§ 26. Природное топливо

Определения и обозначения

Природное топливо — природные горючие вещества, которые используют для получения энергии. Слово «природное» указывает, что такие вещества встречаются в природе, а не создаются человеком как готовое топливо. Их сжигают для отопления, выработки электричества и работы транспорта.

Ископаемое топливо — топливо, образовавшееся из остатков древних организмов в земной коре. Оно формировалось под действием давления, температуры и химических превращений в течение очень долгого времени. Это объясняет, почему такие запасы нельзя быстро восстановить после добычи.

Каменный уголь — твёрдое ископаемое топливо с высоким содержанием углерода. Уголь бывает разного состава: бурый содержит больше влаги и обычно имеет меньшую теплотворность, каменный уголь плотнее, а антрацит особенно богат углеродом. Различия влияют на то, сколько энергии можно получить при сжигании.

Природный газ — газообразная смесь, основным компонентом которой обычно является метан. Он возникал при преобразовании органических остатков и накапливался в горных породах, иногда вместе с нефтью. Газ используют для отопления, приготовления пищи, выработки энергии и как сырьё химической промышленности.

Как это устроено

В основе образования ископаемого топлива лежат остатки растений и других организмов, которые оказались погребены под слоями осадочных пород. В глубине земной коры к ним долгое время применяются давление и тепло, а доступ кислорода ограничен. Поэтому органическое вещество не разлагается обычным образом, а постепенно преобразуется в уголь, нефть или газ. Разные условия и исходные остатки приводят к различию получившихся видов топлива.

Природное топливо делят на твёрдое, жидкое и газообразное по его агрегатному состоянию. К твёрдому относится уголь, к жидкому — нефть, к газообразному — природный газ. Состояние вещества влияет на то, как его добывают, перевозят и сжигают: уголь можно хранить навалом, нефть перекачивать по трубам, а газ транспортировать по газопроводам или в сжиженном виде. Поэтому классификация помогает понять практические способы использования топлива.

Уголь состоит преимущественно из углерода, но содержит также минеральные примеси и вещества с водородом, кислородом, азотом и серой. Нефть — смесь множества углеводородов, то есть соединений углерода и водорода; доля отдельных компонентов в разных месторождениях неодинакова. В природном газе обычно больше всего метана, однако могут присутствовать другие углеводороды и примеси. Различие состава объясняет, почему топливо имеет разные свойства, требует переработки и применяется по-разному.

При сжигании горючие компоненты вступают в реакцию с кислородом воздуха. Окисление — химическое взаимодействие вещества с кислородом; при полном окислении углерод превращается в углекислый газ, а водород — в воду. Образующиеся вещества устойчивее исходных, и разность энергии выделяется в виде тепла, которое можно использовать для отопления или получения электричества. Если кислорода недостаточно, горение может стать неполным, а среди продуктов окажутся вредные вещества, например угарный газ.

Добыча топлива меняет поверхность земли, может нарушать места обитания организмов и загрязнять воду. При сжигании в атмосферу поступают продукты горения, а при неполном сгорании — опасные загрязнители; углекислый газ также влияет на климат. Последствия зависят от вида топлива, технологии добычи и очистки выбросов. Экономное потребление, повышение эффективности и переход на другие источники энергии помогают уменьшить нагрузку на природу и сохранить ограниченные запасы.

Природные виды топлива: состав и применение

Сначала сравните агрегатное состояние и состав: эти признаки помогают понять, чем отличаются виды топлива. Затем сопоставьте применение с последствиями, поскольку получение энергии связано с воздействием на окружающую среду. В таблице указаны основные компоненты, а не полный состав каждой природной смеси.

Разбор задач

Задача 1. Распределите каменный уголь, нефть и природный газ по агрегатному состоянию и назовите основной горючий компонент каждого вида. Чтобы ответить, отдельно определим состояние каждого топлива, а затем укажем, что в его составе преобладает. Для смесей следует помнить, что речь идёт об основных компонентах, а не о единственном веществе.

1. Каменный уголь относится к твёрдому топливу; его основная горючая составляющая — углерод.
2. Нефть при обычных условиях является жидкостью и представляет собой смесь углеводородов, главным образом содержащих углерод и водород.
3. Природный газ находится в газообразном состоянии; чаще всего его основной горючий компонент — метан CH₄.

Ответ: уголь — твёрдый, преимущественно углерод; нефть — жидкая смесь углеводородов; природный газ — газовая смесь, обычно с преобладанием метана. Такой разбор не означает, что нефть или газ состоят только из названного компонента. Их точный состав зависит от месторождения.

Задача 2. Запишите уравнение полного сгорания метана и определите, сколько моль кислорода требуется для полного сгорания 2 моль метана. Сначала назовём продукты реакции: при полном сгорании углеводорода образуются углекислый газ и вода. Затем уравняем число атомов каждого элемента по обе стороны реакции и используем коэффициенты как отношение количеств веществ.

1. Запишем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В одной молекуле CH₄ четыре атома водорода, поэтому перед H₂O ставим коэффициент 2. Углерод уже уравнен, так как по одному атому находится в CH₄ и CO₂.
3. Справа теперь четыре атома кислорода: два в CO₂ и два в 2H₂O. Слева для этого нужны две молекулы O₂, поэтому уравнение имеет вид CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
4. По уравнению на 1 моль CH₄ приходится 2 моль O₂. Для 2 моль метана кислорода нужно вдвое больше: 2 · 2 = 4 моль.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; требуется 4 моль O₂. Проверка: коэффициенты показывают соотношение 1 : 2 между метаном и кислородом, поэтому выбранное количество соответствует уравнению. Здесь предполагается полное сгорание и достаточное количество кислорода.

Задача 3. При сгорании 1,5 кг топлива выделяется 45 МДж энергии. Сколько энергии выделится при сгорании 4 кг этого топлива при одинаковых условиях? Поскольку топливо и условия одинаковы, энергия пропорциональна его массе. Удобно сначала найти энергию, приходящуюся на один килограмм, а затем умножить её на новую массу.

1. Найдём удельное количество энергии: 45 МДж ÷ 1,5 кг = 30 МДж/кг.
2. Умножим результат на 4 кг: 30 МДж/кг · 4 кг = 120 МДж.
3. Проверим пропорцию: масса увеличилась с 1,5 до 4 кг, то есть примерно в 2,67 раза; энергия тоже увеличилась в 2,67 раза — с 45 до 120 МДж.

Ответ: 120 МДж. Массы можно не переводить в граммы, потому что они заданы в одинаковых единицах и отношение масс остаётся верным. Если нужно выразить энергию в джоулях, 120 МДж = 120 000 000 Дж.

Типичные ошибки

Считать нефть чистым веществом. Так иногда кажется, потому что её называют одним словом, но нефть — смесь множества углеводородов, причём состав меняется от месторождения к месторождению. У смеси нет единственной химической формулы, подходящей для всех образцов. Проверить себя можно вопросом: может ли у вещества быть неизменный состав? Для нефти ответ отрицательный.

Отождествлять природный газ с чистым метаном. Метан действительно обычно преобладает, поэтому это упрощение легко запомнить, но в газе могут быть и другие компоненты. Слово «обычно» здесь важно: состав зависит от месторождения и подготовки газа. Проверяйте, говорится ли об основном компоненте или о природном газе как смеси.

Считать, что ископаемое топливо быстро получают на производстве. Промышленность может добыть и переработать его сравнительно быстро, но не создать заново природные запасы. Их формирование из древних организмов занимает геологически длительное время. Различайте добычу готового ресурса и его образование: именно это помогает понять, почему запасы ограничены.

Полагать, что при любом сгорании образуются только углекислый газ и вода. Эти продукты характерны для полного сгорания углеводородов, когда кислорода достаточно. При неполном сгорании могут образовываться угарный газ и другие продукты, а минеральные примеси топлива дают дополнительные вещества. Проверяйте состав топлива и условия реакции, прежде чем перечислять продукты.

Связь с другими темами

Для понимания состава нефти и природного газа нужны знания о смесях и чистых веществах: природные ресурсы обычно не являются индивидуальными соединениями. Понятия химического элемента и окисления помогают описать, как горючие вещества реагируют с кислородом, а знание уравнений реакций — рассчитывать соотношения веществ. Позже эти знания пригодятся при изучении органических веществ и углеводородов. Там топливо рассматривают не только как источник энергии, но и как сырьё для производства различных веществ.

Что запомнить

• Природное топливо используют для получения энергии.
• К основным видам ископаемого топлива относятся уголь, нефть и природный газ.
• Уголь — твёрдое топливо, нефть — жидкое, природный газ — газообразное.
• Нефть и природный газ являются смесями веществ.
• При полном сгорании углеводородов образуются углекислый газ и вода.
• Запасы ископаемого топлива формируются очень медленно и ограничены.
• Добыча и сжигание топлива могут наносить вред окружающей среде.