§ 10. Природные источники углеводородов

Определения и обозначения

Нефть — природная смесь углеводородов разного строения и молекулярной массы. В ней могут одновременно находиться вещества с различным числом атомов углерода и разными свойствами. Поэтому нефть не является индивидуальным веществом и не имеет одной постоянной химической формулы; её состав определяет способы переработки.

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, основную долю которой обычно составляет метан. В нём могут быть и другие компоненты, а их соотношение зависит от месторождения. Это важно учитывать, когда рассчитывают состав топлива или оценивают его свойства.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней в нефтяном месторождении и выделяющихся при добыче нефти. Он образует отдельный поток сырья, который можно использовать и перерабатывать. Название указывает не на особый единственный состав, а на связь газа с добычей нефти.

Каменный уголь — твёрдое горючее ископаемое органического происхождения, содержащее углерод и другие элементы. В отличие от нефти и газа, это не жидкая или газовая смесь углеводородов, а твёрдое сырьё с высоким содержанием углерода. Такое различие помогает понять, почему уголь перерабатывают иначе.

Как это устроено

Углеводороды природных источников образовались из органического вещества древних организмов за очень долгое время. После захоронения остатки испытывали воздействие давления и повышенной температуры, а химические превращения шли постепенно. Поэтому залежи нефти и газа — результат длительных процессов в недрах, а не быстрого образования топлива.

Нефть и природный газ находятся в порах проницаемых горных пород, то есть таких пород, через которые вещества могут перемещаться. Углеводороды мигрировали из места образования и накапливались там, где сверху их удерживал непроницаемый слой. Такая природная ловушка позволяет сформироваться скоплению, которое можно разрабатывать скважинами.

Природный газ обычно состоит главным образом из метана, но содержание остальных компонентов не одинаково во всех месторождениях. Оно зависит от условий образования залежи и сопутствующих процессов в породах. Поэтому перед использованием газ исследуют и при необходимости очищают от негорючих примесей или разделяют на компоненты.

В нефти смешаны углеводороды с разными температурами кипения. При нагревании более летучие компоненты испаряются раньше, а при охлаждении паров вещества конденсируются в разных температурных зонах. Так смесь разделяют на фракции физическим способом — перегонкой: химический состав отдельных компонентов при этом не меняют намеренно.

Каменный уголь отличается от нефти и газа высоким содержанием углерода и твёрдым состоянием. При переработке без доступа воздуха его нагревают, и сложная смесь распадается с образованием новых продуктов. Среди них — кокс, каменноугольная смола и газообразные вещества, которые затем применяют как топливо или химическое сырьё.

Природные источники углеводородов и их использование

Сравнивайте источники по составу и способу переработки: это показывает, почему для каждого сырья применяют свои методы. Указанные применения основные, но не единственные: многие продукты переработки служат сырьём для дальнейшего производства.

Разбор задач

Задача 1. В природном газе содержится 90% метана по объёму. Определите объём метана в 2 м³ газа.

1. Переведём процентную долю в десятичную: 90% = 0,90. Это означает, что метан занимает 90 сотых общего объёма смеси.

2. Умножим объём газа на объёмную долю метана: V(CH₄) = 2 м³ × 0,90 = 1,8 м³. Остальные компоненты занимают оставшийся объём, но для ответа их вычислять не нужно.

Ответ: объём метана равен 1,8 м³.

Задача 2. При перегонке нефти получили несколько фракций. Объясните, почему их собирают в разных частях установки.

1. Вспомним, что нефть — смесь компонентов, температуры кипения которых различаются. При нагревании они переходят в пар не одновременно и в разной степени.

2. В перегонной колонне снизу вверх температура понижается. Пары поднимаются и охлаждаются, поэтому каждая фракция конденсируется там, где температура подходит для её кипения и конденсации.

3. Значит, компоненты собирают на разных уровнях из-за различий температур кипения. Перегонка разделяет смесь физически и сама по себе не превращает её компоненты в новые вещества.

Ответ: фракции собирают в разных частях колонны, потому что у компонентов разные температуры кипения, а температура в колонне меняется по высоте.

Задача 3. При сгорании 11,2 л природного газа, содержащего 80% метана по объёму, определите объём углекислого газа при тех же условиях. Считайте остальные компоненты негорючими.

1. Сначала найдём объём метана: 11,2 л × 0,80 = 8,96 л. Только метан участвует в горении, поскольку остальные компоненты по условию негорючие.

2. Запишем уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Коэффициенты перед CH₄ и CO₂ одинаковы, поэтому при одинаковых условиях объёмы этих газов относятся как 1:1.

3. Следовательно, образуется столько же углекислого газа, сколько сгорело метана: V(CO₂) = 8,96 л. Условия измерения совпадают, поэтому объёмное отношение можно взять из уравнения реакции.

Ответ: 8,96 л CO₂.

Типичные ошибки

Ошибка: считать нефть индивидуальным веществом и пытаться записать её одной формулой. Так происходит, когда слово «нефть» воспринимают как название одного соединения, хотя это смесь многих веществ. Проверь себя: если состав меняется от месторождения к месторождению, единой формулы быть не может.

Ошибка: отождествлять природный газ с чистым метаном. Метана обычно больше всего, поэтому его иногда принимают за единственный компонент; однако состав зависит от месторождения. Проверка простая: в условии задачи ищи указание на долю метана и возможные примеси.

Ошибка: называть перегонку химическим разложением нефти. Путаница возникает потому, что нефть нагревают и получают отдельные продукты. Но при перегонке компоненты разделяются по температурам кипения; новые вещества в результате самой перегонки не образуются. Уточни, меняется ли состав вещества или лишь разделяется смесь.

Ошибка: считать попутный нефтяной газ тем же самым, что природный газ. Их составы могут быть похожими, поэтому различие легко упустить. Отличай их по условиям залегания и получения: попутный газ связан с нефтяной залежью и выделяется при добыче нефти.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в природных источниках, нужно знать строение и свойства углеводородов, а также понимать, что такое смесь и её состав. При решении задач пригодятся понятия массовой и объёмной долей: они помогают определить количество компонента в заданной массе или объёме сырья. Для задач о топливе необходимы основы горения и умение читать уравнения реакций.

Знания о составе нефти, газа и угля понадобятся при изучении органического синтеза: природное сырьё служит исходным материалом для получения множества веществ. Способы переработки связаны с темой топлива и его использования. А оценивать экологические последствия важно потому, что добыча и сжигание ископаемого сырья влияют на окружающую среду.

Что запомнить

• Нефть, природный газ и уголь — природные источники углеводородного сырья.
• Природный газ обычно состоит преимущественно из метана.
• Состав нефти и газа зависит от месторождения.
• Попутный нефтяной газ получают при добыче нефти.
• Нефть разделяют на фракции перегонкой по температурам кипения.
• Переработка угля позволяет получать кокс, смолу и другие продукты.