§ 14. Природные источники углеводородов — нефть и природный газ

Определения и обозначения

Нефть — природная смесь жидких углеводородов с примесью других веществ, которую разделяют и перерабатывают. В ней нет одной формулы, потому что состав зависит от месторождения. Это определение помогает отличать нефть от чистого химического вещества.

Природный газ — природная смесь газообразных углеводородов, основным компонентом которой является метан. Кроме метана, в ней могут быть этан, пропан, бутан и негорючие примеси. Состав объясняет, почему газ используют и как топливо, и как химическое сырьё.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над нефтяной залежью и выделяющихся при добыче. Его получают не из отдельного газового месторождения, а одновременно с нефтью. Это понятие нужно, чтобы понимать состав сырья и необходимость улавливать такой газ.

Переработка нефти — разделение нефти на фракции и превращение полученных продуктов в необходимые вещества. Фракция — часть смеси, выделенная в определённом интервале температур кипения. Переработка позволяет получить топлива и сырьё, которых в исходной нефти в готовом виде нет.

Как это устроено

Нефть и природный газ образуются из остатков организмов, накапливавшихся на дне древних водоёмов без доступа кислорода. С течением миллионов лет осадки уплотнялись, а повышенные давление и температура превращали органическое вещество в углеводороды. В пористых породах нефть и газ перемещаются, а непроницаемые слои задерживают их, поэтому залежи находятся в горных структурах.

Нефть не является индивидуальным веществом, поскольку в ней одновременно присутствуют алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды с разной длиной цепей. Кроме углеводородов, встречаются вода, соли, смолистые вещества и соединения серы. Различие состава влияет на цвет, вязкость, запах, плотность и способы дальнейшей переработки нефти.

Природный газ сохраняет газообразное состояние при обычных условиях из-за преобладания сравнительно лёгких молекул. Углеводороды хорошо горят, поэтому газ обладает высокой теплотой сгорания, а его плотность обычно меньше плотности воздуха. При этом примеси и соотношение метана с более тяжёлыми углеводородами меняют теплоту сгорания и пожароопасность смеси.

Нефть разделяют перегонкой, потому что её компоненты испаряются при разных температурах. В колонне пары поднимаются, охлаждаются и конденсируются на разных уровнях, образуя фракции: газовую, бензиновую, керосиновую, дизельную и более тяжёлые. Затем проводят химическую переработку, например крекинг, чтобы получить больше ценных лёгких продуктов и сырья для органического синтеза.

Из нефтяных фракций производят бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масла, битумы и вещества для изготовления пластмасс, волокон и моющих средств. Природный и попутный газ используют для отопления, получения электроэнергии, водорода, аммиака и органических соединений. Разливы нефти загрязняют почву и воду, утечки метана усиливают парниковый эффект, а пары и топливо требуют защиты от пожара.

Состав, переработка и применение природных источников углеводородов

Сначала найдите в строке источник и его основной состав, затем сопоставьте свойства со способом переработки. Последний столбец показывает, почему при добыче и использовании нужны герметичное оборудование и контроль выбросов. Таблица также помогает отличить сырьё от продуктов, которые получают после переработки.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, какой источник преимущественно содержит метан, а какой представляет собой жидкую смесь углеводородов. Нужно сопоставить агрегатное состояние и главный компонент каждого источника. Такой признак позволяет ответить без перечисления всех веществ.

1. Природный газ находится в газообразном состоянии и в основном состоит из метана.
2. Нефть является жидкой смесью углеводородов разных классов.
3. Следовательно, метан преобладает в природном газе, а жидкая смесь — нефть.

Ответ: природный газ преимущественно содержит метан; нефть — жидкая смесь углеводородов.

Задача 2

При сгорании 5,6 л метана при н. у. определить объём кислорода и углекислого газа. Сначала составим уравнение реакции, а затем используем соотношение объёмов газов по коэффициентам. При одинаковых условиях объёмы газов относятся так же, как их коэффициенты.

1. Уравнение полного горения: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. Из уравнения видно: 1 объём CH₄ требует 2 объёма O₂ и даёт 1 объём CO₂.
3. V(O₂) = 5,6 л · 2 = 11,2 л.
4. V(CO₂) = 5,6 л · 1 = 5,6 л.

Ответ: необходимо 11,2 л кислорода, образуется 5,6 л углекислого газа. Водяной пар в условии отдельно не рассчитывается.

Задача 3

Из 1000 кг нефти получают 20% бензиновой фракции. Требуется найти массу фракции и объяснить способ разделения. Процент показывает, какая доля всей массы нефти приходится на бензиновую фракцию.

1. Переведём 20% в десятичную дробь: 20% = 0,20.
2. Вычислим массу: m = 1000 кг · 0,20 = 200 кг.
3. Фильтрование не подходит, потому что компоненты нефти растворены друг в друге и не образуют задерживаемых фильтром твёрдых частиц.
4. Бензиновую фракцию выделяют перегонкой по различию температур кипения.

Ответ: получают 200 кг бензиновой фракции; её выделяют перегонкой, а не фильтрованием.

Типичные ошибки

Нефть считают индивидуальным веществом. Ошибка появляется из-за привычки искать у каждого вещества одну формулу. Проверьте себя: если состав и температура кипения меняются от месторождения к месторождению, перед вами смесь.

Природный газ отождествляют с чистым метаном. Метан действительно главный компонент, но в газе есть этан, пропан, бутан и примеси. Проверка проста: вспомните, что природный газ — смесь, а не одно чистое вещество.

Перегонку считают химической реакцией. При первичной перегонке вещества не превращаются, а разделяются по температурам кипения. Сверьте процесс: если изменяется только агрегатное состояние, это физический метод.

В уравнении горения не проверяют коэффициенты. Иногда вместо углекислого газа ошибочно записывают угарный газ или нарушают баланс атомов. Сначала определите, полное ли это горение, затем посчитайте атомы углерода и водорода слева и справа.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об углеводородах, формулах алканов и составлении уравнений горения. Перегонка нефти связана с разделением смесей и различиями температур кипения, то есть с физическими свойствами веществ. Позднее эти сведения понадобятся при изучении нефтехимии, полимеров, топлива, энергетики и экологических последствий хозяйственной деятельности.

Что запомнить

• Нефть — природная жидкая смесь углеводородов.
• Главный компонент природного газа — метан.
• Попутный нефтяной газ добывают вместе с нефтью.
• Нефть разделяют на фракции перегонкой по различию температур кипения.
• Фракции нефти используют как топливо и сырьё для химической промышленности.
• При полном сгорании углеводородов образуются углекислый газ и вода.
• Нефть и природный газ — исчерпаемые ресурсы, использование которых связано с экологическими рисками.