Природні джерела органічних речовин. Основні види палива та їхнє значення в енергетиці.

Основні енергоносії та сировинні ресурси органічної хімії (нафта, природний газ та кам’яне вугілля), сьогодні і протягом наступного ХХІ століття будуть визначати розвиток органічної хімії, стан всієї економіки та благополуччя громадян України. Після Чорнобильської катастрофи в 1986 році стало зрозуміло, що вирішити всі енергетичні проблеми атомна енергетика не в змозі.

1Природні джерела вуглеводнів.

Теорії походження горючих корисних копалин.

Вуглеводні зустрічаються в природі у вигляді переважно природного газу, нафти, кам’яного вугілля. Є два способи використання цих горючих копалин:

а) у вигляді палива – як джерело енергії,

б) у вигляді сировини для подальшої переробки – органічний синтез.

З вуглеводнів, виділених з нафти, природний газ і вугілля, можна добути багато різних речовин, а з них виробити ще більше корисних матеріалів.

Природний газ, нафта, вугілля належать до не відновлюваних природних ресурсів. Тому розвідують нові родовища, експлуатують уже відкриті так, щоб максимально вилучити з них копалини і раціонально використовувати їх.

Зрозуміло, що доцільніше хімічно переробляти природні джерела вуглеводів, ніж палити в котельнях, двигунах, промислових печах і т.д.

Є різні погляди на походження горючих копалин.

а) прихильники теорії органічного походження вважають, що поклади утворюються із решток вимерлих рослин і тварин, що перетворились на суміші вуглеводів у товщі Землі підприємство дією бактерій, високих тисків і t°.

б) За теорією мінерального (вулканічного) походження горючих копалин, на первісній стадії формування планети Земля метали сполучались з вуглецем, утворюючи карбіди. У результаті реакції карбідів з водою (водною парою) у глибинах утворюють газуваті вуглеводні (метан, ацетилен), підприємство впливом t°, радіації, каталізаторів з них утворююся інші сполуки, що містяться у нафті. У верхніх шарах літосфери рідкі нафтові компоненти випаровувались, рідина загусала, перетворювалась на асфальт і далі на вугілля.

Цю теорію вперше висловив Д. Менделєєв. А на початку ХХ ст. французький вчений П. Сабатьє змоделював описаний процес у лабораторії і добув суміш вуглеводнів, подібну до нафти.

Природній і супутній нафтові гази.

У природному газі містяться вуглеводні з низькими відносинами молекулярними масами. Переважає в суміші метан – 80-90% масова частка середньому. Решта – гомологи металу: етан, пропан, бутан і т.д.

З давніх-давен людині були відомі гази природні горючі, що виділялись в деяких місцевостях з тріщин земної кори. Деякі народи вважали священним вогонь у місцях постійного виходу природного газу, що займались під час грози.

У товщі Землі природний газ перебуває у стиснутому стані. Якщо просвердлити свердловину, газ під тиском виходить на поверхню. Його можна транспортувати на великі відстані, спрямувавши в газопровід. Звідти газ іде на заводи, житлові приміщення (як паливо). При використанні в побуті газу згоряє багато цінних речовин, хоча його використовують в побуті замість дров і вугілля вважають тепер поступом.

Природний газ ще переробляють на різні цінні хімічні продукти: такі як сировина для добування ацетилену, водню (в хімічному синтезі аміаку). Сажа з метану використовується для виготовлення фарби для друку, гумових виробів (як наповнювач).

Супутний нафтовий газ.

Є поклади природного газу, який залягає разом з нафтою і разом з нею виходить на поверхню із свердловини.

Це супутній нафтовий газ – суміш летких вуглеводнів: метану до 40%, решта його гомологи та інші гази.

Суміш газів розділяють і використовують як паливо і як хімічну сировину. Суміш пропану і бутану зріджують і зберігають підприємство тиском у балонах, що дає змогу транспортувати газ у місця, не підключені до мережі газопроводів.

Зріджений газ використовують у газових запальниках.

Природний газ.

У природі вуглеводні зустрічаються переважно у вигляді природного газу, нафти, кам'яного вугілля. Є два способи використання цих горючих копалин: один – у вигляді палива, тобто як джерела енергії, інший – у вигляді сировини для подальшої переробки. Перший спосіб означає звичайне спалювання, другий – це органічний синтез. З вуглеводнів, виділених з нафти, природного газу і вугілля. Можна добути багато різних речовин, а з них виробити ще більше корисних матеріалів.

Природний газ.

Газуватими за нормальних умов є вуглеводні з низькими відносними молекулярними масами, саме вони і містяться у природному газі. Переважає в цій суміші метан – його масова частка там від 80 до90%, решта – гомологи метану: етан, пропан, бутан та інші гази.

Природні горючі гази, що виділялися в деяких місцевостях з тріщин земної кори, були відомі людині з давніх-давен. Подекуди ці гази займалися, наприклад під час грози. Деякі народи вважали священним вогонь у місцях постійного виходу природних газів.

У товщині земної кори природний газ перебуває у стиснутому стані. Якщо просвердлити свердловину, газ під тиском виходить на поверхню. Спрямувавши газ у газопровід, можна транспортувати його на великі відстані.

Із газопроводів газ потрапляє на заводи і в житлові приміщення, де використовується як правило. В Україні триває газифікація населених пунктів. Використання в побуті газу замість дров і вугілля є поступом, хоча при цьому згоряє багато цінних речовин.

Природний газ широко використовується у промисловості. У доменних печах метан згоряє до вуглекислого газу, який реагуючи з коксом, утворює відновник карбон (ІІ)оксиду. Під час виробництва сталі мартенівським способом природний газ використовується як джерело теплоти. З цією ж метою застосовують метан і в скловарних печах.

Природний газ не лише спалюють, а й переробляють на різні цінні хімічні продукти. Він є сировиною для добування ацетилену, водню, що використовується в хімічному синтезі, наприклад аміаку. Сажа, добута з метану, використовується для виготовлення друкарської фарби, гумових виробів (як наповнювач). Застосування природного газу – це, по суті, застосування метану.

Нафта. Склад, властивості нафти.

За фізичними властивостями нафта – це густа оліїста рідина зі специфічним запахом, темно-бурого чи чорного кольору, легша за воду і нерозчинна в ній. Нафта різних родовищ відрізняється за складом, густиною, кольором, запахом тощо.

Нафторозвідники вмивають руки та обличчя нафтою – так святкується відкриття нового родовища

Нафта не є індивідуальною речовиною, це суміш близько 1000 різних речовин, серед яких переважають рідкі насичені вуглеводні, в ній також містяться домішки сульфуро-, нітрогено-, оксигеновмісних органічних сполук, водний розчин неорганічних солей.

Нафта відома людям здавна. Її почали використовувати близько 5000 років тому в місцях, де вона просякала на поверхню грунту. Горючість нафти помітити було неважко, тому й застосовувалась вона переважно як паливо, для освітлення, а також як мастило. Нафтопродукти використовувалися стародавньою медициною у вигляді мазей, для бальзамування мумій тощо. Сирою нафтою обробляли днища кораблів для гідроізоляції. Стародавні шумери застосовували нафтовий бітум як будівельний матеріал, у Китаї нафта використовувалась з військовою метою.

Нафта входила до складу відомого в стародавні часи так званого «грецького вогню», що займався від контакту з водою і спалив не один військовий корабель. Погасити його можна було тільки піском.

Основні види палива та їхнє значення в енергетиці.

Людство давно усвідомило, що нафта – надто цінна хімічна сировина, щоб спалювати її у вигляді пального. До того ж, ресурси цієї копалини на планеті швидко скорочуються. У звязку з цим постає питання про заміну нафти як джерела енергії і сировини.

Принципово ця проблема може бути розв’язана за рахунок використання вугілля, запаси якого в природі значно більші. Ніж запаси нафти. У вугіллі міститься вільний вуглець, який можна перетворити на різні речовини хімічним способом. Однак таке перетворення потребує значних матеріальних затрат, отже продукт, добутий з вугілля, буде дорожчим, ніж добутий з нафти. У промисловості розроблено технологію виробництва рідкого пального з вугілля. Під час другої світової війни у Німеччині, яка не має власних джерел нафти, саме з вугілля виробляли пальне, мастила тощо.

Проте поки що використання цього методу економічно не доцільне.

Інший шлях заміни нафтопродуктів – використання органічних відходів та біомаси, основною складовою якої є органічна сполука целюлоза.

Пальне для двигунів внутрішнього згорання буває різних сортів, що характеризуються так званим «октановим числом» – 76, 92, 93, 95 тощо.

Швидкість згоряння пального залежить від того, які вуглеводні входять до його складу. Бензин, що складається переважно з гексану С6Н14, гептану С7Н16 і октану С8Н18 лінійної будови, згоряє надто швидко і спричинює детонацію. Найліпші антидетонаційні характеристики мають вуглеводні розгалуженої будови, зокрема ізооктан.

За умовною шкалою ізооктану надане «октанове число» 100, а гептану – 0. Суміші вуглеводнів, що входять до складу бензину різних сортів, мають проміжні октанові числа, причому чим вищі, тим кращий сорт бензину, вища його детонаційна стійкість.

Очевидно, для поліпшення якості пального доцільно застосовувати такі процеси переробки нафти, завдяки яким утворюються вуглеводні розгалуженої будови, зокрема процес каталітичної ізомеризації.

Рівень матеріального добробуту суспільства в наш час визначається кількістю енергії, яка виробляється на душу населення. Опалення будинків, можливість використання швидкісного транспорту, випуск промислової продукції значною мірою залежать від доступності енергії. Енергетичні проблеми можуть стати реальним обмеженням для подальшого зростання матеріальної культури.

Нині ситуація загострилась у зв’язкуз неправильними оцінками перспектив розвитку енергетики. По-перше, вважали, що поклади палива (вугілля, нафта, газ) невичерпні. По-друге, після введення в дію перших атомних реакторів було зроблено припущення, що атомна енергія в найближчий час замінить інші види енергії.

Ці передбачення виявилися необґрунтованими. За підрахунками вчених нафти на Землі достатньо лише на 40–50 років, природного газу – на 30-40 років, запасів вугілля – на 200–250 років. Стосовно вугілля, то його запасів достатньо на значно більший час. Але при існуючій технології видобутку вугілля доступною вважають лише одну чверть його світових запасів, а нові сучасніші технології поки що невідомі. Не простою справою виявилося і створення атомних реакторів, особливо якщо врахувати екологічні наслідки атомної енергетики. Достатньо яскравим прикладом цього є чорнобильська катастрофа.

Таким чином, проблеми енергетики пов’язаніяк з нестачею сировини, так і з неспроможністю суспільства добувати енергію економічно і екологічно раціональними способами.

Значна частина енергії виробляється тепер за рахунок хімічних процесів, а саме при спалюванні нафти, газу і вугілля. Проблеми перетворення світлової і теплової енергії в електричну також розв’язуютьсяна основі хімічних процесів. Нарешті, сучасні установки для добування енергії вимагають створення нових конструктивних матеріалів і теплоносіїв. Це означає, що в розв’язанніпроблеми енергетики чільне місце посідають хіміки.

Для розширення енерговиробництва використовують природні явища: сонячну радіацію, теплоту вод океанів і земних надр, силу течії річок, припливів і відпливів океанських течій, високих повітряних течій, теплоту мікробіологічної утилізації органічних відходів, фотосинтез, ланцюгові реакції поділу атомного ядра тощо. І хоча внесок нетрадиційних джерел енергії зростає, енергетичні світові потреби поки що задовольняються переважно спалюванням природних копалин, що містять вуглець.

На теплових електростанціях поряд з вугіллям доволі широ­ко використовується природний газ, а також мазут – продукт переробки нафти. Зрозуміло, що використання останніх скорочуватиметься, оскільки природний газ, продукти переробки нафти – цінні речовини, щоб використовувати їх як котельне паливо.

Зміни у структурі народногосподарського використання вуглеводневої сировини насамперед пов’язаніз переведенням енергетики з використання нафти і нафтопродуктів як палива на використання вугілля. Важкі залишки переробки нафти – мазути повніше перероблятимуться на легкі нафтопродукти, необхідні для сучасного органічного синтезу.

Хімічна наука найближчим часом повинна знайти ефективніші способи переробки нафти, природного і супутнього газів, вугілля, а також удосконалити існуючі (перегонку, крекінг, піроліз) з метою повнішого і комплексного використання природної вуглеводневої сировини із забезпеченням усіх економічних і екологічних вимог.

Оскільки запаси нафти обмежені, великого значення набуває добування рідкого палива (гасу, бензину) з вугілля, резерви якого значно більші. У наш час є кілька способів переробки вугілля в рідке паливо:

1) синтез, в основі якого лежить перетворення під тиском вугілля у суміш горючих газів з використанням водяної пари, повітря або кисню;

2) екстракція або термічне розчинення вугілля, при цьому використовуються розчинники, які беруть участь у процесах подальшої переробки вугілля;

3) гідрування – спосіб, який заснований на насиченні вугілля воднем;

4) гідроліз – нагрівання вугілля без окисника. Ці способи є поки що дорогими і потребують подальшої розробки.

У пошуках нових розв’язань енергетичних проблем заслуговує на увагу газифікація вугілля, тобто добування з вугілля не рідкого, а газоподібного палива, яке може бути використано також і як хімічна сировина для різноманітних синтезів.

Перспективним напрямом у розвитку енергетики є використання водню як палива. Водень – висококалорійний газ, який може знайти застосування в авіації і в багатьох інших споживачів рідкого палива. Великою перевагою водню є те, що при його спалюванні утворюється лише пара води. Отже, водень – екологічно чисте ідеальне паливо.

Перехід до водневої енергетики є перспективним ще й тому, що водень може застосовуватися як паливо для всіх видів транспорту. Потреба в такому паливі дуже актуальна, якщо врахувати, що основним джерелом забруднення повітря у містах є продукти неповного згоряння вуглевмісного природного палива.

Ресурси для добування водню практично безмежні, ними можуть бути води Світового океану. Важливим завданням хімічної науки є розробка економічно вигідних способів добування і використання водню як моторного палива.

Домашнє завдання.

Укажіть фракцію нафти, в якої найнища/найвища температура кипіння.

Яка кількісна характеристика детонаційної стійкості бензину?

Який процес не супроводжується зміною хімічного складу речовини?Укажіть характеристику процесу каталітичного крекінгу.