Природные источники углеводородов. Нефть. Нефтепродукты (Дополнительный материал к § 39-41)

Определения и обозначения

Нефть — природная маслянистая смесь углеводородов разного состава и молекулярной массы. В ней одновременно присутствуют вещества с разным строением и свойствами, а также примеси. Поэтому у сырой нефти нет одной формулы: её нельзя считать отдельным чистым химическим веществом. Это объясняет, почему перед использованием нефть приходится перерабатывать.

Нефтепереработка — совокупность физических и химических процессов, с помощью которых нефть разделяют на фракции и получают востребованные продукты. Фракциями называют части смеси, в которых преобладают вещества с близкими свойствами. Переработка позволяет выделить топливо и сырьё для производства других веществ. Без неё полезные компоненты оставались бы смешанными.

Фракционная перегонка — способ разделения нефти на фракции по различию температур кипения входящих в неё углеводородов. При нагревании компоненты превращаются в пар не одновременно, а при разных температурах. Затем пары охлаждаются и конденсируются на разных участках установки. Это физическое разделение: состав молекул при нём не меняется.

Крекинг — процесс расщепления крупных молекул углеводородов на более мелкие. Он нужен, чтобы получать больше лёгких продуктов, например бензиновых компонентов, из тяжёлых фракций. При крекинге могут образовываться и алкены — вещества, применяемые в химическом производстве. В отличие от перегонки, здесь меняются состав и строение молекул.

Как это устроено

К природным источникам углеводородов относятся природный газ, попутный нефтяной газ и нефть, но они различаются агрегатным состоянием и составом. Природный газ залегает в газовых месторождениях и состоит главным образом из метана. Попутный газ находится вместе с нефтью: часть его растворена в ней, а часть образует газовую «шапку» над залежью; помимо метана, в нём есть другие лёгкие углеводороды. Нефть в пластовых условиях может содержать растворённый газ, а после добычи представляет собой жидкую смесь углеводородов.

Нефть и природный газ связывают с преобразованием органических остатков, оказавшихся глубоко под слоями осадочных пород. Остатки организмов постепенно погребались, а давление вышележащих пород возрастало. Тепло недр и длительное время способствовали сложным превращениям органического вещества, в результате которых образовались смеси углеводородов. Поэтому залежи нефти и газа формируются не быстро, а в течение очень продолжительного времени и при определённых условиях.

Сырую нефть нельзя сразу использовать как единое топливо: её компоненты испаряются при разных температурах, а потребителю нужны продукты с разными свойствами. Если смесь нагреть, более летучие вещества переходят в пар раньше, чем менее летучие. Охлаждая пары, можно получить жидкие части смеси отдельно. Именно различие температур кипения позволяет разделить нефть на фракции без химического изменения её компонентов.

При фракционной перегонке нефть сначала нагревают, чтобы значительная часть её компонентов испарилась. Пары поступают в ректификационную колонну — высокую установку, в которой температура постепенно снижается от нижней части к верхней. Поднимаясь, пары охлаждаются и конденсируются на разных уровнях: каждый компонент оседает там, где температура подходит для его конденсации. Так отбирают отдельные фракции, а наиболее тяжёлый остаток остаётся внизу.

Перегонка и крекинг решают разные задачи. Во время перегонки молекулы лишь переходят из жидкости в пар и обратно, поэтому полученные фракции содержат те же вещества, что были в исходной нефти. При крекинге крупные молекулы расщепляются, то есть образуются новые вещества с меньшим числом атомов в молекуле. Этим химическим процессом переработчики увеличивают долю лёгких продуктов и получают алкены, необходимые для синтеза разных материалов.

Природные источники углеводородов и продукты переработки нефти

Сначала сравните, что представляет собой источник или продукт и как его получают, а затем соотнесите его с назначением. Таблица показывает, что природные газы добывают из месторождений, а нефтяные фракции получают при переработке нефти. Один и тот же источник может служить и топливом, и сырьём для химического производства.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, чем по составу и условиям нахождения отличаются природный газ, попутный нефтяной газ и нефть. Чтобы ответить, нужно сравнить не только агрегатное состояние, но и место, где встречается каждый источник. Нельзя считать природный газ и попутный нефтяной газ одним и тем же: их связывают с разными типами залежей. Составы при этом могут частично совпадать.

1. Сначала определяем состояние и основной компонент природного газа. Это смесь газообразных углеводородов из газовых месторождений, в которой преобладает метан.

2. Затем рассматриваем попутный нефтяной газ. Он залегает рядом с нефтью или растворён в ней и, кроме метана, часто содержит другие лёгкие углеводороды.

3. Наконец, сравниваем их с нефтью. Нефть — жидкая природная смесь углеводородов, хотя в недрах в ней может быть растворён газ.

Ответ: природный газ добывают из газовых месторождений, попутный нефтяной газ находится вместе с нефтью, а нефть представляет собой жидкую смесь углеводородов. Газовые источники состоят преимущественно из газообразных углеводородов, главным образом метана.

Задача 2. Объясните, почему бензиновая фракция собирается в верхней части ректификационной колонны, а более тяжёлые фракции — ниже. Здесь важно проследить путь паров после нагревания и учесть, что в колонне верх холоднее низа. Фракции располагаются не случайно: место их конденсации связано с летучестью компонентов. Не следует объяснять разделение температурой плавления.

1. При нагревании нефти компоненты переходят в пар, но для этого им нужны разные температуры. Лёгкие бензиновые компоненты кипят при более низких температурах и легче испаряются.

2. Пары поднимаются по колонне и постепенно попадают в более холодные участки. Летучие бензиновые компоненты проходят выше, прежде чем охладятся настолько, чтобы сконденсироваться.

3. Более тяжёлые компоненты менее летучи и конденсируются при более высокой температуре. Поэтому они оседают на нижних уровнях, где колонна теплее.

Ответ: бензиновая фракция собирается выше, потому что её компоненты более летучи и конденсируются в холодной верхней части. Более тяжёлые фракции конденсируются ниже, при более высокой температуре.

Задача 3. При крекинге углеводород C₁₆H₃₄ распадается на два продукта, один из которых — C₈H₁₈. Определите формулу второго продукта и укажите тип процесса. Чтобы найти формулу, используем закон сохранения атомов: в продуктах должно быть столько же атомов каждого элемента, сколько было в исходном веществе. Затем определяем, является ли превращение физическим разделением или химическим изменением. В условии прямо указано расщепление молекулы, поэтому речь идёт о химическом процессе.

1. В исходной молекуле 16 атомов углерода и 34 атома водорода. Первый продукт C₈H₁₈ содержит 8 атомов углерода и 18 атомов водорода.

2. Вычитаем числа атомов первого продукта из общего числа. Для второго продукта остаются 16 − 8 = 8 атомов углерода и 34 − 18 = 16 атомов водорода.

3. Записываем формулу второго продукта: C₈H₁₆. Поскольку крупная молекула расщепилась на меньшие, процесс называют крекингом.

Ответ: формула второго продукта — C₈H₁₆; процесс — крекинг. Проверка: в продуктах вместе содержатся 16 атомов углерода и 34 атома водорода, как и в исходной молекуле.

Типичные ошибки

Считать нефть чистым веществом с одной формулой. Так ошибаются, потому что в разговоре нефть часто называют одним сырьём, хотя она включает множество веществ. Проверьте себя: если состав неоднороден и компоненты имеют разные свойства, перед вами смесь, а не индивидуальное вещество.

Называть фракционную перегонку химической реакцией. Нагревание и появление пара могут создать впечатление, что вещества превратились в новые. Но при перегонке меняется агрегатное состояние и происходит разделение, а не состав молекул. Убедитесь, что в описании процесса не образуются новые вещества.

Полагать, что фракции разделяются по температуре плавления. Такая путаница возникает из-за того, что при перегонке вещества нагревают и охлаждают. На самом деле компоненты разделяют по температурам кипения и последующей конденсации паров. Если речь идёт о переходе жидкости в пар, проверять нужно именно температуры кипения.

Путать перегонку с крекингом. Оба процесса используют при переработке нефти, поэтому их легко смешать. Перегонка разделяет компоненты смеси, а крекинг изменяет молекулы и образует новые вещества. Для проверки спросите себя: молекулы только отделили друг от друга или они расщепились?

Связь с другими темами

Чтобы понять переработку нефти, нужно знать, что такое углеводород, смесь и чистое вещество, а также отличать физические процессы от химических реакций. Формулы и превращения при крекинге опираются на знания о строении алканов и алкенов и подсчёте атомов в молекулах. Позже эти знания помогут разбираться в органическом синтезе, производстве топлива и экологических последствиях использования углеводородов.

Что запомнить

• Нефть — природная смесь углеводородов, а не индивидуальное вещество.
• Природный и попутный нефтяной газы содержат преимущественно газообразные углеводороды.
• Фракции нефти разделяют главным образом по температурам кипения.
• При фракционной перегонке молекулы углеводородов не превращаются в другие вещества.
• Крекинг — химическое расщепление крупных углеводородов на более мелкие.
• Нефтепродукты используют как топливо и как сырьё для химической промышленности.