§ 45. Природные источники углеводородов

Определения и обозначения

Нефть — природная горючая маслянистая смесь углеводородов и примесей. В ней есть вещества с разным составом и размером молекул, поэтому нефть нельзя считать одним индивидуальным веществом. Это различие важно при выборе способа переработки и получении полезных продуктов.

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, в которой обычно преобладает метан. В ней могут быть этан и другие вещества, в том числе негорючие примеси. Газ используют для отопления и получения энергии, а также как сырьё для химической промышленности.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в месторождении. При подъёме нефти давление уменьшается, газ отделяется от жидкости и выходит вместе с ней. Его собирают и используют как топливо или химическое сырьё.

Каменный уголь — твёрдое горючее ископаемое органического происхождения. В отличие от нефти и природного газа, он не является жидкостью или смесью газообразных углеводородов: это твёрдый материал сложного состава. Уголь сжигают для получения энергии и перерабатывают для нужд промышленности.

Как это устроено

Горючие ископаемые формировались из остатков древних организмов, которые накапливались под слоями осадочных пород. Без доступа воздуха органические вещества разлагались не так, как на поверхности, а давление вышележащих слоёв и тепло недр постепенно изменяли их состав. На эти превращения уходили огромные промежутки времени, поэтому нефть, газ и уголь относятся к невозобновляемым ресурсам: они образуются гораздо медленнее, чем расходуются.

Нефть остаётся жидкой смесью, потому что включает углеводороды разной молекулярной массы: рядом с более лёгкими в ней присутствуют более тяжёлые вещества. Природный газ, напротив, состоит главным образом из лёгких углеводородов, которые при обычных условиях являются газами. Такое различие в составе объясняет разные агрегатные состояния и способы подготовки этих источников к использованию.

В месторождении природный газ может занимать отдельную газовую часть, а нефть находится ниже. Часть газа растворяется в нефти, а часть скапливается над ней. Когда нефть поднимают по скважине, давление падает, растворённый газ выделяется, а газовая часть месторождения тоже может поступать в добывающую систему. Так получают попутный нефтяной газ; его необходимо собирать, а не терять.

Природный газ добывают через скважины, по которым он поднимается на поверхность благодаря давлению в месторождении или работе оборудования. Нефть также извлекают скважинами, иногда используя насосы, после чего отделяют от воды и газа. Сама добытая нефть ещё не готовое топливо: её перегоняют, нагревая и разделяя пары по температурам кипения. Так получают фракции — группы веществ, из которых производят различные виды топлива и другие продукты.

Все эти ископаемые можно сжигать для получения тепла и энергии, но нефть и газ особенно важны также как сырьё для производства химических веществ и материалов. Уголь тоже применяют в промышленности, а его переработка даёт востребованные продукты. Запасы ограничены, а добыча и сжигание могут загрязнять воду, воздух и почву. Поэтому ресурсы нужно использовать экономно, предотвращать утечки и уменьшать вредные выбросы.

Природные источники углеводородов

Сначала сравнивайте агрегатное состояние и основные компоненты: они помогают отличить источники друг от друга. Затем проследите, как способ добычи или переработки связан с применением. Например, нефть разделяют на фракции, а природный газ получают из газовых месторождений.

Разбор задач

Задача 1. В описании источника указано, что он представляет собой смесь, в которой преобладает метан. Определите источник и назовите ещё один возможный компонент смеси.

1. Выделим признак состава: метан преобладает в газообразной смеси.
2. Сравним его с известными источниками. В природном газе основным компонентом обычно является метан, поэтому речь идёт о природном газе.
3. Поскольку это смесь, кроме метана в ней возможны другие вещества. Например, в ней может присутствовать этан.

Ответ: природный газ; возможный компонент — этан. Метан здесь основной компонент смеси, но не обязательно единственный.

Задача 2. Сравните нефть и природный газ по агрегатному состоянию, основным компонентам и способу подготовки к использованию.

1. По агрегатному состоянию нефть — жидкость, а природный газ — газовая смесь.
2. Нефть состоит из разных углеводородов и примесей. В природном газе преобладает метан, хотя могут присутствовать другие вещества.
3. Добытую нефть подготавливают и разделяют перегонкой на фракции, потому что её компоненты имеют разные температуры кипения. Газ добывают из скважин и подготавливают к использованию; его не разделяют на нефтяные фракции.

Ответ: нефть — жидкая смесь углеводородов, которую разделяют перегонкой; природный газ — газовая смесь преимущественно метана, добываемая и подготавливаемая для использования.

Задача 3. При добыче нефти получена газовая смесь, содержащая метан и более тяжёлые углеводороды. Определите, о каком газе идёт речь, и объясните, почему его не следует просто выпускать в атмосферу.

1. Газ обнаружен вместе с добываемой нефтью, а не в отдельном газовом месторождении.
2. Смесь метана и более тяжёлых углеводородов подходит под описание попутного нефтяного газа.
3. В его составе есть горючие вещества, которые можно использовать как топливо или сырьё. Выпуск газа приводит к потере ресурса и может вредить окружающей среде.

Ответ: это попутный нефтяной газ. Его следует собирать и использовать, а не выпускать без пользы в атмосферу.

Типичные ошибки

Ошибка 1: называть нефть индивидуальным веществом. Так иногда говорят, потому что в быту нефть воспринимают как один продукт. Но это смесь углеводородов и примесей; проверить себя можно вопросом, одинаков ли состав нефти из разных месторождений. Он может различаться, значит, перед нами не одно чистое вещество.

Ошибка 2: считать природный и попутный нефтяной газ одним источником. Оба являются газовыми смесями, и это сходство сбивает с толку. Различайте их по местонахождению: природный газ добывают из газового месторождения, а попутный газ связан с нефтью и выделяется при её добыче.

Ошибка 3: утверждать, что природный газ состоит только из метана. Метан преобладает, поэтому его легко принять за единственный компонент. Но природный газ — смесь; проверьте себя, используя слова «главный компонент», а не «единственный».

Ошибка 4: путать добычу нефти с её переработкой. При добыче нефть извлекают из месторождения, но она уже является смесью, а не готовым набором отдельных топлив. Фракции получают при последующей перегонке; проверить себя можно, спросив, разделяли ли компоненты по температурам кипения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что углеводороды состоят из атомов углерода и водорода, и уметь отличать смесь от индивидуального вещества. Эти знания пригодятся при изучении предельных углеводородов, горения и переработки нефти. Они также помогают объяснить, откуда получают топливо и химическое сырьё и почему их использование связано с экологическими последствиями.

Что запомнить

• Нефть — смесь, а не индивидуальное химическое соединение.
• В природном газе обычно преобладает метан.
• Попутный нефтяной газ добывают вместе с нефтью.
• Нефть разделяют на фракции перегонкой.
• Углеводороды природного происхождения используют как топливо и химическое сырьё.
• Добыча и использование ископаемого топлива связаны с воздействием на окружающую среду.