Происхождение горючих ископаемых.
Кроме того, что из органических веществ состоят все живые организмы, основным источником органических соединений являются: нефть, уголь, природный и сопутствующий нефтяной газы.
Нефть, уголь и природный газ – это источники углеводородов.
Эти природные ископаемые используют:
· В качестве топлива (источника энергии и теплоты) – это обычное сжигание;
· В виде сырья для дальнейшей переработки – это органический синтез.
Теории происхождения органических веществ:
1- Теория органического происхождения.
Согласно этой теории залежи образовались из остатков вымерших растительных и животных организмов, превратившихся в смесь углеводородов в толще земной коры под действием бактерий, высоких давления и температуры.
2- Теория минерального (вулканического) происхождения нефти.
Согласно этой теории нефть, уголь и природный газ образовались на первичной стадии формирования планеты Земля. При этом металлы соединялись с углеродом, образуя карбиды. В результате реакции карбидов с водяным паром в глубинах планеты образовались газообразные углеводороды, в частности метан и ацетилен. А под влиянием нагревания, радиации и катализаторов из них образовались другие соединения, содержащиеся в нефти. В верхних слоях литосферы жидкие нефтяные компоненты испарялись, жидкость загустевала, превращалась в асфальт и затем в уголь.
Эту теорию вначале высказал Д.И.Менделеев, а затем в 20-м веке французский ученый П.Сабатье смоделировал описанный процесс в лаборатории и получил смесь углеводородов, подобную нефти.
Основным компонентом природного газа является метан. В нем содержатся также этан, пропан, бутан. Чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.
Применение: при сгорании природного газа выделяется много теплоты, поэтому он служит энергетически эффективным и дешевым топливом в промышленности. Природный газ также является источником сырья для химической промышленности: получение ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.
Попутные нефтяные газы находятся в природе над нефтью или растворены в ней под давлением. Ранее попутные нефтяные газы не находили применение, их сжигали. В настоящее время их улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырьё. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но в них значительно больше его гомологов. Попутные нефтяные газы разделяют до более узкого состава.
Например: газовый бензин – смесь пентана, гексана и других углеводородов добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя; пропан-бутановая фракция в виде сжиженного газа применяется как топливо; сухой газ – по составу сходен с природным – используют для получения ацетилена, водорода, а также как топливо.иногда попутные нефтяные газы подвергают более тчательному разделению и извлекают из них индивидуальные углеводороды, из которых затем получают непредельные углеводороды.
Одним из самых распространенных видов топлива и сырья для органического синтеза остается каменный уголь. Какие виды каменного угля бывают, откуда уголь берут и для получения каких продуктов его используют – это основные вопросы, которые мы с вами сегодня на уроке рассмотрим. Как источник химических веществ каменный уголь начал использоваться раньше, чем нефть и природный газ.
Каменный уголь – это не индивидуальное вещество. В его состав входят: свободный углерод (до 10%), органические вещества, содержащие кроме углерода и водорода – кислород, серу, азот, минеральные вещества, которые остаются в виде шлака при сжигании угля.
Уголь – это твердое горючее полезное ископаемо органического происхождения. Согласно биогенной гипотезе – он образовался из отмерших растений в результате жизнедеятельности микроорганизмов в каменноугольном периоде палеозойской эры (около 300млн лет назад). Уголь дешевле нефти, он более равномерно распределен в земной коре, его природные запасы намного превосходят запасы нефти и, по прогнозам ученных, не будут исчерпаны еще в течение века.
Образование угля из растительных остатков (углефикация) происходит в несколько стадий: торф – бурый уголь – каменный уголь – антрацит.
Процесс углефикации состоит в постепенном увеличении относительного содержания углерода в органическом веществе в следствие его обеднения кислородом и водородом. Образование торфа и бурого угля происходит в результате биохимического разложения растительных остатков без доступа кислорода. Переход бурого угля в - каменный происходит под воздействием повышенных температур и давления, связанных с горообразующими и вулканическими процессами.
Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.
| каменный уголь | торф | нефть | природный газ |
 |  |
||
| твердый | твердый | жидкость | газ |
| без запаха | без запаха | резкий запах | без запаха |
| однородный состав | однородный состав | смесь веществ | смесь веществ |
| горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений | скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер | природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов | смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород |
| Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива | |||
| 7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Каменный уголь.
Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.
Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.
Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.
Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:
1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);
2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);
3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);
4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).
Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.
При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.
Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.
Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.
Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.
Природный газ.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .
Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:
| СН 4 | С 2 Н 6 | С 3 Н 8 | С 4 Н 10 | N 2 и другие газы |
| 75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.
Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.
Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.
Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.
В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.
Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.
Наиболее важными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть, каменный уголь.
По запасам природного газа первое место в мире принадлежит нашей стране. В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий примерный состав (по объему): 80–98 % метана, 2–3 % его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода Н 2 S, азота N 2 , благородных газов, оксида углерода(IV) CO 2 и паров воды H 2 O. Состав газа специфичен для каждого месторождения. Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.
Природный газ широко используется как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1м 3 выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Кроме того, природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности: получения ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.
Попутные нефтяные газы находятся в залежах вместе с нефтью: они растворены в ней и находятся над нефтью, образуя газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность газы вследствие резкого падения давления отделяются от нее. Раньше попутные газы не находили применения и при добыче нефти сжигались факельным способом. В настоящее время их улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но больше этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в природном газе: H 2 S, N 2 , благородные газы, пары Н 2 О, CO 2 . Из попутных газов извлекают индивидуальные углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), их переработка позволяет получать путем дегидрирования непредельные углеводороды – пропилен, бутилен, бутадиен, из которых затем синтезируют каучуки и пластмассы. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин (смесь пентана с гексаном) применяют как добавку к бензину для лучшего воспламенения горючего при запуске двигателя. Окислением углеводородов получают органические кислоты, спирты и другие продукты.
Нефть – маслянистая горючая жидкость темно-бурого или почти черного цвета с характерным запахом. Она легче воды ( = 0,73–0,97 г/ см 3), в воде практически нерастворима. По составу нефть – сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
Нефть состоит главным образом из жидких углеводородов (в них растворены твердые и газообразные углеводороды). Обычно это алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и арены, соотношение которых в нефтях различных месторождений колеблется в широких пределах. Уральская нефть содержит больше аренов. Кроме углеводородов, нефть содержит кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.
Сырая нефть обычно не применяется. Для получения из нефти технически ценных продуктов ее подвергают переработке.
Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:
бензин (t кип = 40–200 °С) содержит углеводороды С 5 –С 11 ,
лигроин (t кип = 150–250 °С) содержит углеводороды С 8 –С 14 ,
керосин (t кип = 180–300 °С) содержит углеводороды С 12 –С 18 ,
газойль (t кип > 275 °С),
а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут.
Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла: веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после отгонки – гудрон – после частичного окисления применяется для получения асфальта. Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более 20 %).
Продукты перегонки нефти имеют различное применение.
Бензин в больших количествах используется как авиационное и автомобильное топливо. Он состоит обычно из углеводородов, содержащих в молекулах в среднем от 5 до 9 атомов С. Лигроин применяется как горючее для тракторов, а также как растворитель в лакокрасочной отрасли промышленности. Большие количества его перерабатывают в бензин. Керосин применяется как горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет, а также для бытовых нужд. Соляровое масло – газойль – используется как моторное топливо, а смазочные масла – для смазки механизмов. Вазелин используется в медицине. Он состоит из смеси жидких и твердых углеводородов. Парафин применяется для получения высших карбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей, для изготовления свечей, гуталина и т.д. Он состоит из смеси твердых углеводородов. Мазут помимо переработки на смазочные масла и бензин используется в качестве котельного жидкого топлива.
При вторичных методах переработки нефти происходит изменение структуры углеводородов, входящих в ее состав. Среди этих методов большое значение имеет крекинг углеводородов нефти, проводимый с целью повышения выхода бензина (до 65–70 %).
Крекинг – процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов С в молекуле. Различают два основных вида крекинга: термический и каталитический.
Термический крекинг проводится при нагревании исходного сырья (мазута и др.) при температуре 470–550 °С и давлении 2–6 МПа. При этом молекулы углеводородов с большим числом атомов С расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов как предельных, так и непредельных углеводородов. Например:
(радикальный механизм),
Таким способом получают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает 70 %. Термический крекинг открыт русским инженером В.Г.Шуховым в 1891 г.
Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при 450–500 °С и атмосферном давлении. Этим способом получают авиационный бензин с выходом до 80 %. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления протекают реакции изомеризации. В результате последних образуются предельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина:
Бензин каталитического крекинга обладает более высоким качеством. Процесс его получения протекает значительно быстрее, с меньшим расходом тепловой энергии. К тому же при каталитическом крекинге образуется относительно много углеводородов с разветвленной цепью (изосоединений), представляющих большую ценность для органического синтеза.
При t = 700 °С и выше происходит пиролиз.
Пиролиз – разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. При пиролизе нефти основными продуктами реакции являются непредельные газообразные углеводороды (этилен, ацетилен) и ароматические – бензол, толуол и др. Поскольку пиролиз нефти – один из важнейших путей получения ароматических углеводородов, то этот процесс часто называют ароматизацией нефти.
Ароматизация – превращение алканов и циклоалканов в арены. При нагревании тяжелых фракций нефтепродуктов в присутствии катализатора (Pt или Mo) углеводороды, содержащие 6–8 атомов С в молекуле, превращаются в ароматические углеводороды. Эти процессы протекают при риформинге (облагораживание бензинов).
Риформинг – это ароматизация бензинов, осуществляемая в результате нагревания их в присутствии катализатора, например Pt. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, вследствие чего октановое число бензинов также существенно повышается. Ароматизацию применяют для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола) из бензиновых фракций нефти.
В последние годы углеводороды нефти широко используются как источник химического сырья. Различными способами из них получают вещества, необходимые для производства пластмасс, синтетического текстильного волокна, синтетического каучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств, взрывчатых веществ, ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.
Каменный уголь так же, как природный газ и нефть, является источником энергии и ценным химическим сырьем.
Основной метод переработки каменного угля – коксование (сухая перегонка). При коксовании (нагревании до 1000 °С – 1200 °С без доступа воздуха) получаются различные продукты: кокс, каменноугольная смола, надсмольная вода и коксовый газ (схема).
Схема
Кокс используют в качестве восстановителя при производстве чугуна на металлургических заводах.
Каменноугольная смола служит источником ароматических углеводородов. Ее подвергают ректификационной перегонке и получают бензол, толуол, ксилол, нафталин, а также фенолы, азотсодержащие соединения и др. Пек – густая черная масса, оставшаяся после перегонки смолы, используется для приготовления электродов и кровельного толя.
Из надсмольной воды получают аммиак, сульфат аммония, фенол и др.
Коксовый газ применяют для обогревания коксовых печей (при сгорании 1м 3 выделяется около 18000 кДж), но в основном его подвергают химической переработке. Так, из него выделяют водород для синтеза аммиака, используемого затем для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат аммония, этилен.
Споры о форме Земли не умаляют значения ее содержимого. Самым главным ископаемым всегда были подземные воды. Они обеспечивают первоочередную потребность человеческого организма. Однако без ископаемого топлива, которое является основным поставщиком энергии для цивилизации людей, жизнь человека представляется совершенно другой.
Топливо - источник энергии
Среди всех ископаемых, сокрытых в недрах Земли, топливо относится к горючему (или осадочному) виду.
Основа углеводородная, поэтому одним из эффектов реакции горения является выделение энергии, которую легко можно использовать для улучшения комфортности жизни человека. За последнее десятилетие около 90% всей используемой на Земле энергии было произведено при помощи ископаемого топлива. Этот факт заставляет о многом задуматься, если учесть, что богатства недр планеты относятся к невозобновляемым источниками энергии и со временем истощаются.
Виды топлива
Основные виды топлива |
|||
твердые | жидкие | газообразные | дисперсные |
Поставщиком всех видов ископаемого топлива являются нефть, уголь и природный газ.
Краткая используемых как топливо
Сырьем для производства энергоносителей являются нефть, уголь, горючие сланцы, природный газ, газовые гидраты, торф.
Нефть - жидкость, относящаяся к горючим (осадочным) ископаемым. Состоит из углеводородов и иных химических элементов. Цвет жидкости, в зависимости от состава, варьируется между светло-коричневым, темно-коричневым и черным цветами. Редко встречаются составы желто-зеленого и бесцветного окраса. Наличие в нефти азота, серы и кислородосодержащих элементов определяют ее цвет и запах.
Уголь - название латинского происхождения. Carbō - международное название углерода. В составе присутствуют битумные массы и остатки растений. Это органическое соединение, ставшее объектом медленного разложения под действием внешних факторов (геологических и биологических).
Горючие сланцы, как и уголь , являются представителем группы твердых горючих ископаемых, или каустобиолитов (что в дословном переводе с греческого языка звучит как «горючий жизненный камень»). При сухой перегонке (под воздействием высоких температур) образовывает смолы, близкие по своему химическому составу к нефти. В составе сланцев преобладают минеральные вещества (кальцид, доломит, кварц, пирит и др.), но присутствуют и органические (кероген), которые только в породах высокого качества достигают 50% всего состава.
Природный газ - газообразное вещество, образовывающееся при разложении органических веществ. В недрах Земли встречаются три вида накопления смесей газов: отдельные скопления, газовые шапки нефтяных месторождений и в составе нефти или воды. При оптимальных климатических условиях вещество находится только в газообразном состоянии. Возможно нахождение в земных недрах в виде кристаллов (естественные газогидраты).
Газовые гидраты - кристаллические образования, образующиеся из воды и газа при определенных условиях. Относятся к группе соединений переменного состава.
Торф - рыхлая порода, используемая как топливо, теплоизоляционный материал, удобрение. Является газоносным полезным ископаемым, применяется в качестве топлива во многих регионах.
Происхождение
Все, что современный человек добывает в недрах земли, относится к невозобновляемым природным ресурсам. Для их появления потребовались миллионы лет и особые геологические условия. Большое количество ископаемого топлива образовалось в мезозое.
Нефть - согласно биогенной теории ее происхождения, образование длилось на протяжении сотен миллионов лет из органических веществ осадочных пород.
Уголь - образовывается при условии, что разлагающийся растительный материал пополняется быстрее, чем происходит его разложение. Подходящим местом для такого процесса являются болота. Стоячая вода предохраняет пласт растительной массы от полного разрушения бактериями посредством малого содержания в ней кислорода. Уголь делится на гумусовый (происходит из остатков древесины, листьев, стеблей) и сапропелитовый (образован в основном из водорослей).
Сырьем для образования угля можно назвать торф. При условии погружения его под слои наносов происходит потеря воды и газов под воздействием сжатия и образование угля.
Горючие сланцы - органическая составляющая образована при помощи биохимических преобразований простейших водорослей. Делится на два вида: талломоальгинит (содержит водоросли с сохранной клеточной структурой) и коллоальгинит (водоросли с потерей клеточной структуры).
Природный газ - согласно все той же теории биогенного происхождения ископаемых, природный газ образуется при больших показаниях давления и температуры, нежели нефть, что доказывается более глубоким залеганием месторождений. Образовываются же они из одинакового природного материала (останки живых организмов).
Газовые гидраты - это такие образования, для появления которых необходимы специальные термобарические условия. Поэтому образовываются они в основном на морских донных осадках и мерзлых породах. Также могут образовываться на стенках труб при добыче газа, в связи с чем ископаемое подогревают до температуры выше гидратообразования.
Торф - образовывается в условиях болот из не полностью разложившихся органических остатков растений. Откладывается на поверхности почвы.
Добыча
Каменный уголь и природный газ различаются не только способами подъема на поверхность. Глубже остальных расположены месторождения газа - от одного до нескольких километров вглубь. Находится вещество в порах коллекторов (пласт, содержащий природный газ). Силой, заставляющей подниматься вещество вверх, является разность давления в подземных пластах и системе сбора. Добыча происходит при помощи скважин, которые стараются распределить равномерно на протяжении всего месторождения. Добыча топлива, таким образом, позволяет избежать перетоков газа между участками и несвоевременного обводнения залежей.
Технологии добычи нефти и газа имеют некоторые сходства. Виды нефтедобычи различают по способам поднятия вещества на поверхность:
- фонтан (технология, схожая с газовой, основана на разности давления под землей и в системе доставки жидкости);
- газлифт;
- при помощи электроцентробежного насоса;
- с установкой электровинтового насоса;
- штанговые насосы (иногда соединенные с наземным станком-качалкой).
Способ добычи зависит от глубины залегания вещества. Вариантов поднятия нефти на поверхность огромное множество.
Способ разработки угольного месторождения также зависит от особенностей залегания угля в грунте. Открытым способом ведут разработку при нахождении ископаемого на уровне ста метров от поверхности. Часто производится смешанный тип добычи: вначале открытым способом, затем - подземным (при помощи забоев). Угольные залежи богаты иными ресурсами потребительской значимости: это ценные металлы, метан, редкие металлы, подземные воды.
Сланцевые месторождения разрабатываются или шахтным способом (считается низкоэффективным) или добычей в пласте, при нагревании породы под землей. В связи со сложностью технологии добыча ведется в очень ограниченных количествах.
Добыча торфа ведется при помощи осушения болот. Вследствие появления кислорода активизируются аэробные микроорганизмы, разлагающие его органическое вещество, что приводит к выделению углекислого газа с огромной скоростью. Торф - самый дешевый вид топлива, его добыча ведется постоянно с соблюдением определенных правил.
Извлекаемые запасы
Одна из оценок благосостояния общества производится по потреблению топлива на душу населения: чем больше потребление, тем комфортнее живут люди. Этот факт (и не только) заставляет человечество увеличивать объемы добычи топлива, влияя на ценообразование. Стоимость нефти сегодня определяется таким экономическим термином как «нетбэк». Этот термин подразумевает цену для в которую включены средневзвешенная стоимость нефтепродуктов (вырабатываемых из покупаемого вещества) и доставка сырья до предприятия.
Торговые биржи реализуют нефть по ценам СИФ, что в дословном переводе звучит как «стоимость, страхование и фрахт». Из этого можно сделать вывод, что стоимость нефти сегодня по котировкам сделок включает в себя цену сырья, транспортные расходы по его доставке.
Темпы потребления
С учетом возрастающих темпов потребления природных ресурсов дать однозначную оценку обеспеченности топливом на продолжительный период сложно. При существующей динамике добыча нефти в 2018 году составит 3 миллиарда тонн, что приведет к истощению мировых запасов на 80% уже к 2030 году. Обеспеченность черным золотом прогнозируется в пределах 55 - 50 лет. Природный газ может быть исчерпан через 60 лет при современных темпах потребления.
Запасов угля на Земле гораздо больше, нежели нефти, газа. Однако за последнее десятилетие его добыча увеличилась, и если темпы не спадут, то из запланированных 420 лет (существующие прогнозы) запасы истощатся за 200.
Влияние на окружающую среду
Активное использование ископаемого топлива приводит к увеличению выброса в атмосферу диоксида углерода (CO2), пагубное влияние на климат планеты которого подтверждено международными экологическими организациями. Если не сократить выбросы CO2, неизбежна экологическая катастрофа, начало которой могут наблюдать современники. По предварительным подсчетам, от 60% до 80% всех ископаемых запасов топлива должны остаться нетронутыми для стабилизации обстановки на Земле. Однако это не единственный побочный эффект использования ископаемого топлива. Сама добыча, транспортировка, переработка на НПЗ способствуют загрязнению окружающей среды куда более токсичными веществами. Примером может служить авария в Мексиканском заливе, приведшая к приостановке Гольфстрима.
Ограничения и альтернативы
Добыча горючих ископаемых - выгодный бизнес для компаний, главным ограничителем деятельности которых является истощаемость природных запасов. Обычно забывают упомянуть о том, что пустоты, образованные деятельностью человека в недрах земли, способствуют исчезновению пресной воды на поверхности и ее уходу в более глубокие слои. Исчезновение питьевой воды на Земле нельзя оправдать никакими преимуществами добычи горючих ископаемых. А оно произойдет, если человечество не займется рационализацией своего пребывания на планете.
Еще пять лет назад в Китае появились мотоциклы и автомобили с двигателями нового поколения (бестопливные). Но выпущены они были в строго ограниченном количестве (для определенного круга людей), а технология стала засекреченной. Это говорит лишь о недальновидности человеческой жадности, ведь если можно «делать деньги» на нефти и газе, никто не помешает нефтяным магнатам этим заниматься.
Заключение
Наряду с известными альтернативными (возобновляемыми) источниками энергии, существуют менее затратные, но засекреченные технологии. Все же их применение неизбежно должно войти в жизнь человека, иначе будущее станет не таким продолжительным и безоблачным, как его представляют себе «бизнесмены».
Цели урока:
Учебные:
- Развивать познавательную активность учащихся.
- Познакомить учащихся с природными источниками УВ: нефтью, природным газом, каменным углем, с их составом и способами переработки.
- Изучить основные месторождения этих ресурсов в мировом масштабе и в России.
- Показать значение их в народном хозяйстве.
- Рассмотреть проблемы защиты окружающей среды.
Воспитательные:
- Воспитание интереса к изучению темы, прививать речевую культуру на уроках химии.
Развивающие:
- Развивать внимание, наблюдательность, умение слушать и делать выводы.
Педагогические методы и приемы:
- Перцептивный подход.
- Гностический подход.
- Кибернетический подход.
Оборудование: Интерактивная доска, мультимедиа, электронные учебники МарГТУ, интернет, коллекции “Нефть и главнейшие продукты её переработки”, “Каменный уголь и важнейшие продукты его переработки”.
Ход урока
I. Организационный момент.
Я знакомлю с целью и задачами данного урока.
II. Основная часть.
Важнейшими природными источниками УВ являются: нефть, каменный уголь, природный и попутный нефтяной газы.
Нефть – “черное золото” (я знакомлю учащихся с происхождением нефти, основными запасами, добычей, составом нефти, физическими свойствами, продуктами нефтепереработки).
В процессе ректификации нефть разделяют на следующие фракции:
Из коллекции демонстрирую образцы фракций (демонстрация сопровождается объяснением).
- Ректификационные газы – смесь низкомолекулярных УВ, преимущественно пропана и бутана, с t кип до 40° С,
- Газолиновую фракцию (бензин) – УВ состава С 5 Н 12 до С 11 Н 24 (t кип 40-200°С, при более тонком разделении этой фракции получают газойль (петролейный эфир, 40 - 70°С) и бензин (70 - 120°С),
- Лигроиновую фракцию – УВ состава от С 8 Н 18 до С 14 Н 30 (t кип 150 - 250°С),
- Керосиновую фракцию – УВ состава от С 12 Н 26 до С 18 Н 38 (t кип 180 - 300°С),
- Дизельное топливо – УВ состава от С 13 Н 28 до С 19 Н 36 (t кип 200 - 350°С)
Остаток переработки нефти – мазут – содержит УВ с числом атомов углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазута получают соляровое масло (С 18 Н 28 – С 25 Н 52), смазочные масла (С 28 Н 58 – С 38 Н 78), вазелин и парафин – легкоплавкие смеси твердых УВ. Твердый остаток перегонки мазута – гудрон и продукты его переработки – битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий.
Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке. Один из них – это крекинг.
Крекинг – это термическое разложение нефтепродуктов, которое приводит к образованию УВ с меньшим числом атомов углерода в молекуле. (Использую электронный учебник МарГТУ, где рассказывается о видах крекинга).
Учащиеся сравнивают термический и каталитический крекинги. (Слайд № 16)
Термический крекинг.
Расщепление молекул углеводородов протекает при более высокой температуре (470-5500 С). Процесс протекает медленно, образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов углерода. В бензине, полученном в результате термического крекинга, наряду с предельными углеводородами, содержится много непредельных углеводородов. Поэтому этот бензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. В бензине термического крекинга содержится много непредельных углеводородов, которые легко окисляются и полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя.
Каталитический крекинг.
Расщепление молекул углеводородов протекает в присутствии катализаторов и при более низкой температуре (450-5000 С). Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появился именно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышение качества бензина. По сравнению с термическим крекингом процесс протекает значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул углеводородов, но и их изомеризация, т.е. образуются углеводороды с разветвленной цепью атомов углеродов. Бензин каталитического крекинга по сравнению с бензином термического крекинга обладает еще большей детонационной стойкостью.
Каменный уголь. (Я знакомлю учащихся с происхождением каменного угля, основными запасами, добыче, физическими свойствами, продуктами переработки).
Происхождение: (использую электронный учебник МарГТУ, где рассказывают о происхождении каменного угля).
Основные запасы: (слайд № 18) На карте показываю учащимся наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного угля в России - это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский бассейны.
Добыча: (использую электронный учебник МарГТУ, где рассказывают о добыче каменного угля).
- Коксовый газ – в состав которого входят Н 2 , СН 4 , СО, СО 2 , примеси NH 3 , N 2 и других газов,
- Каменноугольная смола – содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения,
- Надсмольная, или аммиачная вода – содержит растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества,
- Кокс – твердый остаток коксования, практически чистый углерод.
Природный и нефтяной попутные газы. (Я знакомлю учащихся с основными запасами, добыче,составом, продуктами переработки).
III. Обобщение.
В обобщающей части урока при помощи программы Turning Point я составила тест. Учащиеся вооружились пультами. При появлении вопроса на экране, нажатием соответствующей кнопки, они выбирают правильный ответ.
1. Основными компонентами природного газа являются:
- Этан;
- Пропан;
- Метан;
- Бутан.
2. Какая фракция перегонки нефти содержит от 4 до 9 атомов углерода в молекуле?
- Лигроин;
- Газойль;
- Бензин;
- Керосин.
3. В чем заключается смысл крекинга тяжелых нефтепродуктов?
- Получение метана;
- Получение бензиновых фракций с высокой детонационной стойкостью;
- Получение синтез-газа;
- Получение водорода.
4. Какой процесс не относится к переработке нефти?
- Коксование;
- Фракционная перегонка;
- Каталитический крекинг;
- Термический крекинг.
5. Какое из перечисленных события является наиболее опасным для водных экосистем?
- Нарушение герметичности нефтепровода;
- Разлив нефти в результате аварии танкера;
- Нарушение технологии при глубинной добыче нефти на суше;
- Транспортировка каменного угля морем.
6. Из метана, образующего природный газ, получают:
- Синтез-газ;
- Этилен;
- Ацетилен;
- Бутадиен.
7. Какие особенности отличают бензин каталитического крекинга от бензина прямой перегонки нефти?
- Присутствие алкенов;
- Присутствие алкинов;
- Присутствие углеводородов с разветвленной цепью атомов углерода;
- Высокая детонационная стойкость.
Результат тестирования сразу виден на экране.
Домашнее задание: § 10, упр.1 – 8
Литература:
- Л.Ю.Аликберова “Занимательная химия”.– М.: “АСТ-Пресс”, 1999.
- О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов “Настольная книга учителя химии 10 класс”.– М.: “Блик и К”, 2001.
- О.С.Габриелян, Ф.Н.Маскаев, С.Ю.Пономарев, В.И.Теренин “Химия 10 класс”.– М.: “Дрофа”, 2003.