Применение углеводородов (Дополнительный материал к § 9, 12, 13)

Определения и обозначения

Углеводородное топливо — углеводород или его смесь, которую сжигают для получения энергии. К нему относятся природный газ, бензин и дизельное топливо. При горении энергия химических связей превращается главным образом в тепло. Поэтому такие вещества используют для отопления, работы двигателей и выработки электроэнергии.

Нефтехимическое сырьё — углеводороды и их смеси, из которых получают другие органические вещества и материалы. Сырьё не обязательно сжигают: его молекулы могут стать исходными для химических реакций. Так производят пластмассы, волокна, растворители и множество других продуктов. Это понятие помогает отличать энергетическое использование углеводородов от химического.

Крекинг — превращение крупных молекул углеводородов в более мелкие при нагревании, иногда в присутствии катализатора — вещества, ускоряющего реакцию. Он нужен, чтобы перерабатывать тяжёлые нефтяные фракции и получать более востребованные лёгкие продукты. Среди продуктов крекинга бывают алканы и алкены. Значит, процесс увеличивает возможности использования нефти.

Пиролиз — разложение вещества при сильном нагревании без доступа воздуха. Отсутствие кислорода отличает его от горения, при котором вещество окисляется. Пиролиз углеводородов применяют для получения этилена и других важных продуктов. Этот способ позволяет направленно превращать исходное сырьё в вещества для дальнейшего синтеза.

Как это устроено

Природный газ состоит преимущественно из метана, но может содержать и другие газообразные компоненты. Метан легко смешивается с воздухом и при горении выделяет тепло, поэтому газ удобно использовать как топливо. Одновременно метан служит химическим сырьём: из него получают водород и другие вещества. Состав газа определяет, какие компоненты можно извлечь и какие процессы переработки выбрать.

Нефть содержит множество углеводородов с разным размером молекул и разной температурой кипения. Поэтому её сначала разделяют на фракции — смеси веществ, которые выкипают в определённых температурных интервалах. Фракции отличаются свойствами и подходят для разных задач: одни используют как топливо, другие направляют на дальнейшую переработку. Один источник сырья даёт много продуктов именно потому, что нефть — не отдельное вещество, а сложная смесь.

Алканы можно сжигать, поскольку при их полном горении образуются углекислый газ и вода с выделением энергии. Метан — главный компонент природного газа — широко используют для отопления и приготовления пищи. Более тяжёлые алканы входят в состав бензина, керосина, дизельного топлива и других нефтяных фракций. Некоторые алканы также становятся исходными веществами для синтеза, если их молекулы подвергают химическим превращениям.

Этилен и ацетилен — непредельные углеводороды, то есть вещества с кратной связью между атомами углерода. Такая связь позволяет им вступать в реакции присоединения и превращаться в другие соединения. Из этилена получают полиэтилен, а также ряд химических продуктов. Ацетилен используют, в частности, при газовой сварке и как сырьё для синтеза; его свойства связаны с тройной связью в молекуле.

Бензол и другие ароматические углеводороды применяют как сырьё для производства красителей, полимеров и иных веществ, а некоторые — как растворители. Их молекулярное строение придаёт им характерные химические свойства, важные для синтеза. Однако удобство применения не означает безопасность: бензол токсичен, а пары многих растворителей вредны при вдыхании. Поэтому такие вещества используют с вентиляцией и соблюдением правил защиты.

Применение основных углеводородов и их смесей

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите вещество или смесь, а затем сравните назначение и особенность использования. Примеры показывают, что один углеводород может быть и топливом, и сырьём. Указанные опасности помогают понять, какие ограничения нужно учитывать на практике.

Разбор задач

Задача 1. Укажите два применения метана и назовите одно свойство, важное для его использования как топлива. Нужно разделить энергетическое и химическое применение, а затем выбрать свойство, связанное именно с получением энергии. Для этого достаточно вспомнить состав природного газа и поведение метана при горении. Не следует подменять свойство перечислением бытовых приборов.

1. Метан сжигают как топливо, например для отопления.
2. Как химическое сырьё его используют для получения водорода и других веществ.
3. Важное топливное свойство — метан горит в кислороде с выделением тепла.

Ответ: метан применяют как топливо и химическое сырьё; при горении он выделяет тепло.

Задача 2. Из нефти получают смесь, содержащую преимущественно длинноцепочечные углеводороды. Объясните, зачем её подвергают крекингу, и приведите пример продукта. Вопрос касается не разделения нефти на фракции, а изменения молекул после разделения. Длинные цепи можно расщепить, чтобы получить более лёгкие и востребованные компоненты. Продуктом может быть как алкан, так и алкен.

1. Определяем исходное сырьё: в нём преобладают крупные молекулы углеводородов.
2. При крекинге эти молекулы расщепляются на более мелкие, поэтому образуются лёгкие углеводороды.
3. В качестве примера называем этилен — алкен, который можно использовать для получения полимеров.

Ответ: крекинг проводят, чтобы получить более востребованные лёгкие углеводороды; один из возможных продуктов — этилен.

Задача 3. Сравните применение этилена и ацетилена: назовите по одному характерному использованию каждого и объясните выбор, опираясь на строение молекул. В обоих веществах есть кратная связь, поэтому они способны вступать в реакции органического синтеза. Но у них есть и разные характерные области использования. Ответ должен связать конкретное применение с соответствующим свойством, а не приписывать обоим одно назначение.

1. У этилена есть двойная связь; он вступает в реакции присоединения и полимеризации.
2. Поэтому этилен используют для производства полиэтилена.
3. У ацетилена тройная связь; его применяют в органическом синтезе, а горение в кислороде даёт горячее пламя для сварки.

Ответ: этилен служит сырьём для полиэтилена, а ацетилен применяют, например, при газовой сварке; кратные связи делают оба вещества реакционноспособными.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что углеводороды используют только как топливо. Так думают, потому что горение легко связать с повседневными примерами — отоплением и работой двигателей. Но из углеводородов получают полимеры и другие органические вещества. Проверка: для каждого примера спросите себя, сжигают ли вещество или используют как исходное сырьё для синтеза.

Ошибка: называть нефть индивидуальным веществом. Её часто представляют как однородную жидкость, но внешний вид не означает, что она состоит из молекул одного вида. Нефть — смесь углеводородов, которую разделяют на фракции и перерабатывают. Проверка: если речь идёт о нефтяной фракции, помните, что и она обычно является смесью, а не чистым веществом.

Ошибка: смешивать крекинг и горение. Оба процесса могут идти при нагревании, поэтому их легко перепутать, однако в них происходят разные химические изменения. При крекинге молекулы расщепляются, а при горении углеводороды окисляются с выделением энергии. Проверка: определите, говорится ли о получении новых углеводородов или о реакции с кислородом.

Ошибка: считать любой углеводород безопасным для повседневного применения. Их объединяет состав, но не одинаковая опасность: бензол токсичен, а топливные газы пожаро- и взрывоопасны. Такое заблуждение возникает, если судить о веществе только по его полезности. Проверка: учитывайте не только назначение, но и токсичность, горючесть, вентиляцию и условия хранения.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить применение углеводородов, нужно знать строение и свойства алканов, алкенов, алкинов и ароматических веществ. Тема опирается на понимание горения, состава природного газа и нефти, разделения смесей и химических превращений. Эти знания пригодятся при изучении переработки нефти, органического синтеза и производства полимеров. Они также помогают оценивать экологические последствия использования топлива и выбирать более безопасные способы обращения с углеводородами.

Что запомнить

• Углеводороды используют как топливо и как химическое сырьё.
• Природный газ состоит преимущественно из метана.
• Нефть — смесь углеводородов, которую разделяют на фракции и перерабатывают.
• Крекинг превращает крупные молекулы углеводородов в более мелкие.
• Этилен — важное сырьё для производства полимеров.
• Применение углеводородов требует учитывать их токсичность, горючесть и воздействие на окружающую среду.