Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 23. НАФТА Й ПРОДУКТИ ЇЇ ПЕРЕРОБКИ

Склад і властивості нафти. За фізичними властивостями нафта — густа оліїста рідина зі специфічним запахом, темно-бурого або чорного кольору, легша за воду й не розчинна в ній. Нафта різних родовищ різниться за складом, густиною, кольором, запахом тощо.

Нафта не є індивідуальною речовиною, це суміш близько 1000 різних сполук, серед яких переважають рідкі насичені вуглеводні. У ній також містяться домішки сульфуро-, нітрогено-, оксигеновмісних сполук, водний розчин неорганічних солей.

Нафта відома людям здавна. Її почали використовувати близько 5 000 років тому в місцях, де вона просочувалася на поверхню ґрунту. Горючість нафти помітити було неважко, тому й застосовували її переважно як паливо, для освітлення, а також як мастило. Сирою нафтою обробляли днища кораблів для гідроізоляції. Нафтопродукти використовувала стародавня медицина у вигляді мазей, для бальзамування мумій тощо. Стародавні шумери застосовували нафтовий бітум як будівельний матеріал, у Китаї нафту використовували з військовою метою.

Нафта входила до складу відомого у стародавні часи так званого грецького вогню, що займався від контакту з водою і спалив не один військовий корабель. Погасити цей вогонь можна було лише піском (мал. 66).

Мал. 66. Грецький вогонь у дії (з візантійської хроніки ХІ ст.)

Як ви думаєте, чому? Пригадайте умови гасіння полум’я.

Нафту видобувають із надр Землі через свердловини (мал. 67, 68). Іноді під час буріння вона спершу викидається на поверхню під тиском, потім у свердловину закачують повітря, вуглекислий газ чи воду, за допомогою яких нафта витискується.

Мал. 67. Геологічний розріз нафтоносної місцевості

Мал. 68. Видобування нафти біля м. Борислав Львівської області

З районів видобутку до місць переробки нафту транспортують суходолом (у залізничних цистернах), морем чи річкою (у танкерах) або перекачують нафтопроводами (мал. 69).

Мал. 69. Ділянка нафтопроводу

Запаси нафти є не лише на суходолі, а й під морським дном. Бурові нафтові установки в морі встановлюють на спеціальних платформах (мал. 70).

Мал. 70. Видобування нафти з платформи в морі

Перегонка нафти. Не всі ви бачили сиру нафту, але всі знаєте, що таке бензин, гас, парафін, вазелін, мазут. Ці продукти є нафтовими фракціями (від лат. fraction — розламування), що утворюються внаслідок перегонки нафти.

У чому полягає цей процес? Як суміш речовин нафта не має певної температури кипіння, а переходить у газуватий стан у широкому інтервалі температур. Нафту можна розділити на складові частини (фракції) із значно вужчими інтервалами температур кипіння за допомогою методу фракційної перегонки.

Нафтові фракції — також не індивідуальні речовини, хоча й містять близькі за складом і властивостями сполуки.

Цей процес можна відтворити в лабораторії. Нагріємо нафту в колбі з приєднаним водяним холодильником (мал. 71, с. 114). При цьому низькокиплячі її компоненти переходять у газуватий стан, охолоджуються, конденсуються. Подальшим нагріванням до вищої температури можна виділити іншу фракцію і т. д.

Мал. 71. Перегонка нафти в лабораторії

Виробничу перегонку нафти здійснюють в установці безперервної дії, що складається з печі для нагрівання сирої нафти, ректифікаційної колони (від лат. rectificatio— випрямлення) і холодильника (мал. 72, с. 114; мал. 73, 74, с. 115).

Мал. 72. Схема нафтоперегонного заводу (1823 р.)

Мал. 73. Схема промислової установки для перегонки нафти: 1 — піч; 2— ректифікаційна колона; 3 — холодильник

Мал. 74. Промислові ректифікаційні колони

Суть процесу полягає в тому, щоб нагріти нафту, перетворивши її частково на пару, і потім поступово сконденсувати вже у вигляді окремих рідких фракцій.

Нафта нагрівається, проходячи змійовиком, розміщеним у печі, яка опалюється мазутом або газом. Після цього рідину (частково в суміші з парою) направляють до сталевої ректифікаційної колони. Усередині цієї колони розміщено декілька десятків полиць, або так званих тарілок, — це горизонтальні перегородки з отворами (мал. 75, с. 116).

Мал. 75. Схема будови ректифікаційної колони

Нафтові фракції випаровуються, проходять крізь отвори вгору колони, де охолоджуються й конденсуються, причому менш леткі — на нижніх тарілках, а більш леткі — на верхніх. Отже, залежно від температур кипіння на різних рівнях скраплюються різні нафтові фракції і відразу ж відводяться з колони трубами. Бензин частково повертається в колону для поліпшення її роботи.

Важка фракція — мазут — містить багато цінних речовин, тому його переробляють додатково у вакуумних установках. Зниження тиску дає змогу проводити перегонку мазуту за значно нижчої температури й тим самим запобігти розкладу речовин. Урешті-решт залишається гудрон, що є цінним будівельним матеріалом (табл. 9).

Таблиця 9

Продукти перегонки нафти

Нафтова фракція

Кількість атомів Карбону в молекулі

Інтервал температур кипіння, °C

Галузь застосування

Гази

С1—С4

Паливо

Бензин

С5—С12

40—80

Пальне для двигунів внутрішнього згоряння

Гас

С12—С15

180—240

Пальне для дизельних і реактивних двигунів

Газойль

С15—С25

240—260

Пальне для дизельних двигунів і котлоустановок

Мазут

Залишок перегонки

Переробка на мастила, котельне паливо, вазелін, гудрон

Під час перегонки нафти жодних хімічних змін із продуктами не відбувається, спосіб ґрунтується на різних фізичних властивостях, а саме різних температурах кипіння речовин, що входять до складу нафти.

Водночас є способи переробки нафти, під час яких відбуваються хімічні реакції зі зміною складу й будови компонентів нафти. Ці способи ми розглянемо нижче.

Крекінг нафтопродуктів. Серед продуктів перегонки нафти в побуті донедавна найширше використовували гас: для освітлення (гасові лампи), приготування їжі (примуси). Потім його було замінено в багатьох випадках на електроенергію і природний газ. Водночас розвиток автомобільної промисловості потребував дедалі більшої кількості пального для двигунів.

Зрослі потреби не задовольняла перегонка нафти, у результаті якої залишається значна частина продуктів з високими температурами кипіння. Проблему було розв’язано завдяки переробці висококиплячих фракцій на низькокиплячі, що становлять основу атомобільного пального.

Було з’ясовано, що під час нагрівання до 400 оС і вище вуглеводні, що входять до складу мазуту, газойлю, розкладаються на вуглеводні з низькими відносними молекулярними масами:

Цей процес називають крекінгом (від англ. crack — розщеплювати). Крекінг здійснюють за високої температури (термічний крекінг) або наявності каталізатора (каталітичний крекінг), що дає змогу дещо знизити температуру процесу й добути бензин вищої якості. Як каталізатор використовують алюмосилікати.

Під час крекінгу відбувається не лише розщеплення вуглеводнів, а й їх ізомеризація, наприклад:

Значення процесу ізомеризації полягає в тому, що вуглеводні розгалуженої будови поліпшують якість пального.

Важливим є також процес риформінгу (англ. reforming, від лат. reformo — перетворюю) бензину, під час якого насичені вуглеводні перетворюються на ароматичні. Ароматизація відбувається в результаті нагрівання бензину за наявності каталізатора. Цим методом добувають також бензен та його похідні.

Застосування нафтопродуктів. Нафта відіграє надзвичайно велику роль у житті людства, розвитку цивілізації. Насамперед це одне із найпотужніших і найпоширеніших джерел енергії, що вивільняється внаслідок спалювання нафтопродуктів. Крім того, хімічною переробкою з нафти добувають безліч речовин, які використовують, без перебільшення, повсюдно.

У результаті хімічної переробки чорна оліїста рідина перетворюється на волокна й пластмаси, запашні й вибухові речовини, ліки і барвники. Недаремно нафту називають «чорним золотом». Чим глибша переробка нафти, тим більше корисних продуктів можна добути з неї.

Галузь промисловості, що займається переробкою нафтопродуктів, називають нафтохімією (мал. 76).

Мал. 76. Загальний вигляд сучасного нафтопереробного заводу

Схарактеризуйте застосування нафтопродуктів за схемою 1.

Схема 1

Застосування нафтопродуктів

Порівняйте малюнки 77, а і 77, б. Які зміни відбулися б, якби вилучили всі предмети, що їх виготовлено із застосуванням нафтопродуктів?

Мал. 77. Інтер'єр з предметами, виготовленими з нафтопродуктів (а) і без них (б)

Можна сказати, що ми залежимо від нафти, оскільки поки що вона незамінна як сировина для органічного синтезу й виробництва пального. На жаль, ще й сьогодні у вигляді пального більшу частину нафтопродуктів спалюють (до 87 % видобутку) і лише решту піддають хімічній переробці.

Детонаційна стійкість бензину. Пальне для двигунів внутрішнього згоряння буває різних сортів, які характеризують так званим октановим числом — 76, 92, 95, 98 тощо. Що означають ці числа?

З’ясовано, що швидкість згоряння пального залежить від того, які вуглеводні входять до його складу. Бензин, що складається переважно з гексану С6Н14, гептану С7Н16 і октану С8Н18 лінійної будови, згоряє надто швидко і спричиняє детонацію (від лат. detonation — вибух). Найліпші антидетонаційні характеристики мають вуглеводні розгалуженої будови, зокрема ізооктан:

За умовною шкалою ізооктану надано «октанове число» 100, а гептану — 0. Суміші вуглеводнів, що входять до складу бензину різних сортів, мають проміжні октанові числа, причому тим більші, чим вищий сорт бензину, вища його детонаційна стійкість.

Очевидно, для поліпшення якості пального доцільно застосовувати такі процеси переробки нафти, у результаті яких утворюються вуглеводні розгалуженої будови.

Назвіть ці процеси. Дайте назву ізооктану (с. 118) за систематичною номенклатурою.

Людство давно усвідомило, що нафта — надто цінна хімічна сировина, щоб спалювати її у вигляді пального. До того ж ресурси цієї копалини на планеті швидко скорочуються. У зв’язку з цим постає питання про заміну нафти як джерела енергії та сировини.

Принципово ця проблема може бути розв’язана за рахунок використання вугілля, запаси якого у природі значно більші, ніж запаси нафти. У вугіллі міститься вільний вуглець, який можна перетворювати на різні речовини хімічним способом. Однак таке перетворення потребує значних матеріальних витрат, а отже, продукт, добутий із вугілля, буде дорожчим, ніж добутий з нафти.

У промисловості розроблено технологію виробництва рідкого пального з вугілля. Під час Другої світової війни в Німеччині, де немає власних джерел нафти, саме з вугілля виробляли пальне, мастила тощо. Однак поки що використання цього методу є економічно недоцільним.

На думку фахівців, проблема переробки кам’яного вугілля на пальне може постати перед промисловістю України, де є великі запаси кам’яного вугілля, якого вистачить на кількасот років.

Крім виробництва синтетичного пального є й інші шляхи заміни нафтопродуктів: використання метану, водню, біоенергетичних джерел. До останніх належать біоетанол, який утворюється в результаті переробки органічних відходів та біомаси, основною складовою якої є целюлоза; біодизель, що його добувають із дешевих жирів. Про ці способи ви дізнаєтеся докладніше в наступних розділах підручника.

Завдання для самоконтролю

1. Чи можна описати хімічний склад нафти однією формулою? Чому?

2. Який хімічний склад нафти?

3. Які властивості нафти зумовили її використання у стародавні часи?

4. Назвіть основні нафтові фракції.

5. За якою властивістю речовин, що входять до складу нафти, її розділяють на фракції?

6. Яка властивість речовин лежить в основі крекінгу нафти?

7. Які технічні винаходи сприяли зростанню видобутку й широкому використанню нафти?

8. Назвіть дві основні галузі застосування нафти.

9. Установіть відповідність між назвою процесу та продуктом, що утворюється в результаті.

Назва процесу

Назва продукту

1 крекінг

А мазут

2 риформінг

Б ізооктан

3 перегонка

В кокс

4 ізомеризація

Г етен

Д ароматичні вуглеводні

10. З якою метою використовують: вакуумну перегонку нафти, ізомеризацію, риформінг?

11. У чому полягає сенс відомого висловлювання Д. І. Менделєєва, що спалювати природне паливо, усе одно, що палити асигнаціями?

12. Складіть розповідь про використання метану й водню у двигунах автомобілів.

13. Обчисліть масу брому, що приєднався до етену (н. у.), який утворився в результаті крекінгу гептану масою 18 г.