§ 17. Природные источники углеводородов

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, главным компонентом которой является метан. В ней также могут быть этан и другие газы, а состав зависит от месторождения. Это важно учитывать при описании топлива: природный газ нельзя автоматически считать чистым метаном.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти и выделяющихся при её добыче. При подъёме нефти на поверхность давление уменьшается, и растворённые газы отделяются. Их можно собирать и использовать как топливо или сырьё, а не просто выпускать в атмосферу.

Нефть — природная жидкая смесь углеводородов с примесями, которую разделяют на фракции. Фракция — часть смеси, компоненты которой кипят в близком температурном интервале. Это понятие помогает описывать продукты перегонки и их применение.

Каменный уголь — твёрдое горючее ископаемое органического происхождения, используемое как источник углеводородного сырья. В отличие от нефти и газа, уголь содержит много углерода и сложных органических веществ. При его переработке получают топливо и вещества для химической промышленности.

Как это устроено

Природные источники углеводородов связаны с остатками организмов, накопившимися в осадочных породах. Когда эти остатки оказываются погребены под слоями пород, доступ кислорода ограничивается, а давление и температура постепенно растут. За геологически длительное время органическое вещество изменяется и превращается в нефть, газ или уголь. Различия условий и исходного материала объясняют, почему образуются разные полезные ископаемые.

В природном газе преобладает метан, потому что он сравнительно лёгкий и при многих условиях остаётся газом в пластах земной коры. Более крупные молекулы углеводородов встречаются в газе в меньших количествах: при обычных условиях часть из них может находиться в жидкой фазе или входить в состав нефти. Состав газа не одинаков во всех месторождениях. Поэтому перед использованием его очищают от нежелательных примесей и при необходимости разделяют компоненты.

Нефть залегает в пористых породах, где может перемещаться по пустотам и трещинам. Её удерживает непроницаемый слой породы, поэтому под землёй формируется залежь. В нефти под давлением растворяются газообразные углеводороды; при подъёме на поверхность давление падает, растворимость газов уменьшается, и газ отделяется. Так при добыче нефти получают попутный нефтяной газ.

Нефть нельзя использовать как одно индивидуальное вещество: это смесь множества углеводородов с разными свойствами. Её нагревают, и компоненты испаряются в зависимости от температуры кипения; пары затем охлаждают и собирают отдельно. Такой физический способ разделения называется перегонкой. Чем выше температура кипения компонента, тем обычно крупнее его молекулы и тем тяжелее соответствующая фракция.

Переработка позволяет использовать природное сырьё не только для получения тепла. Из нефти выделяют бензин, керосин, дизельные и тяжёлые фракции; из тяжёлых продуктов получают, например, смазочные материалы и сырьё для дальнейшей переработки. При нагревании каменного угля без доступа воздуха образуются кокс, газ и жидкие продукты, которые также имеют практическое применение. Последующие химические процессы превращают исходные смеси в вещества, необходимые для производства материалов и других продуктов.

Природные источники углеводородов и продукты их переработки

Сначала определите, чем отличаются источники по агрегатному состоянию и составу, а затем проследите путь от сырья к продукту. Способ переработки зависит от свойств исходной смеси: нефть разделяют перегонкой, а уголь нагревают без доступа воздуха. В последнем столбце указано, для чего применяют продукты, а не только как они называются.

Разбор задач

1. Основной компонент газа и его горение

Назовите основной компонент природного газа и составьте уравнение его полного сгорания. При полном сгорании углеводород реагирует с кислородом, а углерод и водород переходят в углекислый газ и воду. Нужно расставить коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента совпало слева и справа.

1. Главный компонент природного газа — метан CH₄.
2. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
3. Уравниваем водород: ставим 2 перед H₂O; затем уравниваем кислород, ставя 2 перед O₂.

Получаем уравнение CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Проверка: по обе стороны один атом углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода. Ответ: основной компонент — метан, уравнение полного сгорания записано выше.

2. Объём кислорода для сгорания метана

Какой объём кислорода необходим для полного сгорания 10 л метана при одинаковых условиях? Используем уже уравненное уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Для газов при одинаковых температуре и давлении объёмы реагирующих веществ относятся как коэффициенты в уравнении.

1. По коэффициентам 1 объём CH₄ реагирует с 2 объёмами O₂.
2. Записываем пропорцию: 10 л CH₄ требуют x л O₂, поэтому x = 10 · 2 / 1.
3. Вычисляем: x = 20 л.

Проверка: кислорода должно быть вдвое больше, чем метана, потому что перед O₂ стоит коэффициент 2, а перед CH₄ — 1. Объёмы сравниваются при одинаковых условиях. Ответ: для полного сгорания 10 л метана требуется 20 л кислорода.

3. Фракция с более высокой температурой кипения

При перегонке нефти получили фракцию, кипящую при более высокой температуре, чем бензиновая. Какие углеводороды в ней преобладают и где её применяют? При перегонке компоненты с низкой температурой кипения испаряются раньше, а с высокой — позже. Поэтому температурный интервал помогает судить об относительном размере молекул и свойствах фракции.

1. Более высокая температура кипения указывает на преобладание более тяжёлых углеводородов с относительно крупными молекулами.
2. Сравниваем с бензиновой фракцией: рассматриваемая фракция тяжелее и обычно менее летуча.
3. По применению можно назвать дизельное топливо или керосин, если речь идёт о соответствующем интервале кипения; тяжёлые фракции используют также для получения смазочных материалов.

Одной только фразы «температура выше бензиновой» недостаточно, чтобы точно определить название фракции: нужно знать её температурный интервал. Общий вывод — в ней преобладают более тяжёлые углеводороды. Ответ: тяжёлые по сравнению с бензином углеводороды; применение зависит от интервала кипения и может включать топливо или смазочные материалы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать природный газ чистым метаном. Так думают, потому что метан составляет его основную часть, но в смеси присутствуют и другие углеводороды, а иногда и примеси. Проверяйте формулировку: если сказано «главный компонент», это не означает «единственный компонент». Для расчётов метан часто используют как модельный компонент, но это не меняет состава природного газа.

Ошибка — называть нефть одним индивидуальным веществом. Её иногда воспринимают как единый продукт из-за общего названия и внешнего вида, однако нефть содержит множество веществ. Проверьте себя вопросом: можно ли говорить о разных фракциях и разделять их? Если да, перед вами смесь, а не одно чистое вещество.

Ошибка — считать перегонку нефти химической реакцией. При нагревании вещества испаряются и затем конденсируются, но не превращаются из-за этого в новые вещества. Путаница возникает, потому что нефть нагревают и получают полезные продукты. Проверка проста: если меняется только распределение компонентов смеси, это физическое разделение; химическая реакция меняла бы состав веществ.

Ошибка — путать попутный нефтяной газ с природным газом. Их состав может быть сходным, поэтому их легко смешать в памяти, но названия указывают на связь с добычей: попутный газ выделяется вместе с нефтью. Чтобы проверить ответ, уточните, где газ находился и каким способом его получили. Одинаковый или похожий состав не означает одинаковое происхождение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении и названиях алканов, формуле метана и уравнениях горения углеводородов. Они помогают описывать состав газа и рассчитывать количество кислорода для сгорания. Позже эти сведения пригодятся при изучении переработки нефти, крекинга и получения полимеров, а также топлива и экологических последствий добычи и сжигания. С физикой тему связывает зависимость агрегатного состояния и температуры кипения от состава и строения молекул.

Что запомнить

• Основные природные источники углеводородов — природный газ, нефть и каменный уголь.
• Главный компонент природного газа — метан.
• Попутный нефтяной газ выделяется при добыче нефти.
• Нефть — смесь углеводородов, а не индивидуальное вещество.
• Нефть разделяют перегонкой на фракции с разными температурами кипения.
• Продукты переработки углеводородов используют как топливо и химическое сырьё.
• При полном сгорании углеводородов образуются углекислый газ и вода.