§ 16. Природные источники углеводородов

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, главным образом метана, с примесями других газов. В нём также могут содержаться этан, пропан, бутан, азот и углекислый газ. Газ важен как топливо и как сырьё для получения водорода, пластмасс и других веществ.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в месторождении. Он добывается вместе с нефтью, а не из самостоятельной газовой залежи. Сбор этого газа позволяет использовать ценное сырьё и не допускать его бесполезного сжигания.

Нефть — природная маслянистая смесь жидких углеводородов с примесями соединений серы, кислорода и азота. Это не индивидуальное вещество с постоянной формулой, а сложная смесь. Нефть ценна тем, что из неё получают топливо, масла и сырьё для органического синтеза.

Каменный уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое сложного состава. В отличие от газа и нефти, он не является текучей смесью жидких или газообразных углеводородов и содержит значительную долю углерода. Его используют как топливо и перерабатывают коксованием.

Как это устроено

Природные источники углеводородов сформировались в земной коре из органических остатков под действием давления, температуры и времени. В результате образовались смеси, а не одно чистое соединение, потому что исходный органический материал был неоднородным. Состав залежи зависит от условий её образования, глубины и последующих изменений. Поэтому газ, нефть и уголь из разных месторождений могут заметно отличаться по свойствам.

Природный газ залегает в самостоятельных газовых пластах, тогда как попутный нефтяной газ связан с нефтяной залежью. Часть газов растворяется в нефти под большим давлением, а при подъёме на поверхность выделяется. Другая часть образует газовую шапку над нефтью. Попутный газ необходимо собирать и перерабатывать, потому что при сжигании теряются углеводороды и загрязняется атмосфера, а из переработанного сырья получают топливо и химические продукты.

Нефть нельзя разделить фильтрацией, поскольку её компоненты растворены друг в друге и имеют очень малые размеры частиц. Для разделения используют фракционную перегонку: нефть нагревают, пары поднимаются по ректификационной колонне, а затем конденсируются на разных уровнях. В состав каждой фракции входят вещества с близкими температурами кипения. Так получают, например, газовую, бензиновую, керосиновую, дизельную фракции и мазут.

Перегонка разделяет исходную смесь, но не превращает одни углеводороды в другие: химические связи их молекул сохраняются. Если нужно получить новые вещества или больше лёгких фракций, применяют крекинг — химическое расщепление крупных молекул на меньшие. Каменный уголь перерабатывают иначе: его нагревают без доступа воздуха. При таком коксовании образуются кокс, каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ.

Природные источники углеводородов и продукты их переработки

В таблице сопоставлены состав источников, способы их переработки и назначение продуктов. Она помогает увидеть, что агрегатное состояние исходного сырья определяет технологию его использования. Для нефти нужно различать фракции, а для угля — продукты коксования.

Разбор задач

Задача 1. Определение природного источника

Смесь состоит преимущественно из метана и содержит небольшие количества этана и других газов. Нужно определить, к какому природному источнику она относится. Одного состава недостаточно для различения двух газов, поэтому учитываем также условия залегания.

1. Метан и этан являются газообразными углеводородами, следовательно, перед нами газовая смесь.
2. Преобладание метана характерно для природного газа.
3. Если в условии не сказано, что газ добывают вместе с нефтью, его относят к природному газу, а не к попутному нефтяному.

Ответ: природный газ; его основной компонент — метан.

Задача 2. Горение метана

Определим объём кислорода для полного сгорания 2 м³ метана и объём углекислого газа при одинаковых условиях. Сначала составим уравнение реакции, потому что именно коэффициенты показывают соотношение объёмов газов. Вода при обычном рассмотрении образуется в жидком состоянии и в газовый объём не включается.

1. Уравнение реакции: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. Из уравнения следует: 1 м³ CH₄ требует 2 м³ O₂, значит, 2 м³ требуют 4 м³ O₂.
3. На 1 м³ метана образуется 1 м³ CO₂, поэтому из 2 м³ получится 2 м³ CO₂.

Ответ: требуется 4 м³ кислорода, образуется 2 м³ углекислого газа.

Задача 3. Порядок конденсации фракций

Из нефти выделили фракции с разными температурами кипения. При перегонке пары постепенно охлаждаются, поэтому первой конденсируется фракция с наиболее высокой температурой кипения. Последней остаётся и конденсируется фракция с самой низкой температурой кипения при более сильном охлаждении.

1. Сравнить температуры кипения всех фракций.
2. Расположить их по убыванию температуры кипения.
3. Именно в таком порядке они будут конденсироваться при движении паров от горячей нижней части колонны к более холодной верхней части.

Ответ: сначала конденсируется фракция с самой высокой температурой кипения, затем фракции с более низкими температурами; самая летучая фракция конденсируется последней.

Типичные ошибки

Ошибка: считать нефть индивидуальным веществом. Так думают из-за её однородного внешнего вида, но нефть состоит из множества компонентов. Проверка: у чистого вещества постоянный состав и формула, а состав нефти меняется от месторождения к месторождению.

Ошибка: путать перегонку с химическим превращением. При нагревании действительно меняется агрегатное состояние, поэтому может показаться, что образуются новые вещества. Проверка: при перегонке разделяют компоненты по температурам кипения, а при крекинге изменяется строение молекул.

Ошибка: отождествлять природный газ с чистым метаном. Метана в нём больше всего, но присутствуют и другие газы. Проверка: если смесь содержит несколько компонентов, это не индивидуальный метан.

Ошибка: считать коксование нагреванием угля на воздухе. При доступе воздуха уголь преимущественно сгорает, а не разлагается с образованием ценных продуктов. Проверка: коксование проводят без доступа воздуха.

Связь с другими темами

Для понимания параграфа нужны знания о смесях и индивидуальных веществах, способах разделения смесей, а также о составе и свойствах углеводородов. Особенно полезно помнить различие между физическими и химическими процессами.

Сведения о природном сырье пригодятся при изучении химических свойств алканов, реакций горения и промышленного органического синтеза. Уравнение горения метана связывает тему с расчётами по объёмам газов.

Что запомнить

• Природные источники углеводородов — смеси веществ, а не чистые соединения.
• Основной компонент природного газа — метан.
• Попутный нефтяной газ находится вместе с нефтью в месторождениях.
• Нефть разделяют на фракции перегонкой по различию температур кипения.
• Перегонка нефти — физический способ разделения смеси.
• Каменный уголь перерабатывают коксованием без доступа воздуха.