"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Нефть — природная смесь углеводородов, из которой получают топливо и сырьё для химической промышленности. Её состав зависит от месторождения, поэтому нефть нельзя считать чистым веществом. При фракционной перегонке её разделяют на части с разными температурами кипения, а затем перерабатывают в бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и другие продукты. Крекинг позволяет увеличить выход лёгких углеводородов, особенно бензиновых компонентов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нефть — природная маслянистая горючая жидкость, представляющая собой сложную смесь углеводородов и небольших количеств примесей. Углеводороды состоят только из углерода и водорода, а примеси обычно содержат серу, азот и кислород. Это определение помогает отличать нефть от чистого вещества.
Нефтяная фракция — часть нефти, выделяемая при перегонке в определённом интервале температур кипения. Она не является одним соединением: в неё входят вещества с близкими температурами кипения. Понятие фракции нужно, чтобы описывать продукты разделения нефти.
Фракционная перегонка нефти — разделение нефти на фракции по различию температур кипения. При нагревании компоненты испаряются, а затем конденсируются на разных участках установки. Так получают отдельные группы нефтепродуктов без изменения состава их молекул.
Крекинг — превращение тяжёлых углеводородов нефти в более лёгкие углеводороды, часто с образованием алкенов. При этом длинные углеродные цепи расщепляются на более короткие. Крекинг нужен для увеличения выхода бензина и получения сырья для органического синтеза.
Нефть считают смесью, потому что в ней одновременно присутствуют алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды и другие соединения. Кроме того, в составе есть примеси серы, азота и кислорода, а их количество меняется от месторождения к месторождению. Поэтому у нефти нет одной формулы и постоянной температуры кипения, как у индивидуального вещества.
Происхождение нефти связывают с органическими остатками древних организмов, накопившимися в осадочных породах. В условиях недостатка кислорода эти остатки не разлагались полностью, а давление и температура постепенно вызывали сложные химические превращения. За длительное геологическое время образовалась смесь углеводородов, которая переместилась и скопилась в подземных породах.
Перегонка разделяет нефть потому, что её компоненты имеют разные температуры кипения. При нагревании пары поднимаются по ректификационной колонне, где температура постепенно уменьшается, и вещества конденсируются на разных уровнях. Полного разделения на отдельные соединения обычно не происходит, поэтому получают именно фракции — группы веществ с близкими свойствами.
Из лёгких фракций получают сжиженные газы и бензин, используемый в двигателях внутреннего сгорания. Керосиновая фракция служит основой топлива для реактивных двигателей, а газойлевая — для дизельного топлива. Остаток перегонки, мазут, применяют как топливо и перерабатывают дальше, получая масла, битум и другие продукты.
Прямой перегонкой нельзя получить столько бензина, сколько требуется промышленности, поскольку его выход ограничен составом нефти. При крекинге крупные молекулы тяжёлых углеводородов разрываются на более короткие, поэтому образуются лёгкие алканы и алкены. Меняются и размер, и строение молекул: например, из декана могут образоваться октан и этен.
Интервалы температур и число атомов углерода являются примерными: точные значения зависят от состава конкретной нефти. По таблице можно определить, какие части смеси испаряются раньше и какие продукты из них получают. Мазут остаётся после удаления более летучих компонентов и поэтому имеет самый тяжёлый состав.
| Нефтяная фракция | Примерный интервал температур кипения | Число атомов углерода | Основные продукты и применение |
|---|---|---|---|
| Газовая фракция | до 40 °C | C₁–C₄ | Сжиженные газы, топливо, сырьё для химического производства |
| Бензиновая фракция | 40–180 °C | C₅–C₁₀ | Бензин, топливо для двигателей внутреннего сгорания |
| Лигроиновая фракция | 120–200 °C | C₈–C₁₄ | Компоненты топлива и сырьё нефтехимии |
| Керосиновая фракция | 180–300 °C | C₁₀–C₁₆ | Керосин, топливо для реактивных двигателей |
| Газойлевая фракция | 250–350 °C | C₁₄–C₂₀ | Дизельное топливо и сырьё для дальнейшей переработки |
| Мазут | выше 350 °C | более C₂₀ | Топливо, получение масел, битума и других продуктов |
Задача 1. Рассчитать объём воздуха для полного сгорания m г октана, если кислорода в воздухе 21% по объёму.
Ответ: для m г октана потребуется примерно 11,7m л воздуха при нормальных условиях.
Задача 2. Из M кг нефти получены фракции с массовыми долями w₁, w₂ и w₃. Массу каждой части находим умножением общей массы на соответствующую долю: m₁ = Mw₁, m₂ = Mw₂, m₃ = Mw₃. Если доли даны в процентах, каждую сначала делят на 100; затем проверяют сумму m₁ + m₂ + m₃.
Ответ: массы фракций равны произведениям M на их массовые доли, а контрольная сумма должна совпасть с массой исходной нефти, если учтены все фракции.
Задача 3. Составить уравнение крекинга декана с образованием октана и алкена. Слева десять атомов углерода и двадцать два атома водорода, поэтому после образования C₈H₁₈ остаются C₂H₄. Уравнение: C₁₀H₂₂ → C₈H₁₈ + C₂H₄. Это химическая реакция расщепления углеводородной цепи, то есть крекинг.
Ответ: алкен — этен C₂H₄; реакция относится к крекингу и сопровождается образованием алкена.
Называть нефть чистым веществом. Ошибка возникает из-за её однородного внешнего вида, но состав нефти сложен и меняется у разных месторождений. Проверка: спросите себя, есть ли у вещества одна формула и постоянная температура кипения.
Считать, что при перегонке образуются новые вещества. Нагревание и конденсация только разделяют уже существующие компоненты смеси. Проверка: в уравнении перегонки нет новых формул и коэффициентов реакции.
Путать фракцию с индивидуальным углеводородом. Название бензиновой или керосиновой фракции обозначает группу веществ, а не одну молекулу. Проверка: у фракции указывают интервал кипения и диапазон числа атомов углерода.
Записывать крекинг как испарение или горение. При крекинге химические связи разрываются, а из одной тяжёлой молекулы образуются несколько более лёгких. Проверка: число атомов каждого элемента до и после реакции должно сохраняться.
Для понимания темы нужны строение и названия алканов и алкенов, их молекулярные формулы и уравнения горения. Без этого трудно составить уравнение крекинга или рассчитать расход кислорода.
Тема опирается на различие физических и химических свойств. Перегонка показывает физическое разделение смеси, а крекинг — химическое превращение индивидуальных молекул.
Знания о нефти пригодятся при изучении органического синтеза, полимеров и топлива. Они также помогают понять экологические последствия добычи и переработки нефтяного сырья.
Почему нефть нельзя использовать без предварительной переработки?
Нефть представляет собой сложную смесь веществ, а не готовое топливо с постоянными свойствами. Переработка позволяет разделить её на фракции и получить продукты, подходящие для разных двигателей и технологических процессов.
Чем нефтяная фракция отличается от чистого вещества?
Фракция содержит множество углеводородов, температуры кипения которых лежат в близком интервале. Чистое вещество состоит из частиц одного вида и имеет постоянные физические свойства.
Почему бензин получают не только прямой перегонкой нефти?
При прямой перегонке количество бензиновой фракции ограничено составом нефти. Крекинг расщепляет тяжёлые углеводороды и превращает их в более лёгкие, поэтому выход бензина увеличивается.
Чем перегонка отличается от крекинга?
Перегонка является физическим разделением: состав молекул при ней не меняется. Крекинг — химическое превращение, при котором разрываются связи в молекулах тяжёлых углеводородов.
Почему состав и свойства нефти различаются у разных месторождений?
Нефть образуется из органических остатков в разных геологических условиях и за разное время. Поэтому месторождения отличаются соотношением углеводородов и содержанием соединений серы, азота и кислорода.
10.2. Нефть
