Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Лашевська

§ 14. Застосування вуглеводнів

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • установлювати причиново-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями, зберіганням, транспортуванням і застосуванням вуглеводнів та їхнім упливом на довкілля;
  • дотримуватися правил безпечного поводження з вуглеводнями та їхніми похідними в побуті;
  • усвідомлювати необхідність збереження довкілля під час добування й застосування вуглеводнів;
  • обґрунтовувати застосування вуглеводнів їхніми властивостями;
  • оцінювати пожежну небезпечність вуглеводнів; екологічні наслідки порушення технологій добування й застосування вуглеводнів та їхніх похідних;
  • висловлювати судження щодо значення засобів захисту рослин і їхнього впливу на здоров’я людей та довкілля за неправильного використання їх.

Причиново-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями, зберіганням, транспортуванням і застосуванням вуглеводнів та їхнім упливом на довкілля розгляньмо на прикладах з повсякденного життя. Погляньмо на вуглеводні та їхні похідні очима представників і представниць різних професій у галузях видобування та перероблення нафти й газу, транспорту, енергетики, екології, медицини, фармації, кулінарії, поліграфії тощо та пересічних громадян і громадянок.

Вуглеводні — займисті вогне- та вибухонебезпечні речовини, багато з яких становлять небезпеку для довкілля. Тому їхні видобування, транспортування та використання як у виробничих умовах, так і в побуті пов’язані з неабиякими ризиками та потребують великої обережності. Однією із серйозніших небезпек на підприємствах з перероблення газу й нафти є утворення та вибухання парогазових сумішей, викиди в атмосферу парникових газів, отруйного сірководню та інших шкідливих речовин, забруднення довкілля нафтопродуктами. Аварії на таких підприємствах можуть завдати шкоди не лише їм самим, а й перетворити навколишню місцевість на зону екологічного й економічного лиха. Дуже небезпечними є й вибухи побутового газу, особливо в багатоквартирних будинках. Численні підтвердження цього ви знайдете на сайті Державної служби України з надзвичайних ситуацій та в повідомленнях ЗМІ.

Вуглеводні широко використовують як паливо. У цьому ви легко пересвідчитеся після того, як проаналізуєте рисунок 14.1, оціните здобуту інформацію й доповните її на основі власного життєвого досвіду. Адже вуглеводні щодня трапляються людині чи не на кожному кроці (наведіть кілька прикладів).

Цікаво і пізнавально

Реакції горіння вуглеводнів використовують для генерування теплової, світлової, електричної, механічної енергії тощо.

• Складіть рівняння реакцій горіння метану, пропану, н-бутану, н-пентану, октадекану С18Н38 (складник парафіну), етину, добування етину гідратацією кальцій карбіду, зазначте тепловий ефект реакцій. Наведіть інші приклади застосування реакцій горіння вуглеводнів з огляду на свій життєвий досвід.

1. Перший в Україні газовий завод, що виробляв світильний газ1 для освітлення вулиць, запрацював 1858 року у Львові. Вісім років потому газові ліхтарі засвітили в Одесі, 1871 року - у Харкові. 2 листопада 1872 року вулиці Києва також почали регулярно освітлювати газовими ліхтарями. Газ підвели до пам’ятника Св. Володимиру. Хрест, що сяяв над містом, був дороговказом для тих, хто мандрував чи йшов на прощу. Нині на землі залишилося лише кілька осіб цієї професії, які запалюють і гасять газові ліхтарі. Одна з них робить свою роботу на вулиці Вроцлава, Польща

1 Світильний газ (міський газ, кам’яновугільний газ) - суміш водню (50 %), метану (34 %), карбон(ІІ) оксиду (8 %) та інших горючих газів, що утворюється внаслідок високотемпературної сухої перегонки кам’яного вугілля або нафти.

2. Свічка як освітлювальний прилад є простим, але ефективним інженерним рішенням. Її дослідженню, зокрема, присвячено роботу Майкла Фарадея «Історія свічки». Німецький хімік, геолог, промисловець, дослідник природи, філософ Карл фон Райхенбах у 1830 році відкрив парафін. З тих часів переважно саме з парафіну й виготовляють свічки

3. Міська аптека у Віслоху (Німеччина) була першою «АЗС1» у світі, тому що в ній Берта Бенц 5 серпня 1888 року придбала пальне (лігроїн тоді продавали в аптеках як засіб для чищення й вибавляння плям), щоб заправити автомобіль, який винайшов її чоловік Карл Бенц. Це була перша у світі автомобільна поїздка на велику відстань. Її Берта здійснила разом з двома малолітніми синами. Вона зробила це за власного ініціативою й потайки від чоловіка - для того, щоб привернути увагу громадськості до його винаходу. У 2008 році Меморіальний маршрут Берти Бенц офіційно визнано маршрутом німецької промислової спадщини

1 Автомобільна заправна станція.

4. Першу гасову лампу побачив у Багдаді та описав перський енциклопедист алхімік Ap-Разі (IX ст.). Еволюцію цього освітлювального приладу можна простежити в інтер’єрі ресторану «Гасова лямпа», у Львові на Вірменській вулиці. Гостей біля входу в ресторан «зустрічають» винахідники гасу й гасової лампи. Бронзовий Ян Зег «розмістився» за столом, а його колега Ігнасій Лукасевич «стежить за порядком» з вікна третього поверху

5. У карбідній лампі джерелом світла є відкрите полум’я струменя ацетилену, який утворюється внаслідок хімічної реакції кальцій карбіду з водою. На початку XX ст. в будинках, на вулицях, у готелях, фабриках, школах, лікарнях, судах, маяках почали використовувати світильники з яскравим ацетиленовим полум’ям. І досі ацетиленові ліхтарі використовують у спелеології

6. Газове зварювання й різання металів почали інтенсивно використовувати із середини XIX століття. Цей високотемпературний процес відбувається із застосуванням суміші кисню і газуватого пального, переважно ацетилену, рідше - пропану, бутану тощо

Рис. 14.1. Приклади використання горіння вуглеводнів для генерування енергії

Не лише горінням вуглеводні служать людям. Наприклад, вазелінова олія - суміш рідких насичених вуглеводнів із кількістю атомів Карбону в ланцюзі до 15 - прозора рідина без запаху й смаку, яку використовують у медицині, парфумерії та косметології. Вазелін - суміш рідких і твердих алканів складу С1835 - застосовують у медицині, у складі косметичних засобів і в техніці - як мастило та для просочування паперу й тканин.

Озокерит (від грец. όζω - пахну і κηρός - віск), або гірський віск, - суміш високомолекулярних твердих насичених вуглеводнів природного походження. Його використовують у радіо- й електротехніці як електроізоляційний матеріал, у хімічній промисловості - для виробництва лаків, у медицині - для виготовлення вазеліну, мазей, кремів тощо, а також, так само як і парафін, для теплолікування. Гарячі парафін і озокерит не обпікають шкіру, бо через низьку теплопровідність віддають тепло повільно, невеликими порціями (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Теплотерапія з використанням озокериту (1) і парафіну (2) - ефективна лікувальна процедура та засіб догляду за шкірою

Головним складником лікарських засобів у формі спреїв для швидкого охолодження місць забиття, розтягнення м’язів, зв’язок, переламів тощо є зріджені гази - пропан, бутан та ізобутан, н-пентан. Після потрапляння на шкіру ці речовини миттєво випаровуються, температура обробленої ділянки тіла знижується. Це сприяє тамуванню болю.

Пропан, ізобутан, пропен широко використовують як холодоагенти, які, на відміну від галогенопохідних алканів, не руйнують озоновий шар.

Алкани нерозгалуженої будови використовують як поживне середовище для вирощування мікроорганізмів (дріжджів, бактерій) у виробництві кормового білка.

Вуглеводні — складники багатьох органічних розчинників. Нафтові розчинники - фракції, добуті перегонкою нафти. Вони складаються із сумішей вуглеводнів (парафінів, циклопарафінів, аренів). Це прозорі оліїсті рідини з характерним запахом нафтопродуктів, легкозаймисті й токсичні. Найвідоміші з них - бензини, гас, уайт-спірит (рис. 14.3). Їх використовують на виробництві та в побуті для розбавляння фарб, промивання деталей, видалення забруднень і консервувальних покриттів (шару мастила, наприклад).

Рис. 14.3. 1. Уайт-спірит. 2. Бензин калоша. 3. Сольвент

Сольвент - суміш ароматичних вуглеводнів (їхня частка становить близько 56 %) з невеликим умістом циклопарафінів, парафінів і ненасичених циклічних вуглеводнів. Його застосовують для розчинення масел, бітумів, каучуків, полімерних смол.

Важливо пам’ятати, що рідкі гомологи метану, зокрема складники гасу й бензину, та багато галогенопохідних вуглеводнів - токсичні речовини. Потрапляння їх в організм через органи дихання та шкіру спричиняє як гострі, так і хронічні отруєння. Особливо небезпечним є ефект звикання до них - токсикоманія.

• Пригадайте з курсу основ здоров’я, чим небезпечна токсикоманія. Змоделюйте ситуацію відмови від небезпечних пропозицій.

Вуглеводні — сировина для органічного синтезу й добування деяких неорганічних речовин. З метану, наприклад, добувають сажу, водень, етин (складіть рівняння відповідних реакцій). З гомологів метану синтезують найрізноманітніші органічні сполуки, без яких важко уявити повсякденне життя. Етен - мономер для виробництва поліетилену, сировина для виробництва етанолу й багатьох інших органічних речовин. Гідратацією етину добувають етаналь. Відомо дуже багато схем синтезів різноманітних сполук на основі вуглеводневої сировини. Бензин, гас, мастила, пластмаси, засоби для прання та чищення, лікарські препарати, засоби захисту рослин, фарби, клеї тощо - усе це продукти перероблення вуглеводнів.

• Складіть рівняння реакцій, про які йшлося в цьому пункті параграфа, зазначте їхні типи.

Засоби захисту рослин чи стійкі органічні забруднювачі? Ідеться про похідні вуглеводнів, які використовують для боротьби з бур’янами, шкідниками та хворобами рослин. Про одну з таких речовин ви вже дізналися з курсу хімії 9 класу. Це ДДТ С14Н9Сl5 - ефективний інсектицид, який застосовували проти комарів, сарани, малярійного комара, шкідників бавовника, соєвих бобів, арахісу. Заборонений для застосування в багатьох країнах через те, що здатний накопичуватися в організмі тварин, людини і майже не розкладається в довкіллі. Інші подібні за дією речовини - продукти хлорування бензену - 1,2,3,4,5,6-гексахлоробензен та 1,2,3,4,5,6- гексахлороциклогексан або гексахлоран1 (рис. 14.4).

1 Про цю речовину ви дізналися з § 12.

Рис. 14.4. Щодо цих речовин діє Стокгольмська конвенція про СОЗ, згідно з якою виробництво й використання їх заборонено в усьому світі

• Порівняйте склад і будову молекул речовин, моделі яких зображено на рисунку 14.4. Поміркуйте й зробіть припущення, чим зумовлені водночас їхні висока ефективність у боротьбі зі шкідниками і небезпечність для довкілля.

Цікаво і пізнавально

Відомо, що речовини, подібні до ДДТ, виробляють симбіотичні бактерії, які мешкають у морських губках і, мабуть, у такий спосіб захищають своїх хазяїв від поїдання.

Вуглеводні використовують не лише люди, а й бактерії, рослини і тварини. Торф’яні болота - одне з основних джерел метану - парникового газу, який утворюється внаслідок розкладання рослинних решток без доступу повітря. Однак у торфовищах метан не лише утворюється, а й поглинається. Убирають його сфагнові мохи, що живуть у симбіозі з бактеріями, які використовують метан як джерело живлення й енергії.

Є бактерії, здатні окиснювати й інші насичені вуглеводні. На цьому базується прогресивна біотехнологія очищення ґрунтів від забруднення нафтопродуктами. Деякі з вищих насичених вуглеводнів є складниками феромонів тварин. Запах феромонів приваблює або відлякує комах. Наприклад, феромон тривоги в мурашок-древоточців роду Camponotus містить насичені вуглеводні з десятьма й дванадцятьма атомами Карбону в ланцюзі - декан і додекан (складіть хімічну формулу додекану). Вуглеводні складу С16 - С36 у поверхневому шарі кутикул рослин запобігають їхньому висиханню. У ході еволюції алкани й алкени нормальної будови, які виробляють квітки орхідеї роду Офріс (Ophrys Sphegodes), набули нової функції - приваблювання комах.

Етен є фітогормоном, який сприяє дозріванню плодів і спричиняє опадання листків рослин. Найактивніше етен виробляють зрізані квіти та плоди в період дозрівання. Це потрібно брати до уваги під час зберігання й транспортування овочів і фруктів.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Між складом, будовою, властивостями, зберіганням, транспортуванням і застосуванням вуглеводнів та їхнім упливом на довкілля існують причиново-наслідкові зв’язки.

• Вуглеводні широко використовують на виробництві й у повсякденному житті.

• Вуглеводні становлять пожежну небезпеку.

• Унаслідок порушення технологій добування й застосування вуглеводнів та їхніх похідних, зокрема засобів захисту рослин, виникають складні екологічні й економічні ситуації.

• Необхідно дотримуватися правил безпечного поводження з вуглеводнями та їхніми похідними на виробництві й у побуті; усвідомлювати необхідність збереження довкілля під час добування й застосування їх.

Перевірте себе

1. Чим небезпечні вуглеводні під час використання на виробництві? У побуті? 2. Для чого використовують реакції горіння вуглеводнів? 3. Наведіть приклади застосування вуглеводнів, не пов’язані з горінням цих речовин. 4. Яку небезпеку для довкілля становлять вуглеводні та їхні галогенопохідні?

Застосуйте свої знання й уміння

5. У позаминулому столітті в сольовій копальні «Камера Спалена» у горі Величка (Польща) робітники, яких називали «грішниками, що каються», надягали мокрий одяг із каптурами й колінкували шахтами, тримаючи вертикально в руці довгі ціпки, на кінцях яких жевріли смолоскипи. Поясніть їхні дії. 6. Поясніть, чому в інструкції з використання спреїв на основі вуглеводнів для швидкого охолодження враженої ділянки тіла є засторога: «Заборонено зберігати за температури понад 50 °С, тримати під прямими сонячними променями, розпилювати поблизу відкритого вогню». 7. Поясніть, чому: а) жирову пляму з тканини вибавляють не водою, а бензином; б) для вибавляння з тканини чи паперу парафінової плями потрібно пропрасувати її через кілька шарів пористого паперу гарячою праскою. 8. Проаналізуйте побутові поради, у тексті яких пропущено слово, що позначає суміш алканів. Визначте, про що йдеться, обґрунтуйте свою думку. «Для запобігання корозії металевих інструментів розітріть по їхній поверхні тонким шаром трохи ..., щоб захистити від вологи. Щоб зробити поверхню шкіряного взуття водовідштовхувальною, змастіть її ... і ретельно розітріть. Щоб кришечка слоїка з лаком для нігтів не присихала до його шийки, змастіть різьбу невеликою кількістю ...». Порівняте вашу відповідь із відповідями ваших однокласників і однокласниць. Чи однакової думки ви дійшли? 9. Нещодавно влада Берліна ухвалила рішення замінити старовинні газові ліхтарі на електричні. Оцініть економічні, екологічні та історико-культурні наслідки цих дій. Ви схвалюєте їх чи засуджуєте? Чому? 10. Поясніть, чому небезпечно купувати засоби захисту рослин і боротьби з комахами на стихійних ринках. 11. Квіти й фрукти на полотнах митців милують око й уражають свіжістю. Однак у повсякденному житті таке сусідство недоцільне - квіти швидше в’януть, плоди жовтіють, стають зморшкуватими. Поясніть причину цього явища. 12. Задля збільшення терміну зберігання овочів і фруктів у холодильнику створено спеціальну тару - пакетики (саше) з пористого паперу. Покриття стінок пакетика містить калій перманганат у суміші з глиною, ця сама гранульована суміш міститься в пакетиках. Як ви вважаєте, чи відповідають ці товари своєму призначенню? Обґрунтуйте свою думку.

Творча майстерня

13. Підготуйте презентацію «Як ми використовуємо вуглеводні». 14. Підготуйте стисле повідомлення «ПАУ1 - підступні вороги чи ключ до розгадки появи життя на Землі?»

1 Поліциклічні ароматичні вуглеводні.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=4ygS20QrGgk
  • https://www.youtube.com/watch?v=FJjTGonolM4
  • https://www.youtube.com/watch?v=L1eTe-5rqe4
  • https://www.youtube.com/watch?v=3WkIWJW9Quo