§ 25. Углеводороды содержатся в природном газе и нефти

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, в которой обычно больше всего метана. В ней могут быть этан, пропан и бутан, а также примеси азота, углекислого газа и водяного пара. Поскольку газ легко сжигать и транспортировать по трубопроводам, его используют как топливо; углеводороды из него также служат сырьём для химической промышленности.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в нефтяном месторождении. Его состав может быть похож на состав природного газа, но отличие состоит в условиях залегания: он связан с нефтяной залежью, а не образует самостоятельную газовую залежь. Улавливая такой газ, его можно использовать вместо того, чтобы выпускать или сжигать без пользы.

Нефть — природная жидкая смесь углеводородов разного состава и строения с небольшими количествами других веществ. В ней соседствуют молекулы, содержащие разное число атомов углерода, поэтому нефть не имеет единой химической формулы. Это определение помогает отличать нефть от индивидуального вещества, для которого можно записать конкретную формулу.

Фракционная перегонка нефти — разделение её компонентов на фракции благодаря различиям в температурах кипения. Фракция — не отдельное чистое вещество, а группа компонентов со сходными температурами кипения. Такой способ позволяет выделять полезные части смеси, не превращая исходные молекулы в другие вещества.

Как это устроено

Природный газ, нефть и попутный газ связаны с одними и теми же месторождениями, потому что они образовались из древнего органического вещества, преобразованного в недрах Земли. В пористых породах нефть и газ могут перемещаться, а затем задерживаться под плотным непроницаемым слоем. Газ легче нефти и собирается над ней, а часть газов растворяется в самой нефти; поэтому залежи часто содержат обе смеси.

Метан преобладает в природном газе, потому что при образовании и преобразовании органического вещества в недрах он образуется в больших количествах и сохраняется в газовой фазе. В нефти условия и состав исходного органического материала приводят к образованию смеси углеводородов разного размера. Чем больше молекул с разным числом атомов углерода присутствует в смеси, тем разнообразнее её состав и свойства.

Основной компонент природного газа — метан — хорошо горит, выделяя тепло, поэтому газ подходит для отопления и получения энергии. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Углеводороды газа можно использовать и как химическое сырьё: из них получают вещества, необходимые для производства других материалов и продуктов.

При переработке нефть сначала нагревают: её компоненты испаряются, но кипят при разных температурах. Пары поступают в перегонную колонну, где внизу горячее, а выше прохладнее, поэтому разные компоненты конденсируются на разных уровнях. Так получают, например, бензиновую, керосиновую и газойлевую фракции; более лёгкие компоненты обычно кипят при более низкой температуре, а тяжёлые — при более высокой.

Тяжёлых фракций может быть много, хотя спрос на лёгкие топлива и химическое сырьё высок. Поэтому крупные молекулы тяжёлых углеводородов подвергают крекингу — химическому расщеплению на более мелкие молекулы. Это повышает выход лёгких продуктов, в том числе компонентов бензина и алкенов, которые используют в химическом производстве.

Природный газ и нефть: состав и переработка

Сравнивайте вещества по строкам: так легче увидеть различия в составе, переработке и применении. Фракции нефти — это смеси, а не отдельные продукты с неизменным составом; конкретные свойства зависят от исходного сырья и способа переработки.

Разбор задач

Задача 1. В природном газе содержится 92 л метана. Какой объём углекислого газа образуется при полном сгорании метана, если объёмы газов измерены при одинаковых условиях?

1. Записываем уравнение реакции: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. Сравниваем коэффициенты перед метаном и углекислым газом: они равны 1 и 1. При одинаковых условиях объёмы газов относятся так же, как коэффициенты, поэтому объём CO₂ равен объёму CH₄.
3. Подставляем известный объём: V(CO₂) = 92 л.

Ответ: образуется 92 л углекислого газа. В расчёте учитываются только газообразные вещества и предполагается полное сгорание метана.

Задача 2. При переработке нефти получили бензиновую, керосиновую и газойлевую фракции. Расположить их в порядке возрастания температур кипения и объяснить порядок.

1. Вспоминаем, что температуры кипения фракций связаны с размерами входящих в них молекул: более крупные молекулы обычно кипят при более высокой температуре.
2. В бензиновой фракции преобладают более лёгкие углеводороды, в керосиновой — более крупные, а в газойлевой — ещё более тяжёлые.
3. Записываем порядок от самой низкой температуры кипения к самой высокой: бензиновая, керосиновая, газойлевая.

Ответ: бензиновая → керосиновая → газойлевая. Это общий порядок: каждая фракция представляет собой смесь, поэтому её температурный интервал не является одной точной температурой.

Задача 3. При крекинге гексадекана образовались октан и этен. Составить уравнение реакции и проверить сохранение числа атомов каждого элемента.

1. Записываем формулы: гексадекан — C₁₆H₃₄, октан — C₈H₁₈, этен — C₂H₄.
2. Проверяем углерод: справа 8 + 2 = 10 атомов, а слева 16. Значит, одного этена недостаточно; подбираем коэффициенты так, чтобы продукты содержали все атомы исходной молекулы: C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + 4C₂H₄.
3. Проверяем водород: справа 18 + 4 × 4 = 34 атома, как и слева. Углерода справа 8 + 4 × 2 = 16, значит, уравнение сбалансировано.

Ответ: C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + 4C₂H₄. В уравнении число атомов углерода и водорода одинаково до и после реакции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать природный газ чистым метаном. Так думают, потому что метан — его главный компонент и часто именно им описывают свойства газа. Но в природной смеси есть и другие углеводороды, а также примеси; проверьте себя вопросом, является ли газ одним индивидуальным веществом.

Ошибка: называть нефть веществом с одной формулой. Путаница возникает, когда смесь воспринимают как единое химическое соединение. У нефти много компонентов, поэтому отдельной общей формулы у неё нет; проверка проста — можно ли указать одну формулу для всех её молекул?

Ошибка: считать перегонку химическим превращением. Нагревание выглядит как сильное воздействие, поэтому его иногда путают с реакцией. При фракционной перегонке молекулы сохраняются и разделяются по температурам кипения; проверьте, образуются ли новые вещества или только разные фракции.

Ошибка: считать крекинг разделением на фракции. Оба процесса применяют при переработке нефти, поэтому их легко смешать. При крекинге молекулы расщепляются и меняются химически; это можно проверить по уравнению реакции, где исходная молекула превращается в более мелкие.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в составе газа и нефти, вспомните алканы, их гомологический ряд и формулы углеводородов. Уравнения горения помогают рассчитывать продукты сгорания топлива и сопоставлять объёмы газов по коэффициентам. Разделение нефти опирается на физические свойства смесей и температуры кипения: эти знания объясняют, почему компоненты конденсируются в разных частях колонны.

Дальше тема связывается с крекингом, получением химического сырья и применением продуктов переработки. Одновременно использование ископаемого топлива ставит экологические вопросы: при горении выделяется углекислый газ, а добыча и переработка могут воздействовать на окружающую среду.

Что запомнить

• Природный газ — смесь углеводородов, в которой обычно преобладает метан.
• Попутный нефтяной газ залегает вместе с нефтью и может быть растворён в ней.
• Нефть — сложная природная смесь, а не индивидуальное химическое соединение.
• Фракционная перегонка разделяет компоненты нефти по температурам кипения.
• Чем выше температура кипения фракции, тем обычно крупнее входящие в неё молекулы.
• Крекинг расщепляет крупные молекулы углеводородов на более мелкие.