Природные источники углеводородов

Природные источники углеводородов — это нефть, природный газ, попутный нефтяной газ и каменный уголь. Все они образовались из остатков древних организмов, которые долго преобразовывались в земной коре без доступа воздуха. Из них получают топливо для машин и котельных и сырьё для органического синтеза, от растворителей до полиэтилена.

Природный газ почти целиком состоит из метана

Главный компонент природного газа — метан CH₄, его молярная масса 16 г/моль. Он легче воздуха: D = 16 / 29 ≈ 0,55, поэтому при утечке газ собирается под потолком. Сам метан запаха не имеет. Бытовому газу запах придают специальной добавкой, чтобы утечку можно было почувствовать сразу.

Попутный нефтяной газ растворён в нефти и выделяется при её добыче. В нём больше гомологов метана. Из него выделяют пропан-бутановую смесь для баллонов и зажигалок, а также газовый бензин.

Метан сжигают в котельных и на кухне: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Для химии он ценнее как сырьё. С водяным паром на никеле метан даёт синтез-газ: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (t, Ni), а при быстром нагреве до 1500 °C превращается в ацетилен.

Задача 1. Вычисли объём кислорода (н. у.), который нужен для сжигания 8 г метана, и объём образовавшегося углекислого газа.

1. n(CH₄) = 8 / 16 = 0,5 моль.

2. По уравнению n(O₂) = 2 · 0,5 = 1 моль, V(O₂) = 1 · 22,4 = 22,4 л.

3. n(CO₂) = n(CH₄) = 0,5 моль, V(CO₂) = 0,5 · 22,4 = 11,2 л.

Ответ: 22,4 л кислорода и 11,2 л углекислого газа.

Нефть разделяют перегонкой на фракции

Нефть — маслянистая жидкость от светло-коричневого до чёрного цвета. Она легче воды и в ней не растворяется. По составу это смесь множества углеводородов, в основном алканов и циклоалканов; арены тоже встречаются.

Одной температуры кипения у смеси нет, поэтому нефть разделяют перегонкой. В трубчатой печи её нагревают, пары поднимаются в ректификационную колонну, и на разной высоте конденсируются разные фракции: чем выше, тем легче и летучее вещества. Сверху вниз идут:

• газы — лёгкие алканы от метана до бутана;

• бензин — топливо для легковых машин;

• лигроин и керосин; керосином заправляют реактивные самолёты;

• газойль, из которого делают дизельное топливо;

• мазут — остаток, его перегоняют дальше на смазочные масла, а последний остаток, гудрон, идёт на битум для асфальта.

Перегонка — физический процесс. Молекулы в ней не меняются, их только сортируют по температурам кипения.

Крекинг Шухова даёт больше бензина из той же нефти

Прямой перегонкой бензина получают мало, а тяжёлых фракций много. В 1891 году Владимир Григорьевич Шухов вместе с Сергеем Гавриловым запатентовал установку термического крекинга. При нагревании длинные молекулы рвутся на более короткие, и из каждой выходят алкан и алкен:

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆ (t).

Продукты крекинга рвутся и дальше, вплоть до газов: C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈. Поэтому газы крекинга богаты алкенами, а из этилена и пропена делают полиэтилен и полипропилен.

Каталитический крекинг идёт на алюмосиликатах при более низкой температуре. В нём образуется много разветвлённых алканов, а они и нужны для хорошего бензина.

Бензин оценивают октановым числом — стойкостью к детонации, то есть к взрывному самовоспламенению смеси в цилиндре. Шкалу задают два эталона: октановое число изооктана, 2,2,4-триметилпентана, принято за 100, а н-гептана — за 0. Цифра 95 на колонке АЗС описывает поведение бензина в двигателе. Такой бензин детонирует так же, как смесь 95 % изооктана и 5 % н-гептана по объёму, хотя сам он — смесь многих углеводородов, и изооктана в ней может быть гораздо меньше. Разветвлённые молекулы сгорают ровнее.

Риформинг превращает алканы в арены с высоким октановым числом: C₇H₁₆ → C₆H₅–CH₃ + 4H₂ (t, Pt). Так из н-гептана с нулевым октановым числом получают толуол.

Задача 2. При крекинге 45,2 г гексадекана C₁₆H₃₄ образовались октан и октен. Вычисли массу каждого продукта.

1. M(C₁₆H₃₄) = 12 · 16 + 34 = 226 г/моль, n = 45,2 / 226 = 0,2 моль.

2. По уравнению каждого продукта тоже 0,2 моль.

3. M(C₈H₁₈) = 12 · 8 + 18 = 114 г/моль, m = 0,2 · 114 = 22,8 г.

4. M(C₈H₁₆) = 12 · 8 + 16 = 112 г/моль, m = 0,2 · 112 = 22,4 г. Проверка: 22,8 + 22,4 = 45,2 г, масса сохранилась.

Ответ: 22,8 г октана и 22,4 г октена.

При коксовании уголь греют без доступа воздуха

Каменный уголь нагревают в коксовых печах без воздуха. Остаётся кокс, почти чистый углерод, которым в доменных печах восстанавливают железо из руды. Летучие продукты разделяют на каменноугольную смолу, аммиачную воду и коксовый газ.

Из смолы выделяют бензол, толуол, фенол, нафталин — сырьё для красителей и лекарств. В коксовом газе много водорода и метана, его сжигают для обогрева тех же печей.

Перегонку путают с крекингом, а октановое число — с составом

• ❌ Перегонка нефти — химическая реакция. ✅ Это физическое разделение, а химический процесс — крекинг.

• ❌ При крекинге получаются только алканы. ✅ Из одной молекулы выходят алкан и алкен: C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆.

• ❌ Бензин АИ-95 на 95 % состоит из изооктана. ✅ Число 95 — стойкость к детонации: бензин ведёт себя в двигателе как смесь 95 % изооктана и 5 % н-гептана, а состав у него другой.

• ❌ Кокс и каменный уголь — одно и то же. ✅ Кокс остаётся после нагревания угля без воздуха.

Задача 3. Относительная плотность газообразного алкана из попутного газа по водороду равна 22. Выведи формулу алкана и вычисли его относительную плотность по воздуху.

1. M = 22 · 2 = 44 г/моль.

2. Для C_nH_2n+2: 14n + 2 = 44, откуда n = 3, формула C₃H₈.

3. Плотность по воздуху D = 44 / 29 = 1,52.

Ответ: пропан C₃H₈, плотность по воздуху 1,52.