Підготовка до ЗНО з хімії

На прикладі вуглеводнів – речовин, утворених лише двома хімічними елементами, ми переконалися, наскільки різноманітними є сполуки вуглецю. Це явище обумовлене здатністю атомів вуглецю сполучатися в ланцюги – лінійні, розгалужені, циклічні, утворювати прості та кратні зв’язки.

Між усіма розглянутими гомологічними рядами вуглеводнів існують взаємні зв’язки. З насичених вуглеводнів можна одержати ненасичені, з циклоалканів – ароматичні, ненасичені вуглеводні перетворити в насичені і т. д.

Взаємні перетворення між гомологічними рядами вуглеводнів відображає така схема:

Існують також інші види перетворень гомологічних рядів, які не позначені на схемі. Значний внесок у дослідження взаємних переходів гомологічних рядів вуглеводнів зробили М. Зелінський та його учні.

Основними природними джерелами вуглеводнів є природні гази, нафта та кам’яне вугілля.

Природні гази. Склад природного газу різних родовищ неоднаковий: до нього входять метан і в невеликій кількості інші газоподібні вуглеводні (етан, пропан, бутан, пентан).

У кожному родовищі нафти є газоподібні вуглеводні в розчиненому або вільному стані. Ці гази називають супутніми. В них міститься менше метану, але більше пропану, бутану, етану та інших вуглеводнів, ніж у природних газах.

Природний газ є не лише паливом, але й сировиною для хімічної промисловості. Так, деякі вуглеводні, наприклад метан, бутан тощо, виділяють з суміші методом низькотемпературного фракціонування або шляхом поєднання абсорбції газів розчинниками з наступним фракціонуванням.

Нафта. Це – масляниста рідина, яка має різноманітні кольори – від жовтого або світло-бурого до чорного, з характерним запахом, легша за воду. Її густина становить 730–860 кг/м³. Нафта – суміш газоподібних, рідких і твердих вуглеводнів.

Крім вуглеводнів у нафті міститься невелика кількість нафтенових кислот, сірчистих та азотистих сполук. У різних родовищах нафта має неоднаковий склад. Нафта – одне з основних джерел рідкого палива для двигунів внутрішнього згорання. Вона є цінною сировиною для хімічної промисловості. З речовин, добутих з нафти, виробляють синтетичний каучук, пластмаси, хімічні волокна тощо.

Перед переробкою нафту очищають – звільняють від газів, води, сірчистих сполук, нафтенових кислот і солей. Потім відбувається фракційна перегонка нафти, внаслідок якої утворюються кілька фракцій: перша ( Т = 35 – 195° С) містить вуглеводні складу С₄–С₁₂ – бензин; друга (Т = 200 - 300° С) – вуглеводні складу С₉–С₁₆ – гас, третя (мазут) – вуглеводні, що киплять за температури вище 300° С. Під час повторної фракційної перегонки бензину та гасу одержують різні види авіаційного та автомобільного бензину, освітлювальний, легкий та важкий гас для тракторів. Гас є паливом у ракетних двигунах.

Мазут також застосовують як паливо для парових котлів, він є сировиною для добування мастил, вазеліну та парафіну. Його переганяють з перегрітою водяною парою, що уникнути розкладу вуглеводнів. З мазуту добувають мінеральні мастила різних видів: машинне масло, автол, авіаційні масла тощо.

Залишок після перегонки нафти – тверда маса, яка називається нафтовим пеком або асфальтом.

Внаслідок прямої перегонки нафти масова частка одержаного бензину становить 5–14 %. Для її збільшення за рахунок інших фракцій застосовують крекінг нафти:

У результаті масова частка бензину зростає до 65–70 %.

Велике значення мають гази, що виділяються під час крекінгу нафти. Вони містять ненасичені вуглеводні, які є сировиною для хімічної промисловості.

Промисловий крекінг винайшов російський інженер В. Шухов (1853–1939) у 1891 р. Існує два основних види крекінгу – термічний та каталітичний.

Термічний крекінг відбувається за температури 470 – 550° С під тиском кілька мегапаскалів. У бензині, одержаному в результаті термічного крекінгу, містяться ненасичені вуглеводні, які підвищують його детонаційну стійкість, але зменшують тривалість зберігання внаслідок окислення та полімеризації.

Під час каталітичного крекінгу пару важких вуглеводнів пропускають над каталізатором, яким є алюмосилікати. Завдяки каталізатору цей процес відбувається за нижчої температури, ніж термічний крекінг.

Каталізатор сприяє утворенню меншої кількості ненасичених , вуглеводнів і більшої кількості вуглеводнів з розгалуженими молекулами. Оскільки наявність вуглеводнів з розгалуженими молекулами підвищує октанове число бензину, а зниження кількості ненасичених сполук продовжує термін зберігання, бензин, одержаний каталітичним крекінгом, є більш якісним, ніж добутий термічним.

Нафтохімічні підприємства (заводи по переробці нафти та органічному синтезу) є джерелом надходження в повітря шкідливих органічних сполук. Збереження навколишнього середовища можливе лише за умови повної перебудови промислового виробництва на основі застосування безвідхідної технології з комплексним використанням ресурсів.

Кам’яне вугілля. Ця речовина використовується як паливо. Крім того, її переробляють на кокс, необхідний у великій кількості металургійній промисловості для добування заліза із руд.

Кокс виробляють на коксохімічних заводах. Коксування (суху перегонку) кам’яного вугілля здійснюють його нагріванням до температури 1000 °С у спеціальних коксових печах без доступу повітря. У результаті перегонки утворюється кокс – тверда пориста речовина, що складається з вуглецю та золи, а також леткі продукти. З них внаслідок охолодження на 25 – 70 °С виділяються кам’яновугільна смола, аміачна вода та газоподібні речовини – коксовий газ.

Кам’яновугільна смола, яка належить до відходів коксохімічного та газового виробництва, є сировиною для добування великої кількості органічних речовин. Для цього її фракціонують, в результаті чого одержують кілька фракцій: легке масло з температурою кипіння Ткип до 170 °С (містить арени та їх похідні – бензол, толуол, кислоти тощо); середнє масло з Ткип. 170–230 °С(фенол, нафталін); важке масло з Ткип 230–270 °С (нафталін та його гомологи); антраценове масло з Ткип 270–350 °С (антрацен, фенантрен тощо); залишок – чорна маса (пек). Пек застосовують для виготовлення електродів, брикетування кам’яного пилу.

Аміачна вода – це водний розчин аміаку, карбонату та хлориду амонію. Вона використовується для виробництва азотних добрив.

До складу коксового газу входять бензол, толуол, ксилоли, фенол, аміак, сірководень, ціанисті сполуки тощо. З коксового газу після відокремлення аміаку, сірководню, ціанистих сполук добувають бензол та інші цінні речовини.

Спалювання кам’яного вугілля – не найкращий шлях його використання. Більш вигідними та екологічно безпечними способами є переробка вугілля на газоподібне та рідке паливо, а також добування з нього цінних хімічних сполук.

На сьогодні одним з найважливіших завдань світової енергетики є обмеження витрат органічного палива – заміна його на інші енергоносії, тобто застосування енергії сонця, вітру, річок, морів, океанів, атомного ядра, біологічних решток, вивільнення значної частини палива для використання у хімічній промисловості.