт и Иран.
Природный газ состоит главным образом из метана (табл. 1).
Сырая нефть представляет собой маслянистую жидкость, окраска которой может
быть самой разнообразной – от темно-коричневой или зеленой до почти
бесцветной. В ней содержится большое число алканов. Среди них есть
неразветвленные алканы, разветвленные алканы и циклоалканы с числом атомов
углерода от пяти до 40. Промышленное название этих циклоалканов-начтены. В
сырой нефти, кроме того, содержится приблизительно 10% ароматических
углеводородов, а также небольшое количество других соединений, содержащих
серу, кислород и азот.
Таблица 1 Состав природного газа
Уголь является древнейшим источником энергии, с которым знакомо
человечество. Он представляет собой минерал (рис. 3), который образовался из
растительного вещества в процессе метаморфизма. Метаморфическими
называются горные породы, состав которых подвергся изменениям в условиях
высоких давлений, а также высоких температур. Продуктом первой стадии в
процессе образования угля является торф, который представляет собой
разложившееся органическое вещество. Уголь образуется из торфа после того, как
он покрывается осадочными породами. Эти осадочные породы называются
перегруженными. Перегруженные осадки уменьшают содержание влаги в торфе.
В классификации углей используются три критерия: чистота (определяется
относительным содержанием углерода в процентах); тип (определяется
составом исходного растительного вещества); сортность (зависит от
степени метаморфизма).
Таблица 2Содержание углерода в некоторых видах топлива и их теплотворная
способность
Самыми низкосортными видами ископаемых углей являются бурый уголь и
лигнит (табл. 2). Они ближе всего к торфу и характеризуются сравнительно
характеризуется меньшим содержанием влаги и широко используется в
промышленности. Самый сухой и твердый сорт угля – это антрацит. Его
используют для отопления жилищ и приготовления пищи.
В последнее время благодаря техническим достижениям становится все более
экономичной газификация угля. Продукты газификации угля включают
моноксид углерода, диоксид углерода, водород, метан и азот. Они используются в
качестве газообразного горючего либо как сырье для получения различных
химических продуктов и удобрений.
Уголь, как это изложено ниже, служит важным источником сырья для получения
ароматических соединений. Уголь представляет
собой сложную смесь химических веществ, в состав которых входят углерод,
водород и кислород, а также небольшие количества азота, серы и примеси других
элементов. Кроме того, в состав угля в зависимости от его сорта входит
различное количество влаги и различных минералов.
Углеводороды встречаются в природе не только в горючих ископаемых, но также и
в некоторых материалах биологического происхождения. Натуральный каучук
является примером природного углеводородного полимера. Молекула каучука
состоит из тысяч структурных единиц, представляющих собой метилбута-1,3-диен
(изопрен);
Натуральный каучук. Приблизительно 90% натурального каучука, который
добывается в настоящее время во всем мире, получают из бразильского
каучуконосного дерева Hevea brasiliensis, культивируемого главным образом в
экваториальных странах Азии. Сок этого дерева, представляющий собой латекс
(коллоидный водный раствор полимера), собирают из надрезов, сделанных ножом на
коре. Латекс содержит приблизительно 30% каучука. Его крохотные частички
взвешены в воде. Сок сливают в алюминиевые емкости, куда добавляют кислоту,
заставляющую каучук коагулировать.
Многие другие природные соединения тоже содержат изопреновые структурные
фрагменты. Например, лимонен содержит два изопреновых фрагмента. Лимонен
является главной составной частью масел, извлекаемых из кожуры цитрусовых,
например лимонов и апельсинов. Это соединение принадлежит к классу соединений,
называемых терпенами. Терпены содержат в своих молекулах 10 атомов углерода (С
10-соединения) и включают два изопреновых фрагмента, соединенных друг с
другом последовательно («голова к хвосту»). Соединения с четырьмя изопреновыми
фрагментами (С 20 -соединения) называются дитерпенами, а с шестью
изопреновыми фрагментами -тритерпенами (С 30 -соединения). Сквален,
который содержится в масле из печени акулы, представляет собой тритерпен.
Тетратерпены (С 40 -соединения) содержат восемь изопреновых
фрагментов. Тетратерпены содержатся в пигментах жиров растительного и животного
происхождения. Их окраска обусловлена наличием длинной сопряженной системы
двойных связей. Например, β-каротин ответствен за характерную оранжевую
окраску моркови.
Технология переработки нефти и каменного угля
В конце XIX в. под влиянием прогресса в области теплоэнергетики, транспорта, машиностроительной, военной и ряда других отраслей промышленности неизмеримо возрос спрос и возникла острая необходимость в новых видах топлива и химических продуктах.
В это время зародилась и быстро прогрессировала нефтеперерабатывающая промышленность. Огромный толчок развитию нефтеперерабатывающей промышленности дало изобретение и быстрое распространение двигателя внутреннего сгорания, работающего на нефтепродуктах. Интенсивно развивалась также техника переработки каменного угля, служащего не только одним из основных видов топлива, но, что особенно примечательно, ставшего в рассматриваемый период необходимым сырьем для химической промышленности. Большая роль в этом деле принадлежала коксохимии. Коксовые заводы, ранее поставлявшие черной металлургии кокс, превратились в коксохимические предприятия, вырабатывавшие, кроме того, ряд ценных химических продуктов: коксовый газ, сырой бензол, каменноугольную смолу и аммиак.
На основе продуктов переработки нефти и каменного угля начало развиваться производство синтетических органических веществ и материалов. Они получили широкое распространение в качестве сырья и полуфабрикатов в различных отраслях химической промышленности.
Билет№10
Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.
| каменный уголь | торф | нефть | природный газ |
 |  |
||
| твердый | твердый | жидкость | газ |
| без запаха | без запаха | резкий запах | без запаха |
| однородный состав | однородный состав | смесь веществ | смесь веществ |
| горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений | скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер | природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов | смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород |
| Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива | |||
| 7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Каменный уголь.
Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.
Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.
Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.
Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:
1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);
2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);
3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);
4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).
Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.
При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.
Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.
Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.
Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.
Природный газ.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .
Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:
| СН 4 | С 2 Н 6 | С 3 Н 8 | С 4 Н 10 | N 2 и другие газы |
| 75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.
Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.
Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.
Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.
В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.
Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.
Сухая перегонка каменного угля.
Ароматические углеводороды получаются главным образом при сухой перегонке каменного угля. При нагревании каменного угля в ретортах или коксовальных печах без доступа воздуха при 1000–1300 °C происходит разложение органических веществ каменного угля с образованием твердых, жидких и газообразных продуктов.
Твердый продукт сухой перегонки – кокс – представляет собой пористую массу, состоящую из углерода с примесью золы. Кокс вырабатывается в огромных количествах и потребляется главным образом металлургической промышленностью в качестве восстановителя при получении металлов (в первую очередь железа) из руд.
Жидкие продукты сухой перегонки – это черная вязкая смола (каменноугольный деготь), и водный слой, содержащий аммиак, – аммиачная вода. Каменноугольного дегтя получается в среднем 3 % от массы исходного каменного угля. Аммиачная вода – один из важных источников получения аммиака. Газообразные продукты сухой перегонки каменного угля носят название коксового газа. Коксовый газ имеет различный состав в зависимости от сорта угля, режима коксования и т. д. Коксовый газ, получаемый в коксовальных батареях, пропускают через ряд поглотителей, улавливающих смолы, аммиак и пары легкого масла. Легкое масло, получаемое путем конденсации из коксового газа, содержит 60 % бензола, толуол и другие углеводороды. Большая часть бензола (до 90 %) получается именно этим способом и лишь немного – путем фракционирования каменноугольного дегтя.
Переработка каменноугольного дегтя. Каменноугольный деготь имеет вид черной смолистой массы с характерным запахом. В настоящее время из каменноугольного дегтя выделено свыше 120 различных продуктов. Среди них ароматические углеводороды, а также ароматические кислородсодержащие вещества кислого характера (фенолы), азотосодержащие вещества основного характера (пиридин, хинолин), вещества, содержащие серу (тиофен), и др.
Каменноугольный деготь подвергают фракционной перегонке, в результате которой получают несколько фракций.
Легкое масло содержит бензол, толуол, ксилолы и некоторые другие углеводороды. Среднее, или карболовое, масло содержит ряд фенолов.
Тяжелое, или креозотовое, масло: из углеводородов в тяжелом масле содержится нафталин.
Получение углеводородов из нефти Нефть – один из главных источников ароматических углеводородов. Большинство видов
нефти содержит лишь очень небольшое количество углеводородов ароматического ряда. Из отечественной нефти богата ароматическими углеводородами нефть Уральского (Пермского) месторождения. Нефть «Второго Баку» содержит до 60 % ароматических углеводородов.
В связи с дефицитностью ароматических углеводородов теперь пользуются «ароматизацией нефти»: нефтяные продукты нагревают при температуре около 700 °C, в результате чего из продуктов разложения нефти удается получить 15–18 % ароматических углеводородов.
32. Синтез, физические и химические свойства ароматических углеводородов
1. Синтез из ароматических углеводородов и гало-генопроизводных жирного ряда в присутствии катализаторов (синтез Фриделя-Крафтса).
2. Синтез из солей ароматических кислот.
При нагревании сухих солей ароматических кислот с натронной известью происходит разложение солей с образованием углеводородов. Этот способ аналогичен получению углеводородов жирного ряда.
3. Синтез из ацетилена. Эта реакция представляет интерес как пример синтеза бензола из углеводородов жирного ряда.
При пропускании ацетилена через нагретый катализатор (при 500 °C) происходит разрыв тройных связей ацетилена и полимеризация трех его молекул в одну молекулу бензола.
Физические свойства Ароматические углеводороды представляют собой жидкости или твердые тела с
характерным запахом. Углеводороды, имеющие в молекулах не более одного бензольного кольца, легче воды. В воде ароматические углеводороды растворимы мало.
Для ИК-спектров ароматических углеводородов характерны в первую очередь три области:
1) около 3000 см-1 , обусловленная валентными колебаниями С-Н;
2) область 1600–1500 см-1 , связанная со скелетными колебаниями ароматических углерод-углеродных связей и значительно варьирующая по положению пиков в зависимости от строения;
3) область ниже 900 см-1 , относящаяся к деформационным колебаниям С-Н ароматического кольца.
Химические свойства Важнейшими общими химическими свойствами ароматических углеводородов являются
их склонность к реакциям замещения и большая прочность бензольного ядра.
Гомологи бензола имеют в своей молекуле бензольное ядро и боковую цепь, например в углеводороде С 6 Н5 -С2 Н5 группа С6 Н5 – бензольное ядро, а С2 Н5 – боковая цепь. Свойства
бензольного ядра в молекулах гомологов бензола приближаются к свойствам самого бензола. Свойства боковых цепей, являющихся остатками углеводородов жирного ряда, приближаются к свойствам жирных углеводородов.
Можно разделить реакции бензольных углеводородов на четыре группы.
33. Правила ориентации в бензольном ядре
При изучении реакций замещения в бензольном ядре было обнаружено, что если в бензольном ядре уже содержится какая-либо замещающая группа, то вторая группа вступает в определенное положение в зависимости от характера первого заместителя. Таким образом, каждый заместитель в бензольном ядре обладает определенным направляющим, или ориентирующим, действием.
На положение вновь вводимого заместителя также оказывает влияние природа самого заместителя, т. е. электрофильная или нуклеофильная природа действующего реагента. Подавляющее большинство наиболее важных реакций замещения в бензольном кольце – это реакции электрофильного замещения (замена атома водорода, отщепляющегося в виде протона, положительно заряженной частицей) – реакции галогенирования, сульфирования, нитрования и др.
Все заместители по характеру своего направляющего действия делятся на две группы.
1. Заместители первого рода в реакциях электро-фильного замещения направляют последующие вводимые группы в орто– и параположение.
К заместителям этого рода относятся, например, следующие группы, расположенные в порядке убывания своей направляющей силы: -NH2 , -OH, – CH3.
2. Заместители второго рода в реакциях электро-фильного замещения направляют последующие вводимые группы в метаположение.
К заместителям этого рода относятся следующие группы, расположенные в порядке убывания своей направляющей силы: -NO2 , -C≡N, – SO3 H.
Заместители первого рода содержат одинарные связи; для заместителей второго рода характерно наличие двойных или тройных связей.
Заместители первого рода в подавляющем большинстве случаев облегчают реакции замещения. Например, для нитрования бензола нужно нагревать его со смесью концентрированных азотной и серной кислот, тогда как фенол С6 Н5 ОН можно успешно
нитровать разбавленной азотной кислотой при комнатной температуре с образованием орто– и паранитрофенола.
Заместители второго рода обычно вообще затрудняют реакции замещения. Особенно затруднено замещение в орто– и параположении и относительно легче происходит замещение в мета-положении.
В настоящее время влияние заместителей объясняют тем, что заместители первого рода являются электронодонорными (отдающими электроны), т. е. их электронные облака смещаются в сторону бензольного ядра, что повышает реакционную способность атомов водорода.
Повышение реакционной способности атомов водорода в кольце облегчает течение электрофильных реакций замещения. Так, например, при наличии ги-дроксила свободные электроны кислородного атома сдвигаются в сторону кольца, что повышает электронную плотность в кольце, причем особенно повышается электронная плотность у атомов углерода в орто-и параположениях к заместителю.
34. Правила замещения в бензольном ядре
Правила замещения в бензольном ядре имеют огромное практическое значение, так как дают возможность предсказать ход реакции и выбрать правильный путь синтеза того или другого нужного вещества.
Механизм реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду. Современные методы исследования дали возможность в значительной степени выяснить механизм замещения в ароматическом ряду. Интересно, что во многих чертах, особенно на первых стадиях, механизм электрофильного замещения в ароматическом ряду оказался сходным с механизмом электрофильного присоединения в жирном ряду.
Первой стадией электрофильного замещения является (как при электрофильном присоединении) образование p-комплекса. Электрофильная частица Xd+ связывается со всеми шестью p-электронами бензольного кольца.
Второй стадией становится образование р-комп-лекса. При этом электрофильная частица «вытягивает» из шести р-электронов два электрона для образования обычной ковалентной связи. Образовавшийся р-комплекс уже не обладает ароматической структурой: это нестабильный карбокатион, в котором четыре р-электрона в делокализованном состоянии распределены между пятью углеродными атомами, тогда как шестой углеродный атом переходит в насыщенное состояние. Вступивший заместитель X и атом водорода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости шестичленного кольца. S-комплекс – это промежуточный продукт, образование и структура которого были доказаны рядом методов, в частности спектроскопией.
Третья стадия электрофильного замещения заключается в стабилизации S-комплекса, которая достигается путем отщепления атома водорода в виде протона. Два электрона, участвовавшие в образовании связи С-Н, после отделения протона вместе с четырьмя делокализованными электронами пяти углеродных атомов дают обычную стабильную ароматическую структуру замещенного бензола. Роль катализатора (обычно А 1 Сl3 ) при этом
процессе заключается в усилении поляризации галогеналкила с образованием положительно заряженной частицы, которая и вступает в реакцию электрофильного замещения.
Реакции присоединения Бензольные углеводороды с большим трудом вступают в реакцию присоединения – не
обесцвечивают бромной воды и раствора КМnO4 . Однако в особых условиях реакции
присоединения все же возможны. 1. Присоединение галогенов.
Кислород при этой реакции играет роль отрицательного катализатора: в его присутствии реакция не идет. Присоединение водорода в присутствии катализатора:
C6 H6 + 3H2 → C6 H12
2. Окисление ароматических углеводородов.
Сам бензол исключительно стоек к окислению – более стоек, чем парафины. При действии энергичных окислителей (КМпО4 в кислой среде и др.) на гомологи бензола ядро бензола не окисляется, тогда как боковые цепи подвергаются окислению с образованием ароматических кислот.
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
Углеводороды все такие разные -
Жидкие и твёрдые, и газообразные.
Почему так много их в природе?
Дело в ненасытном углероде.
Действительно, этот элемент, как никакой другой, “ненасытен”: он так и стремится образовывать то цепи, прямые и разветвлённые, то кольца, то сетки из множества своих атомов. Отсюда множество соединений из атомов углерода и водорода.
Углеводороды – это и природный газ – метан, и другой бытовой горючий газ, которым наполняют баллоны – пропан С 3 Н 8 . Углеводороды – это и нефть, и бензин, и керосин. А ещё – органический растворитель С 6 Н 6 , парафин, из которого сделаны новогодние свечи, вазелин из аптеки и даже полиэтиленовый пакет для упаковки продуктов…
Важнейшими природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – каменный уголь, нефть, газ.
КАМЕННЫЙ УГОЛЬ
На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15% территории земного шара. Угольные бассейны могут тянуться на тысячи километров. Всего общегеологические запасы угля на земном шаре составляют 5 трлн. 500 млрд. тонн , в том числе разведанные месторождения -1 трлн. 750 млрд. тонн .
Различают три главных вида ископаемых углей. При горении бурого угля, антрацита – пламя невидимое, сгорание бездымное, а каменный уголь при горении издаёт громкий треск.
Антрацит – самый древний из ископаемых углей. Отличается большой плотностью и блеском. Содержит до 95% углерода.
Каменный уголь – содержит до 99% углерода. Из всех ископаемых углей находит самое широкое применение.
Бурый уголь – содержит до 72% углерода. Имеет бурый цвет. Как самый молодой из ископаемых углей, часто сохраняет следы структуры дерева, из которого он образовался. Отличается большой гигроскопичностью и высокой зольностью (от 7% до 38 %), поэтому используется только как местное топливо и как сырьё для химической переработки. В частности, путём его гидрогенизации получают ценные виды жидкого топлива: бензин и керосин.
Углерод основная составная часть каменного угля(99% ), бурого угля (до 72% ). Происхождение названия углерод, то есть, “рождающий уголь”. Аналогично и латинское название “карбонеум” в основе содержит корень карбо-уголь.
Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество органических веществ. Кроме органических веществ, в его состав входят и неорганические вещества, такие, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод – уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре 1000 0 С, образуется:
Коксовый газ – в его состав входят водород, метан, угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов.
Каменноугольная смола – содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и разные гетероциклические соединения.
Надсмольная или аммиачная вода – содержащая, как ясно из названия, растворённый аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества.
Кокс – твёрдый остаток коксования, практический чистый углерод.
Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить. Какова же география распространения этого полезного ископаемого?
Основная часть угольных ресурсов приходится на северное полушарие – Азию, Северную Америку, Евразию. Какие же страны выделяются по запасам и добыче угля?
Китай, США, Индия, Австралия, Россия.
Главными экспортёрами угля являются страны.
США, Австралия, Россия, ЮАР.
Главные центры импорта.
Япония, Зарубежная Европа.
Это очень экологически грязное топливо. При добыче угля происходят взрывы и возгорания метана, возникают определенные проблемы, связанные с окружающей средой.
Загрязнение окружающей среды – это любое нежелательное изменение состояния этой среды в результате хозяйственной деятельности человека. Это происходит и при добыче полезных ископаемых. Представим ситуацию в районе добычи угля. Вместе с углём на поверхность поднимается огромное количество пустой породы, которое за ненадобностью просто отправляют в отвалы. Постепенно образуются терриконы – огромные, в десятки метров высотой, конусообразные горы пустой породы, которые искажают облик природного ландшафта. А весь ли уголь, поднятый на поверхность, обязательно будет вывезен потребителю? Конечно, нет. Ведь процесс негерметичен. Огромное количество угольной пыли оседает на поверхность земли. В результате изменяется состав почв, грунтовых вод, что неминуемо повлияет на животный и растительный мир района.
Уголь содержит радиоактивный углерод - С, но после сжигания топлива опасное вещество вместе с дымом попадает в воздух, воду, почву, спекается в шлак или золу, которая используется для производства строительных материалов. В результате, в жилых домах стены и перекрытия “фонят” и представляют угрозу для здоровья человека.
НЕФТЬ
Нефть известна человечеству с древних времён. На берегу Евфрата она добывалась
6-7 тыс. лет до н. э. Использовалась она для освещения жилищ, для приготовления строительных растворов, в качестве лекарств и мазей, при бальзамировании. Нефть в древнем мире была грозным оружием: огненные реки лились на головы штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в нефти, летели в осаждённые города. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием “греческого огня”. В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.
Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч.
Различают легкую и тяжелую нефть. Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из нее битум, мазут, различные масла.
Нефть наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет) . Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 140 млрд. тонн.
В 2007 году российские учёные доказали мировому сообществу, что подводные хребты Ломоносова и Менделеева, которые находятся в Северном Ледовитом океане являются шельфовой зоной материка, а следовательно принадлежат Российской Федерации. О составе нефти, её свойствах расскажет учитель химии.
Нефть – это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл её можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.
Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.
Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями” . В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти используется в качестве топлива. Несмотря на “ свои 10%”, нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”, “кровью Земли”.
Нефть – маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым оттенком, иногда чёрная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная с характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная, как вода (например, в Суруханском месторождении в Азербайджане, в некоторых месторождениях в Алжире).
Состав нефти неодинаков. Но все они обычно содержат углеводороды трёх видов – алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.
Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Около ? мировых запасов нефти приходится на развивающиеся страны. (Учитель называет и показывает на карте).
Главные страны производители:
Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика.
В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:
Япония, Зарубежная Европа, США.
Нефть в сыром виде нигде не используется, а находят применение продукты нефтепереработки.
Переработка нефти
Современная установка состоит из печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции – отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения: бензин, лигроин, керосин. В печи имеется свернутая в змеевик длинная труба. Печь обогревается продуктами сгорания мазута или газа. В змеевик непрерывно подается нефть: там она нагревается до 320 - 350 0 Си в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну. Ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой около 40м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями – так называемые тарелками. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в тарелках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они частично сжижаются. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках, образуя газойлевуюфракцию; более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию; ещё выше – лигроиновую фракцию. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и после конденсации, образуют бензин. Часть бензина подаётся обратно в колону для “орошения”, что способствуют лучшему режиму работы. (Запись в тетради). Бензин – содержит углеводороды С5 – С11, кипящие в интервале от40 0 С до 200 0 С; лигроин – содержит углеводороды С8 - С14 с температурой кипения от 120 0 С до 240 0 С;керосин- содержит углеводороды С12 – С18, кипящие при температуре от180 0 С до 300 0 С; газойль - содержит углеводороды С13 – С15, отгоняют при температуре от 230 0 С до 360 0 С; смазочные масла- С16 – С28, кипят при температуре 350 0 С и выше.
После отгонки из нефти светлых продуктов остаётся вязкая чёрная жидкость – мазут. Он представляет собой ценную смесь углеводородов. Из мазута путём дополнительной перегонки получают смазочные масла. Неперегоняющуюся часть мазута называют гудроном, который используется в строительстве и при асфальтировании дорог.(Демонстрация фрагмента видеофильма). Наиболее ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает проблема: как удовлетворить все возрастающие потребности общества в автомобильном и авиационном топливе? Решение было найдено в конце 19 века русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым . В 1891 году он впервые осуществил промышленный крекинг керосиновой фракции нефти, что позволило увеличить выход бензина до 65-70% (в расчёте на сырую нефть). Только за разработку процесса термического крекинга нефтепродуктов благодарное человечество золотыми буквами вписало имя этого уникального человека в историю цивилизации.
Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке, включающей ряд сложных процессов, Один из них – крекинг нефтепродуктов (от английского “Сracking”-расщепление). Различают несколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокого давления, восстановительный. Термический крекинг заключается в расщеплении молекул углеводородов с длинной цепью на более короткие под действием высокой температуры (470-550 0 C). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:
В настоящее время наиболее распространён каталитический крекинг. Он проводится при температуре 450-500 0 С, но с большей скоростью и позволяет получать бензин более высокого качества. В условиях каталитического крекинга наряду с реакциями расщепления идут реакции изомеризации, то есть превращения углеводородов нормального строения в углеводороды разветвлённые.
Изомеризация влияет на качество бензина, так как наличие разветвленных углеводородов сильно повышает его октановое число. Крекинг относят к так называемым вторичным процессам нефтепереработки. К вторичным относят и ряд других каталитических процессов, например риформинг. Риформинг – это ароматизация бензинов, путём нагревания их в присутствии катализатора, например, платины. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, в следствии чего октановое число бензинов также существенно повышается.
Экология и нефтепромысел
Для нефтехимического производства особенно актуальна проблема окружающей среды. Добыча нефти связана с затратами энергии и загрязнением окружающей среды. Опасным источником загрязнения Мирового океана является морская нефтедобыча, также Мировой океан загрязняется при транспортировке нефти. Каждый из нас видел по телевизору последствия аварий нефтеналивного танкера. Чёрные, покрытые слоем мазута берега, чёрный прибой, задыхающиеся дельфины, Птицы, крылья которых в вязком мазуте, люди в защитных костюмах, собирающие нефть лопатами и вёдрами. Хочу привести данные серьёзной экологической катастрофы, которая произошла в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2 тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из - за чего погибла мелкая ракушка-сердцевидка-основная еда обитателей моря. На восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц. Литр нефти, попав в воду, растекается по её поверхности пятнами площадью 100 кв.м. Нефтяная пленка, хотя и очень тонкая, образует непреодолимую преграду на пути кислорода из атмосферы в водную толщу. В результате нарушается кислородный режим и океан “задыхается”. Гибнет планктон, являющийся основой пищевой цепи океана. В настоящее время нефтяными пятнами покрыто уже около 20% площади Мирового океана, и площадь, пораженная нефтяным загрязнением растет. Кроме того, что нефтяной пленкой покрыт Мировой океан, мы можем её наблюдать и на суше. Например, на нефтяных месторождениях Западной Сибири в год проливается нефти больше, чем вмещает танкер - до 20 млн. тонн. Около половины этой нефти попадает на землю в результате аварий, остальное – “плановые” фонтаны и утечки при запуске скважин, разведочном бурении, ремонте трубопроводов. Наибольшая площадь нефтезагрязнённых земель, по данным Комитета по окружающей среде Ямало-Ненецкого автономного округа, приходится на Пуровский район.
ПРИРОДНЫЙ И ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗЫ
В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан . Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%. Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО2; Н2О; Н2S, благородные газы. При сгорании природного газа выделяется много тепла.
По своим свойствам природный газ как топливо превосходит даже нефть, он более каллориней. Это самая молодая отрасль топливной промышленности. Газ ещё проще добывают и транспортируют. Это самое экономичное из всех видов топлива. Есть, правда, и недостатки: сложная межконтинентальная транспортировка газа. Танкеры – метанавозы, перевозящие газ в сжиженном состоянии представляют собой исключительно сложные дорогие конструкции.
Применяется в качестве: эффективного топлива, сырья в химической промышленности, в производстве ацетилена, этилена, водорода, сажи, пластмассы, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и др. Попутные (нефтяные газы) – природные газы, которые растворяются в нефти и выделяются при её добыче. В нефтяном газе содержится меньше метана, но больше пропана, бутана и других высших углеводородов. А где газ добывается?
Более 70 стран мира обладают промышленными запасами газа. Причём, как и в случае с нефтью, очень крупными запасами располагают развивающиеся страны. Но добычу газа ведут в основном развитые страны. Они имеют возможности для его использования или способ продавать газ другим странам, находящимися с ними на одном материке. Международная торговля газом менее активна, чем торговля нефтью. На международном рынок поступает около 15% добываемого в мире газа. Почти 2/3 мировой добычи газа дают Россия и США. Бесспорно ведущим регионом газодобычи не только нашей страны, но и в мире является Ямало-Ненецкий автономный округ, где эта отрасль развивается уже 30 лет. Наш город Новый Уренгой по праву признан газовой столицей. К крупнейшим месторождениям относятся Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное. Уренгойское месторождение включено в “Книгу рекордов Гиннеса”. Запасы и добыча месторождения уникальны. Разведанные запасы превышают 10 трлн. м 3 , с момента эксплуатации уже добыто 6 трлн. м 3 . В 2008 году ОАО “Газпром” планирует добыть на Уренгойском месторождении 598 млрд. м 3 “голубого золота”.
Газ и экология
Несовершенство технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает постоянное сжигание объёма газа на тепло-агрегатах компрессорных станций и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60 тыс. тонн загрязняющих веществ.
Нефть, газ, каменный уголь – это ценное сырьё для химической промышленности. В недалёком будущем им будет найдена замена в топливно-энергетическом комплексе нашей страны. В настоящее время учёные ведут поиск путей использования энергии солнца и ветра, ядерного горючего с целью полной замены нефти. Наиболее перспективным видом топлива будущего является водород. Сокращение использования нефти в теплоэнергетике – путь не только к более рациональному её применению, но и к сохранению этого сырья для будущих поколений. Углеводородное сырьё должно использоваться только в перерабатывающей промышленности для получения разнообразной продукции. К сожалению, ситуация пока не меняется, и до 94% добываемой нефти служит топливом. Д. И. Менделеев мудро говорил: “Сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”.
Loading...