"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Углеводородное топливо — природные вещества и смеси, при сгорании которых выделяется энергия. К нему относятся природный и попутный нефтяной газ, нефть и каменный уголь. Топливо используют для отопления, получения электричества и работы транспорта, а продукты переработки нефти служат сырьём для промышленности. Чтобы понимать его свойства и последствия использования, нужно различать виды топлива, знать способы разделения смесей и уметь записывать уравнения горения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Углеводородное топливо — топливо, основными горючими компонентами которого являются углеводороды, то есть вещества из атомов углерода и водорода. Оно образовалось из древних органических остатков в недрах Земли за длительное время. Его сжигают для отопления, получения электричества и работы двигателей, а также используют как сырьё для производства разных веществ.
Природный газ — природная смесь газообразных веществ, в которой обычно больше всего метана CH₄. Кроме него могут присутствовать этан, пропан, азот, углекислый газ и водяной пар. Газ используют как топливо в быту и промышленности, а метан и другие компоненты служат сырьём для химического производства.
Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в нефтяном месторождении. Он образуется и добывается вместе с нефтью, поэтому его состав связан с составом конкретного месторождения. В сравнении с природным газом в нём нередко выше доля этана, пропана и бутана, которые можно выделять и использовать как топливо или сырьё.
Нефть — природная жидкая смесь углеводородов с примесями соединений серы, азота и кислорода. Доля отдельных веществ меняется от месторождения к месторождению, а в самой нефти содержится множество разных молекул. Поэтому нефть нельзя описать одной химической формулой: её состав указывают через свойства и содержание отдельных групп веществ.
Залежи нефти и газа образуются из органических остатков, накопившихся в осадочных породах и оказавшихся глубоко под землёй. Без доступа кислорода, при повышенных температуре и давлении, органическое вещество постепенно преобразуется в углеводороды. Они перемещаются через пористые породы и скапливаются там, где сверху их удерживает плотный непроницаемый слой. Поэтому нефть и газ часто находят в одном месторождении: более лёгкие газообразные вещества могут располагаться над нефтью.
Состав природного и попутного газа различается, потому что они образуются и накапливаются в разных условиях, а свойства пород и состав органического сырья неодинаковы. В попутном газе могут быть заметные количества более тяжёлых углеводородов, растворённых в нефти. Чтобы получить отдельные компоненты, газовую смесь очищают от примесей, сжимают и охлаждают либо разделяют другими промышленными способами. Компоненты конденсируются или выделяются при разных условиях, после чего их собирают отдельно.
Нефть разделяют на фракции перегонкой — способом разделения смеси без изменения состава её компонентов. Сначала нефть нагревают: вещества с более низкими температурами кипения испаряются раньше. Пары поступают в колонну, поднимаются и охлаждаются, а затем конденсируются на разных высотах; более высококипящие вещества собираются ниже, а низкокипящие — выше. Каждая фракция представляет собой не чистое вещество, а группу углеводородов с близкими температурами кипения.
Фракции различаются длиной углеродных цепей и физическими свойствами: например, летучестью, вязкостью и температурой кипения. Поэтому лёгкие фракции используют как моторное топливо и растворители, а более тяжёлые — как дизельное топливо, смазочные материалы и сырьё для дальнейшей переработки. Из нефтяного сырья получают также битум и вещества для химической промышленности. Переработка позволяет использовать компоненты смеси по назначению, но полученные продукты тоже обычно остаются смесями.
При сгорании углеводородов атомы углерода и водорода соединяются с кислородом, а химическая энергия топлива выделяется главным образом в виде тепла. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода; например, CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Если кислорода недостаточно, возникают угарный газ CO и твёрдые частицы сажи, поэтому важны исправность горелок и хорошая вентиляция. Выбросы при сжигании загрязняют воздух, а увеличение содержания CO₂ в атмосфере усиливает парниковый эффект.
| Вид топлива | Основные компоненты | Получение или переработка | Применение |
|---|---|---|---|
| Природный газ | Метан; примеси этана, азота, углекислого газа и других веществ | Добыча из газовых месторождений, очистка и подготовка | Отопление, выработка электричества, химическое сырьё |
| Попутный нефтяной газ | Метан, этан, пропан, бутан и примеси | Добыча вместе с нефтью, очистка и разделение компонентов | Топливо, получение сжиженных газов и химическое сырьё |
| Нефть и продукты её перегонки | Смеси жидких и твёрдых углеводородов с примесями | Перегонка на фракции и дальнейшая переработка | Бензин, дизельное топливо, смазочные материалы, битум и сырьё для химической промышленности |
| Каменный уголь | Преимущественно углерод; также соединения водорода, кислорода, азота и серы | Добыча, сортировка; при необходимости коксование и другая переработка | Получение тепла и электричества, производство кокса и сырья |
Сравнивайте виды топлива по трём признакам: составу, способу получения и назначению. Таблица показывает, что одно и то же топливо может быть источником энергии и сырьём для промышленности. Состав природных смесей меняется, поэтому перечисленные компоненты не означают, что каждый образец содержит их в одинаковых долях.
Задача 1. При полном сгорании метана составить уравнение реакции и определить, какие вещества образуются. Полное сгорание означает, что кислорода достаточно для окисления углерода до CO₂, а водорода — до H₂O. Сначала записываем формулы исходных веществ и продуктов, затем проверяем число атомов каждого элемента.
Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O. Справа один атом углерода, поэтому перед CO₂ коэффициент не нужен. Четыре атома водорода требуют поставить 2 перед H₂O.
Теперь справа всего четыре атома кислорода: два в CO₂ и два в 2H₂O. Слева для этого нужны две молекулы O₂. Получаем уравнение CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
Ответ: образуются углекислый газ CO₂ и вода H₂O; уравнение реакции — CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
Задача 2. В природном газе содержатся метан и небольшое количество этана. Составить уравнения полного сгорания обоих компонентов. Смесь не нужно описывать одной реакцией: каждый углеводород сгорает по своему уравнению. Продуктами полного сгорания обоих веществ будут CO₂ и H₂O.
Для метана записываем CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O. Балансируем водород и кислород: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Проверка показывает по одному атому углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода с каждой стороны.
Для этана начинаем с C₂H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O. Балансируем углерод и водород: C₂H₆ + O₂ → 2CO₂ + 3H₂O, после чего справа получаем семь атомов кислорода. Умножаем все коэффициенты на два, чтобы не оставлять дробный коэффициент у O₂.
Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O. Коэффициенты в уравнении этана можно также записать дробно: C₂H₆ + 3½O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.
Задача 3. При сжигании 2 моль пропана определить количество кислорода, необходимое для полного сгорания, и количество образовавшегося углекислого газа. Сначала уравниваем реакцию, потому что коэффициенты показывают соотношение количеств веществ. Затем сопоставляем коэффициенты пропана с коэффициентами O₂ и CO₂.
Записываем реакцию: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O. Балансировка даёт C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Значит, 1 моль пропана реагирует с 5 моль кислорода и образует 3 моль углекислого газа.
Количество пропана равно 2 моль, то есть в два раза больше, чем в уравнении с коэффициентом 1. Поэтому кислорода потребуется 2 · 5 = 10 моль, а углекислого газа образуется 2 · 3 = 6 моль. Эти соотношения относятся к полному сгоранию при достаточном количестве кислорода.
Ответ: для сгорания 2 моль пропана нужно 10 моль O₂; образуется 6 моль CO₂.
Считать нефть чистым веществом с одной формулой — значит смешивать понятия вещества и смеси. Так ошибаются, потому что нефть выглядит как однородная жидкость, хотя содержит множество компонентов. Проверьте себя: если состав меняется у образцов из разных месторождений, одной формулы для всей нефти быть не может.
Называть перегонку нефти химическим разложением неверно: при перегонке компоненты разделяются благодаря различию температур кипения. Ошибку провоцирует то, что нефть нагревают и получают новые продукты с другими свойствами. Для проверки спросите себя, меняются ли молекулы исходных веществ или смесь лишь разделяют на группы компонентов.
Считать природный и попутный нефтяной газ одинаковыми по составу нельзя, даже если оба содержат метан. Путаница возникает из-за общего газообразного состояния и сходных способов использования. Учитывайте происхождение и состав конкретного месторождения: в попутном газе нередко больше более тяжёлых углеводородов.
При уравнивании горения нельзя забывать о равном числе атомов каждого элемента слева и справа. Ученик часто правильно записывает продукты, но пропускает балансировку кислорода, поскольку сначала считает только углерод и водород. Проверьте отдельно C, H и O после того, как поставлены все коэффициенты.
Для составления уравнений горения нужно знать строение и состав алканов, а также уметь уравнивать химические реакции. Эти навыки понадобятся при изучении переработки нефти и органического синтеза: нефтяные фракции служат сырьём для производства многих веществ. Расчёты по коэффициентам связывают тему с количеством вещества и стехиометрией. Наконец, использование нефти, газа и угля поднимает вопросы исчерпаемости ресурсов, рационального расходования топлива и загрязнения атмосферы.
Чем природный газ отличается от попутного нефтяного газа?
Природный газ добывают из газовых месторождений, а попутный нефтяной газ находится вместе с нефтью — растворён в ней или скапливается над ней. В обоих случаях главным компонентом часто служит метан, но соотношение метана и более тяжёлых углеводородов зависит от месторождения. Попутный газ обычно содержит больше этана, пропана и бутана.
Почему у нефти нет одной химической формулы?
Нефть — смесь множества углеводородов, а не одно индивидуальное вещество. В ней также есть примеси соединений серы, азота и кислорода, а состав нефти из разных месторождений неодинаков. Поэтому для неё нельзя записать одну формулу, как для метана или воды.
Как именно разделяют нефть на фракции?
Нефть нагревают, и её компоненты испаряются при разных температурах. Пары поступают в перегонную колонну, где по мере подъёма охлаждаются и конденсируются на разных уровнях. Так получают фракции — смеси веществ с близкими температурами кипения.
Какие вещества образуются при полном сгорании углеводородов?
При полном сгорании углеводорода в достаточном количестве кислорода образуются углекислый газ и вода. Например: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Если кислорода не хватает, могут появиться угарный газ или сажа.
Почему неполное сгорание топлива опасно?
При недостатке кислорода образуется угарный газ CO — бесцветный газ без запаха, который мешает переносу кислорода кровью и опасен для жизни. Сажа загрязняет воздух и поверхности, а её мелкие частицы вредны для дыхательной системы. Неполное сгорание также означает, что часть энергии топлива используется неэффективно.
Тема 9. Углеводородное топливо
