§ 20. Нафта (Григорович)

Зміст

ПРИГАДАЙТЕ

Якими способами можна виділяти чисті речовини із сумішей?

Чисті речовини із сумішей можна виділяти фізичними методами: відстоюванням, фільтруванням, дією магніту, випарюванням, кристалізацією та дистиляцією (перегонкою).

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

237. Грецькою pyr означає «вогонь», а lysis — «розкладання». Як ви вважаєте, чому терміни «крекінг» і «піроліз» часто використовують як синоніми?

Ці терміни використовують як синоніми, тому що в основі обох процесів лежить високотемпературне розщеплення (термічний розклад) складних органічних сполук на простіші молекули без доступу кисню.

238. За малюнком 20.2. на с. 159 схарактеризуйте перегонку нафти (розділення її на фракції). Порівняйте цей процес із класичним методом дистиляції.

Перегонка нафти — це фізичний процес розділення суміші вуглеводнів на окремі фракції, який ґрунтується на відмінностях у їхніх температурах кипіння. У ректифікаційній колоні пари нафти піднімаються вгору, поступово охолоджуються й конденсуються на різній висоті. У результаті відокремлюються газова фракція (до $20{}^{\circ }\mathrm{C}$), бензин ($20\text{–}180{}^{\circ }\mathrm{C}$), лігроїн ($160\text{–}200{}^{\circ }\mathrm{C}$), гас ($180\text{–}250{}^{\circ }\mathrm{C}$), газойль ($220\text{–}350{}^{\circ }\mathrm{C}$), мазут, мастила та бітум (понад $350{}^{\circ }\mathrm{C}$).

Спільним для обох процесів є те, що вони ґрунтуються на послідовному випаровуванні та конденсації рідин без зміни їхньої хімічної будови. Відмінність полягає в тому, що класична дистиляція здійснюється періодично в простому перегінному апараті для розділення невеликої суміші рідин, тоді як нафтова перегонка є безперервним багатостадійним промисловим процесом у колонах ректифікації, де одночасно відбирають безліч фракцій у широких температурних інтервалах.

239. Підготуйте коротку доповідь або інформаційну картку щодо:
а) одного з нафтопродуктів. Зазначте його склад, властивості, застосування, значення для суспільства;
б) одного з матеріалів, сировиною для виготовлення якого є нафта. Зазначте властивості, застосування, значення для суспільства. Чи можна його виготовити без використання нафти та чи можна сьогодні прожити без цього матеріалу? Відповідь обґрунтуйте.

а) Нафтопродукт: Бензин

• Склад: суміш рідких вуглеводнів із числом атомів Карбону в молекулах від 5 до 10 (${\mathrm{C}}_5\text{–}{\mathrm{C}}_{10}$).
• Властивості: легка, летка безбарвна або жовтувата рідина з характерним запахом, має температуру кипіння від $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ до $180{}^{\circ }\mathrm{C}$, легко займається та горить.
• Застосування: пальне для легкових автомобілів і мотоциклів із двигунами внутрішнього згоряння, органічний розчинник.
• Значення для суспільства: забезпечує щоденну мобільність мільйонів людей, роботу екстрених служб і перевезення вантажів.

б) Матеріал: Поліетилен

• Властивості: легкий, термопластичний, водостійкий і хімічно інертний матеріал, добрий діелектрик.
• Застосування: виготовлення пакувальних плівок, пакетів, пластикових пляшок, водопровідних труб та ізоляції для кабелів.
• Значення для суспільства: зберігає свіжість продуктів харчування, забезпечує герметичність і стерильність у медицині та захищає комунікації.
• Виробництво без нафти: його можна добувати з біоетанолу рослинного походження (з кукурудзи чи цукрової тростини), який дегідратують в етилен.
• Можливість прожити без нього: наразі людство не може повністю відмовитися від поліетилену, адже альтернативні матеріали поки дорожчі, потребують значно більших енерговитрат на виробництво та не забезпечують такого рівня водонепроникності й гігієни.

240. За додатковими джерелами інформації та знаннями з уроків географії схарактеризуйте діючі та перспективні басейни й райони видобутку нафти в Україні.

В Україні нафту добувають у трьох нафтогазоносних регіонах:

• Східний (Дніпровсько-Донецький): охоплює Полтавську, Сумську, Чернігівську та Харківську області. Це головна діюча нафтовидобувна база країни, де розташовані Гнідинцівське, Качанівське та Охтирське родовища. Перспективи регіону пов’язані з розвідкою горизонтів на глибині понад 5 км.
• Західний (Карпатський): охоплює Львівську та Івано-Франківську області (Бориславське, Долинське родовища). Це найстаріший нафтовий район Європи, родовища якого значною мірою вичерпані, проте перспективним залишається пошук покладів у глибоких структурах Передкарпаття.
• Південний (Причорноморсько-Кримський): охоплює південні області та шельфи Чорного й Азовського морів. Тут зосереджені найбільші розвідані перспективні запаси вуглеводнів України, розробка яких потребує підводного глибоководного буріння.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

241. Під час крекінгу вуглеводню ${\mathrm{C}}_{20}{\mathrm{H}}_{42}$ утворюються два продукти з однаковим числом атомів Карбону в молекулах. Запишіть рівняння цієї реакції.

Молекула ейкозану розпадається на молекулу алкану декану й молекулу алкену децену:

${\mathrm{C}}_{20}{\mathrm{H}}_{42}\stackrel{{\mathrm{t}}^{\circ },\text{кат.}}{\to }{\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_{22}+{\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_{20}$

242. У чому принципова відмінність крекінгу нафти від ректифікації?

Ректифікація є фізичним процесом, де суміш розділяється на складові без зміни будови молекул за різницею їхніх температур кипіння. Крекінг — це хімічний процес, під час якого під впливом нагрівання й каталізаторів руйнуються хімічні зв’язки в довгих молекулах алканів і утворюються коротші ланцюги нових речовин.

243. Як ви вважаєте, чому під час прямої перегонки нафти не вдається переробити на бензин більше ніж 20 % від її початкового об’єму?

Пряма перегонка лише відокремлює готові компоненти природної суміші. Вміст легких бензинових вуглеводнів (${\mathrm{C}}_5\text{–}{\mathrm{C}}_{10}$) у сирій нафті від природи не перевищує 15–20 %, а решту об’єму становлять важчі сполуки з довшими карбоновими ланцюгами.

244. Під час згоряння бензину в надлишку кисню у двигунах утворюються вуглекислий газ і вода. Запишіть рівняння реакції згоряння бензину, якщо вважати, що він складається з вуглеводню, формула якого ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$.

Рівняння реакції повного горіння октану:

$2{\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}+25{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\circ }}{\to }16C{\mathrm{O}}_2+18{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

245. У вихлопних газах автомобілів містяться отруйні речовини: карбон(II) оксид і нітроген(IV) оксид. Зважаючи на те, що у двигун потрапляє паливно-повітряна суміш, поясніть, під час яких хімічних реакцій вони утворилися.

Карбон(II) оксид утворюється через неповне згоряння бензину за умови нестачі кисню в циліндрах двигуна:

$2{\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}+17{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\circ }}{\to }16CO+18{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Нітроген(IV) оксид утворюється через те, що разом із паливом у двигун надходить повітря з високим умістом азоту й кисню. За температури спалаху понад $1500{}^{\circ }\mathrm{C}$ азот сполучається з киснем:

${\mathrm{N}}_2+{\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\circ }}{\to }2NO$

Утворений нітроген(II) оксид під час виходу у вихлопну трубу окиснюється киснем повітря:

$2NO+{\mathrm{O}}_2\to 2N{\mathrm{O}}_2$

246. Бензин, який продають у країнах із теплим кліматом, складається з вуглеводнів із більшою молекулярною масою, ніж бензин, що продають у країнах із холодним кліматом. Висловіть припущення, з якою метою нафтопереробники варіюють бензин у такий спосіб.

У спекотному кліматі легкі вуглеводні миттєво закипають, утворюють парові пробки в паливопроводах і надто швидко випаровуються з бака, тому туди додають важчі вуглеводні з вищою температурою кипіння. У холодних країнах бензин збагачують легколеткими низькомолекулярними вуглеводнями, щоб пальне легко випаровувалося й гарантувало стабільний запуск двигуна на морозі.

247. Про нафту кажуть: «Топити нафтою — це все одно, що топити грошима». Розкрийте суть цього вислову. Чи погоджуєтеся ви з ним? Чи має людство обмежити використання нафти як пального? Яку альтернативу ви вважаєте прийнятною? Наведіть аргументи «за» і «проти».

Суть крилатого вислову Д. І. Менделєєва полягає в тому, що нафта є унікальною і вичерпною хімічною сировиною для отримання полімерів, ліків, тканин та добрив. Спалювати її як звичайне паливо безповоротно знищує цінні молекули, запаси яких природа накопичувала сотні мільйонів років.

Я погоджуюся з цією думкою: людство має обмежити спалювання нафтопродуктів і берегти нафту для органічного синтезу. Найбільш прийнятною альтернативою є перехід на електротранспорт, розвиток сонячної, вітрової та гідроенергетики, а також впровадження водневого палива.

Аргументи на користь заміни нафтового палива:

• Зменшення викидів парникового газу $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ та отруйних оксидів у повітря.
• Збереження рідкісних вуглеводнів для виробництва матеріалів майбутнього.
• Перехід на невичерпні джерела енергії.

Труднощі швидкої відмови від нафти:

• Величезна вартість перебудови двигунів, заводів і світової мережі заправних станцій.
• Залежність сонця та вітру від погодних умов і пори року.
• Необхідність використання великої кількості рідкісних металів для виробництва акумуляторів.

248. На малюнку зображено «шлях» нафти від нафтовидобувної платформи до автозаправки. Проаналізуйте малюнок і обговоріть аспекти видобування, транспортування та переробки нафти:

• Чому розлив нафти в морі завдає більшої шкоди холодним водам, ніж теплим?

У холодній воді хімічні реакції та життєдіяльність бактерій-деструкторів значно уповільнюються, через що нафта не розкладається роками. Низька температура підвищує густину й в’язкість плівки, тому вона довше тримається на поверхні та завдає важчих ушкоджень морським птахам і тваринам.

• Як зміна тиску й температури повітря під час видобутку впливає на швидкість випаровування легких фракцій і формування токсичних випарів над поверхнею моря?

Зниження тиску та підвищення температури повітря прискорюють кипіння й випаровування летких компонентів нафти. Через це над водою швидко виникає щільна хмара отруйних вуглеводневих газів, яка створює небезпеку для робітників платформи та підвищує ризик вибуху.

• Які природні чинники та як саме зумовлюють напрям і масштаб поширення нафтової плями (вітри, течії, хвилі, солоність тощо)?

Постійні вітри й морські течії переміщують нафтову пляму у свій бік і розносять її на сотні кілометрів до узбережжя. Хвилі розбивають пляму на стійку емульсію й перемішують її з водою, а висока солоність збільшує густину води й утримує шар нафти на самій поверхні.

• Поясніть зв’язок між фізичними властивостями нафтопродуктів (леткість, розчинність, густина тощо) та впливом їх на ґрунтові й підземні води в разі витоків із нафтопроводів.

Нафтопродукти мають меншу густину за воду, тому після просочування крізь ґрунт вони розтікаються по поверхні ґрунтових вод і перекривають доступ повітря. Малорозчинні, проте високотоксичні вуглеводні повільно розчиняються у воді й отруюють підземні горизонти, роблячи криничну та артезіанську воду непридатною для пиття.

• Чому доцільніше використовувати частину нафти на виготовлення матеріалів тривалого користування, а не на спалювання палива? Обґрунтуйте з огляду на колообіг Карбону в природі.

Під час спалювання нафтопродуктів зв’язаний у надрах Карбон миттєво переходить у форму вуглекислого газу $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ і потрапляє в атмосферу, провокуючи глобальне потепління. Якщо з нафти виготовляють труби, конструкційні пластики чи волокна, Карбон залишається зв’язаним у полімерах на десятки й сотні років і не перевантажує атмосферну ланку колообігу.

• Як температура навколишнього середовища впливає на випаровування бензину під час транспортування? Чи має значення клімат у певному регіоні (холодний чи спекотний) на температуру кипіння бензину, який варто використовувати в цьому регіоні?

З підвищенням температури повітря бензин випаровується швидше, що спричиняє зростання тиску в цистернах і підвищує пожежну небезпеку. Клімат має вирішальне значення: для спекотних регіонів виготовляють бензин із вищою температурою кипіння, щоб зменшити втрати й запобігти блокуванню паливної системи парою, а для холодних зон створюють суміші зі зниженою температурою кипіння для надійного займання.

• Порівняйте екологічні ризики транспортування нафти танкерами й трубопроводами. Які природні фактори посилюють ці ризики?

Аварія на нафтоналивному танкері призводить до миттєвого забруднення десятків тисяч квадратних кілометрів відкритого моря й загибелі тисяч живих організмів, тоді як прорив трубопроводу спричиняє глибоке локальне зараження ґрунтів і річок. Ризики для танкерів посилюють морські шторми, сильні тумани, плавуча крига та підводні скелі, а для трубопроводів — землетруси, зсуви ґрунту, повені й корозія металу через сезонне замерзання води.