Хімія. 9 клас. Савчин

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 25. ПОШИРЕННЯ ВУГЛЕВОДНІВ У ПРИРОДІ. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

дізнатися про поширення вуглеводнів у природі та природні джерела вуглеводнів;
пояснювати склад природного газу, нафти та вугілля; поширення їх родовищ в Україні;
характеризувати вуглеводні, що входять до складу природних джерел, та їх значення;
оцінювати роль вуглеводнів у розвитку різних галузей промисловості й екологічні загрози їхнього використання.

Поширення вуглеводнів у природі. Природними джерелами вуглеводнів є родовища природного газу, нафти, кам'яного вугілля.

Рис. 84. Картосхема поширення природного газу, нафти та вугілля на території України

Україна багата на природні ресурси, які є справжнім багатством держави, її енергетичним та економічним ресурсом.

• Визначте, де поширений природний газ, користуючись картосхемою природних копалин України (рис. 84).

Природний газ: хімічний склад і поширення в природі. Природний газ — це природна суміш вуглеводнів, які утворилися в надрах Землі внаслідок розкладу органічних сполук. Як вам відомо, до складу природного газу входить переважно метан — 90-95 %. Решту становлять газоподібні насичені вуглеводні (зокрема, етан, пропан, бутан, пентан), а також у незначних об'ємних відсотках інші компоненти — гексан, азот, вуглекислий газ, гідроген сульфід (рис. 85, с. 158).

Рис. 85. Діаграма складу природного газу

Природний газ утворює газові родовища. Він може мати вигляд газової «шапки», яка є складовою частиною нафтових покладів, або бути розчиненим у нафті чи воді.

На території Західної України ще з початку ХХ ст. експлуатують родовища газу — Дашавське на Львівщині та Богородчанське на Івано-Франківщині.

Важливо зазначити, що нині розробляють нові родовища газу, які називають нетрадиційними (видобування газу з ущільнених пластів; сланцевий газ, метан — із вугільних пластів; метан — із шельфів Чорного й Азовського морів тощо). Застосовують цей газ як паливо та сировину для органічного синтезу (див. § 20, с. 132).

Супутні нафтові гази та їх поширення в природі. До природних джерел вуглеводнів належать супутні нафтові гази. Вони залягають у земних надрах разом з нафтою, утворюючи зверху нафти «шапку». Як і природний газ, супутні гази є сумішшю летких вуглеводнів. Відрізняються від природного газу тим, що вміст метану в них значно нижчий. Проте ці гази багаті на етан, пропан і бутан.

Хімічний склад таких газів становить: метан — 30-40 %; етан — 7-7,5 %; пропан — 21-22 %; бутан — 20-20,5 %. Оскільки в їхньому складі наявний високий вміст пропану й бутану, то суміш цих газів зріджують. Як уже зазначалося, нею наповнюють балони, а також її використовують як паливо в побуті й пальне для автотранспорту. Крім того, суміш газів використовують як хімічну сировину для синтезу пластмас і каучуків, органічних розчинників і клеїв, для виробництва газового бензину, моторного палива, водню й сажі.

Нафта: склад і поширення в природі. Нафта — це природна суміш вуглеводнів різних класів. Ви вже ознайомилися з гомологічним рядом насичених (алканами) і першими представниками двох рядів ненасичених (алкенів та алкінів відповідно) вуглеводнів. Але ними не вичерпується склад нафти. Вона містить насичені циклічні й ароматичні вуглеводні, домішки інших органічних сполук.

Нафта — це густа, в'язка рідина темно-бурого кольору (іноді чорного). Якщо крапнути її на воду, то вона збирається на поверхні тонким шаром, тобто нафта нерозчинна у воді й легша за неї. Вона має характерний запах, жирна на дотик, добре розчиняється в органічних розчинниках — бензині, хлороформі (рис. 86).

Рис. 86. Нафта

Нафта горить світним полум'ям (рис. 87).

Рис. 87. Горіння нафти

• Висловте своє судження про горіння нафти.

Вуглеводні, що входять до складу нафти, мають різні температури кипіння. Цю властивість узято за основу поділу нафти на окремі фракції методом перегонки.

Суть перегонки нафти полягає в тому, що за різних температур окремі вуглеводні випаровуються, а під час охолодження знову набувають рідкого стану.

Розглянемо, які фракції нафтопродуктів формуються під час перегонки.

За температури 40-80 °С утворюються вуглеводні з карбоновим ланцюгом С₅ — С₁₁. Цю фракцію називають бензиновою.

Коли температура досягає 150-200 °С, виділяється друга фракція — лігроїн, що містить суміш вуглеводнів складу С₈ — С₁₄. Наступна фракція — гас. Це суміш вуглеводнів більшої молекулярної маси складу С₁₂ — С₁₈. За температури 240-300 °С утворюється газойль. До його складу входять вуглеводні, що містять карбонові ланцюги С₁₁ — С_20. Усі названі вище фракції нафтопродуктів належать до рідких. Після їхньої перегонки залишається мазут — темна в'язка рідина, яку піддають подальшій переробці. З мазуту шляхом розщеплення додатково добувають бензин. Залишок мазуту після видобування з нього вазеліну та парафіну називають гудроном.

Застосування вуглеводнів різних фракцій перегонки нафти наведено в таблиці 13.

Таблиця 13

Застосування нафтопродуктів

Фракції нафти	Склад	Застосування
Бензин	С₅ — С₁₁	Автомобільне й авіаційне пальне, розчинник мастил
Лігроїн	С₈ — С₁₄	Розчинник лаків і фарб, дизельне пальне
Гас	С₁₂ — С₁₈	Пальне для котлів, дизельних двигунів
Газойль	С₁₁ — С₂₀	Пальне для дизельних двигунів
Мазут	> С₂₀	Мастила, парафін, вазелін, гудрон

Для підвищення відсотка виходу бензину проводять вторинну переробку нафтопродуктів. Високомолекулярні вуглеводні, що входять до складу мазуту, розщеплюють на вуглеводні з меншою молекулярною масою. Такий процес називають крекінгом. Він відбувається за високих температур і тиску та наявності каталізатора.

Крім указаних галузей, нафту застосовують у фармацевтичній і туковій промисловості, виробництві косметичних засобів, синтетичних барвників, фарб тощо.

• Пригадайте нафтоносні басейни України.

Вугілля. Це тверда викопна вуглеводнева сировина, яка утворилася з решток вимерлих рослин без доступу повітря.

Залежно від вмісту Карбону розрізняють три його різновиди. Найдавнішим за походженням є антрацит — вугілля, у якому масова частка Карбону становить 95 %. Кам'яне вугілля бідніше на вміст Карбону (75-90 %). І «наймолодше» — буре вугілля, у складі якого міститься 65-70 % Карбону.

Буре вугілля, як «наймолодше» з викопного вугілля, часто містить сліди структури дерева, з якого утворилося. Буре вугілля має високу гігроскопічність, тож після його спалювання залишається багато попелу (7-30 %). Тому цей різновид вугілля використовують як місцеве паливо та як сировину для хімічної переробки.

Кам’яне вугілля (рис. 88) — тверда суміш речовин чорного кольору, крихка, без запаху. Вугілля використовують як паливо в енергетиці, комунальному господарстві та інших галузях промисловості, оскільки згоряє воно з виділенням великої кількості тепла. Запаси кам'яного вугілля значно перевищують запаси нафти та природного газу.

Рис. 88. Кам'яне вугілля

Проте для хімії органічного синтезу важливі продукти переробки вугілля. Один зі способів переробки — коксування, що полягає в розкладанні кам'яного вугілля за високих температур без доступу повітря. Продукти коксування та їх склад подано на рисунку 89.

Рис. 89. Схема продуктів коксування кам'яного вугілля та їх складу

Усі продукти коксування набули широкого застосування в різних галузях промисловості.

Перспективним способом переробки вугілля з низьким вмістом Карбону є газифікація. Це процес перетворення твердого вугілля на суміш газів і рідких вуглеводнів окисненням за високих температур. Отриману газову суміш використовують як паливо. З рідкої фракції добувають суміш, подібну за складом до бензину.

На території України добувають вугілля в Донецькому, Львівсько-Волинському та Дніпровському кам'яновугільних басейнах.

Екологічні проблеми, спричинені використанням вуглеводневої сировини. Природний газ, який широко використовують у побуті та промисловості, екологічно є найбільш чистим паливом. Під час його згоряння виділяються речовини, які менш шкідливі, ніж ті, що утворюються при згорянні інших видів палива.

Однак спостерігається збільшення викидів вуглекислого газу в атмосферу, що є небезпечним для навколишнього середовища. Один із наслідків — виникнення парникового ефекту.

• Пригадайте, яку шкоду довкіллю завдає парниковий ефект.

Учені вважають, що парниковий ефект спричиняє різке підвищення температури, яке призводить до глобальної зміни клімату на планеті.

Нафта та нафтопродукти за недбалого поводження з ними теж становлять екологічну загрозу. Здебільшого вони забруднюють річки, озера, моря й океани.

Основними джерелами забруднення води є:

витік нафти та нафтопродуктів під час катастроф унаслідок пошкодження суден, які транспортують ці продукти;
зливання продуктів хімічної, нафтохімічної та гірничо-видобувної промисловості в річки, звідки вони потрапляють у моря й океани;
забруднення відходами життєдіяльності людей.

На поверхні води з нафти й нафтопродуктів утворюється плівка, яка не пропускає сонячне проміння й кисень у водне середовище. Це сповільнює процеси фотосинтезу, відповідно спричиняючи загибель водоростей, риб, водоплавних птахів та інших морських тварин.

Унаслідок забруднення стічними водами, які містять відходи промисловості, у річках, озерах, морях та океанах збільшується вміст гідроген сульфіду, солей нітратної та ортофосфатної кислот. Через це розмножується багато водоростей, вода «зацвітає». Це явище негативно впливає на інші екосистеми, водойми забруднюються, що може призвести до їх цілковитого зникнення. Самовідновлення екосистем — довготривалий процес.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Джерелами вуглеводнів є природні поклади газу, нафти та вугілля.

• Природний газ — суміш вуглеводнів, до складу якої входить: метан — 90-95 %, етан — 1-4 %, пропан — 1-1,5 %, бутан — 0,1-1 %, пентан — 1 %, а також у незначних об'ємних відсотках — гексан, азот, гідроген сульфід, вуглекислий газ. Застосовують як паливо та сировину для органічного синтезу.

• Супутні нафтові гази містять метан — 30-40 %, етан — 7-7,5 %, пропан — 21-22 %, бутан — 20-20,5 %. Характеризуються високим вмістом пропану й бутану. Сумішшю цих зріджених газів наповнюють балони, а також її використовують як паливо в побуті та пальне для автотранспорту. Крім того, застосовують як хімічну сировину для синтезу пластмас і каучуків, газового бензину тощо.

• Нафта — суміш, до складу якої входять вуглеводні різних класів. Під час термічного розкладу утворює нафтопродукти: бензин, лігроїн, гас, газойль, мазут. Усі нафтопродукти набули широкого застосування: авіаційний та автомобільний бензин, пальне для котлів і дизельних двигунів, мастила, парафін, вазелін, гудрон тощо.

• Кам'яне вугілля — тверда викопна вуглеводнева сировина, що містить 75-90 % Карбону. Продуктами переробки (коксування) кам'яного вугілля є кокс, кам'яновугільна смола, коксовий газ, надсмольна вода. Усі продукти коксування використовують у металургійній промисловості та промисловості органічного синтезу.

• Природний газ, нафта й нафтопродукти, кам'яне вугілля за неправильного використання їх у промисловості загрожують навколишньому середовищу.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Назвіть природні джерела вуглеводневої сировини.
2. Охарактеризуйте склад найпоширеніших джерел вуглеводнів: а) природного газу; б) нафти; в) кам'яного вугілля.
3. Обчисліть масову частку Карбону в бутані.
4. Обчисліть об'єм кисню (н. у.), який витратиться для повного згоряння природного газу об'ємом 20 м³, уважаючи, що він складається тільки з метану.
5. Обчисліть об'єм кисню (н. у.), що буде використано для згоряння дизельного пального масою 424 кг з масовою часткою Карбону 60 %, нехтуючи невуглеводневими домішками.
6. Обчисліть об'єм кисню (н. у.) і повітря, що витратяться для згоряння бензину масою 848 кг з масовою часткою Карбону 84,9 %. Невуглеводневими домішками в бензині знехтуйте.
7. Сучасні модернізовані автомобільні двигуни витрачають бензин масою 5 кг на 100 км пройденого шляху. Обчисліть, який об'єм повітря буде витрачено на спалювання бензину, якщо до його складу входить Карбон із масовою часткою 86 %, а решта — Гідроген.
8. Трактор за робочий день використав 30 кг пального, у якому масова частка Карбону становить 52 %, а решта — Гідроген. Обчисліть об'єм витраченого повітря й об'єм карбон(IV) оксиду (н. у.), що виділився в атмосферу.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Великою екологічною загрозою для довкілля є скупчення сміття, особливо на сміттєзвалищах. Унаслідок процесів гниття накопичуються гази, що можуть самозайматися. Під час горіння утворюється значна кількість вуглекислого та чадного газів, гідроген сульфід, амоніак. Побічним продуктом горіння пластмаси та поролону може бути й ціанідна кислота.

На Грибовицькому сміттєзвалищі, що на Львівщині, є гудронні озера. Ці нафтопродукти розкладаються не тільки за високих температур, а й під дією світла. Утворюються ароматичні вуглеводні, діоксини — хімічні речовини, надзвичайно небезпечні для навколишнього середовища й здоров'я людини.

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ

І. Виконайте навчальний проект з теми «Альтернативні джерела енергії».

ІІ. Проведіть презентацію проекту.