§ 30. Поширення вуглеводнів у природі. Застосування вуглеводнів

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

дізнаєтесь про склад і властивості нафти, природного газу, кам'яного вугілля;
з'ясуєте, як переробляють нафту для одержання нафтопродуктів, які хімічні продукти можна одержувати з кам'яного вугілля.

Вуглеводні доволі поширені в природі. Вони трапляються у вигляді нафти, вугілля, природного, сланцевого, супутнього нафтового газу тощо.

Горючі гази

Природний газ відомий вам із повсякденного життя, адже більшість людей використовує його для приготування їжі, обігріву помешкань. Природний газ також є важливою сировиною для хімічної промисловості: з нього добувають сажу, водень, ацетилен та інші речовини, які, у свою чергу, перетворюють на синтетичні тканини, полімери (пластмаси), каучуки (з них виготовляють гуму).

Основним компонентом природного газу є метан СН₄. Його вміст за об'ємом у цій суміші може досягати 98 %, але зазвичай коливається в межах 85-95 %. Природний газ, крім метану, може містити 2-3 % гомологів метану (етан, пропан, бутан), а також незначну кількість інших домішок (гідроген сульфід H₂S. азот N₂, карбон(ІV) оксид СО₂ і водяну пару Н₂О) і залишки водню Н₂, чадного газу CO, інертних газів. Природний газ видобувають з газових і газоконденсатних (на шельфі Чорного моря) родовищ. Поклади природного газу в Україні зосереджені в Шебелинському (Харківська обл.) та Дашавському (Львівська обл.) родовищах.

Супутній нафтовий газ — суміш газоподібних вуглеводнів, розчинених у нафті, виділяються з неї під час видобутку і переробки. Вміст метану в супутньому нафтовому газі зазвичай становить до 90-98 %. Раніше супутні нафтові гази не знаходили застосування, тому під час добування нафти їх спалювали факельним способом. Тепер їх збирають і використовують як паливо і як цінну хімічну сировину. Із супутнього нафтового газу на газопереробних заводах виділяють метан, етан, пропан, бутан, а також виробляють газовий бензин.

Сланцевий газ — газ (об'ємна частка метану — 95 %), який міститься в незначних кількостях у низькопористих глинистих осадових породах, що залягають на глибинах від 1 до 6 км. Світові запаси становлять близько 200 трлн м³. Значні поклади розвідані й в Україні.

Болотний газ — газ, який виділяється внаслідок гниття органічних решток боліт. Основним його компонентом є метан. Також може містити незначну кількість СО₂, N₂, H₂S (останній надає газу неприємного запаху).

Рудниковий газ — газ, який виділяється з кам'яновугільних пластів. Основний компонент — метан (з домішками інших алканів).

Нафта

Нафта доволі поширена в природі й відома людині здавна. На території України родовища нафти є у Львівській, Полтавській, Сумській та Чернігівській областях, на шельфі Чорного й Азовського морів. Нафта — це оліїста рідина з характерним запахом, найчастіше темно-коричнева, інколи майже чорна. Нафта легша за воду і практично в ній не розчиняється. Густина нафти змінюється в широких межах — від 0,65 до 1,05 (зазвичай 0,82-0,95) г/см³. Через це нафта, потрапляючи у водойму, збирається на поверхні води.

За хімічним складом нафта — це суміш великої кількості органічних речовин, близько 90 % яких становлять різні (понад 900) вуглеводні. У багатьох родовищах вміст рідких насичених вуглеводнів доволі високий. Так, у Передкарпатському родовищі він сягає 65 %.

Елементний склад: нафта містить 83-87 % Карбону, 12-14 % Гідрогену, решта — Оксиген, Сульфур, Нітроген, а також у незначній кількості Фосфор, Бор, металічні елементи: Нікол, Ферум, Алюміній, Калій, Магній, Барій, Кобальт, Молібден.

До сьогодні нафту (точніше нафтопродукти, тобто продукти її переробки) зазвичай використовують як паливо: спаливши 1 мл нафти, 1 л води можна нагріти на 10 °С.

Переробляти нафту почали ще в середині XVIII століття. Сьогодні нафту піддають первинній переробці — фракційній перегонці (ректифікації):

1) нагрівання сирої нафти в печі до 400 °С;

2) пропускання парів нафти через ректифікаційну колону — пристрій для розділення рідких сумішей речовин, що являє собою вертикальний циліндр (заввишки 80 м і більше й до 8 м у діаметрі) з контактними пристроями («тарілками») усередині. У цих «тарілках» пари нафти охолоджуються і, залежно від температури кипіння, розділяються на різні частини — фракції.

Рис. 30.1. Ректифікаційні колони

Таблиця 30.1. Продукти перегонки нафти

Кількість атомів С, t°	Назва фракцій	Галузі застосування
С₅—С₁₂ 35-205 °С	бензин	Суміш легких вуглеводнів нафти; використовують головним чином як пальне для двигунів, а також як розчинник у хімічній промисловості
С₈—С₁₄ 120-240 °С	лігроїн	Використовують для вторинної переробки у виробництві алкенів, бензинів, а також як сировину для виробництва високооктанових добавок
С₁₂—С₁₈ 180-320 °С	гас	Використовують як пальне для тракторів, літаків, як компонент пальне для ракет, у гасових лампах
С₁₀—С₄₀ 300-310 °С	газойль	Один з компонентів дизельного пального, сировина для отримання молекул з меншою кількістю атомів Карбону
С₁₈—С₅₅ > 300 °С	мазут	Паливо для промислових печей; переганяють у вакуумних установках, одержуючи низку речовин, зокрема гудрон

Для одержання високоякісних бензинів продукти первинної переробки піддають вторинній переробці. За високої температури у присутності каталізатора будова алканів змінюється з нерозгалуженої на розгалужену, що змінює характеристики бензину.

Кам’яне вугілля

Кам’яне вугілля, як і природний газ чи нафта, є джерелом вуглеводнів і цінною хімічною сировиною. Вугілля переробляють переважно коксуванням і газифікацією. Унаслідок коксування, або сухої перегонки (за температури 1000 °С без доступу кисню), з кам’яного вугілля отримують:

леткі продукти, які містять амоніак, воду і коксовий газ (60 % Н₂; 25 % СН₄; 5 % CO; 4 % N₂; 2 % NO₂; 2 % С₂H₄; 2 % інших газів);
твердий залишок: пек (тверду масу чорного кольору) і власне кокс — пористу речовину темно-сірого кольору (його використовують як відновник у металургії, зокрема у виробництві чавуну).

Значну частину вугілля піддають процесам газифікації. Газифікація — перетворення вугілля за допомогою хімічних реакцій на горючі гази (CO, Н₂, СН₄). Вони утворюються в результаті окиснення вугілля недостатньою кількістю кисню, водяною парою, а також вуглекислим газом. Відбувається низка реакцій:

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

Однією з найважливіших властивостей пального є його детонаційна стійкість, тобто опірність пального до детонації (вибуху) під час стискання^1. Адже стискання робочої суміші у двигуні спричиняє підвищення тиску і відповідно температури, завдяки чому окиснення вуглеводнів може відбутися мимовільно, без іскри від свічок запалювання. Детонація супроводжується шумом і характерним вихлопом. Вона знижує потужність, спричиняє перегрів, пришвидшує зношування двигуна і навіть може призвести до його руйнування.

¹ Детонація — надзвуковий комплекс, що складається з ударної хвилі та екзотермічної хімічної реакції, яка відбувається після неї. Ударна (вибухова) хвиля є шкідливою для деталей двигуна: вона руйнує циліндри, клапани, кільця.

Октанове число — величина, яка визначає антидетонаційну характеристику пального для двигунів внутрішнього згоряння (бензинів).

За умовною шкалою антидетонаційні властивості ізооктану (2,2,4-триметилпентану) прийнято за 100 одиниць шкали, а н-гептану — за 0. Для бензинів з октановим числом понад 100 одиниць створено умовну шкалу, у якій використовують ізооктан з домішками тетраетилсвинцю (тривіальна назва речовини, формула якої (С₂Н₅)₄Рb). Тетраетилсвинець (ТЕС) — токсична металоорганічна сполука. З 1921 р. її застосовували як антидетонаційну присадку до пального, яка підвищувала його октанове число. Сьогодні замість ТЕС використовують менш токсичні речовини, наприклад етанол.

Аналогічно для описання характеристик дизельного пального застосовують цетанове число.

Підсумки

1. Природний газ, нафта, кам'яне вугілля є важливою сировиною для добування вуглеводнів, які широко використовують у народному господарстві.
2. Природний газ складається із суміші алканів, однак основний компонент — це метан. Його об'ємна частка може досягати 98 %. Окрім метану, в природному газі є певні кількості етану, пропану, бутану та інших речовин.
3. До складу нафти входить понад 900 органічних речовин. Нафта також містить мінеральні солі та механічні домішки.
4. Первинна переробка нафти полягає в термічній перегонці. Так добувають фракції: бензин, гас, лігроїн, газойль, мазут.
5. Під час переробки вугілля методом коксування одержують кокс, коксовий газ (суміш Н₂, СН₄, С₂Н₄ та інші), амоніачну воду й кам'яновугільну смолу.
6. Вугілля піддають процесам газифікації.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні складові природного газу.
2. Порівняйте хімічний склад природного газу і супутнього нафтового газу.
3. Які групи речовин виявлено в нафті?
4. Як здійснюють первинну переробку нафти?
5. Які продукти одержують у результаті первинної переробки нафти?
6. Для чого нафтопродукти піддають вторинній переробці?
7. Які є напрямки використання природного газу?
8. Як здійснюють коксування кам'яного вугілля?
9. Назвіть основні продукти, які отримують під час коксування кам'яного вугілля. З якою метою кам'яне вугілля газифікують?
10. Які газоподібні речовини входять до складу продуктів газифікації кам'яного вугілля?

Вправи та задачі

1. Із 78,4 л природного газу добули 141,4 г хлорометану СН₃Сl за реакцією

CH₄ + Сl₂ → CH₃Cl + HCl

Визначте об'ємну частку метану в природному газі.

2. У бензині масова частка вуглеводнів складу C₈H₁₈ становить 82 %, а С₇Н₁₆ — 18 %. Спалили 10 кг бензину. Який об'єм кисню (н. у.) витратили для спалювання бензину?

3. Природний газ містить метан, етан, азот і карбон(ІV) оксид. Об'ємні частки цих газів становлять відповідно 90 %, 6 %, 2 % і 2 %. Обчисліть об'єм кисню, необхідний для спалювання 5 м³ природного газу (н. у.).

4. У процесі газифікації кам'яного вугілля за реакцією, що описана рівнянням

С + 2Н₂ → СН_4,

одержали 336 м³ метану. Визначте: а) масу вуглецю, що прореагував; б) об'єм водню, який сполучився з вуглецем (н. у.)?

5. Під час газифікації кам'яного вугілля відбулися реакції

2С + О₂ = 2СО та CO + 3Н₂ → СН₄ + Н₂О

й утворилось 1500 м³ метану. Визначте: а) об'єми чадного газу і водню, що прореагували; б) масу води, що утворилася.

6. Чому дорівнює маса вуглецю, який добули унаслідок розкладу метану

СН₄→С + 2Н₂,

якщо під час згоряння одержаного водню отримали 4,8 моль води? Укажіть об'єм метану (н. у.), який розклали.

7. Укажіть об'єм газової суміші (н. у.), яка утворилась після реакції, описаної рівнянням С + Н₂О = CO + Н₂, якщо в реакцію вступило 24 кг вуглецю.