Природні джерела вуглеводнів і перегонка нафти

Природний газ — це суміш газоподібних вуглеводнів, яку добувають із надр Землі. Його основний компонент — метан (CH₄). Залежно від родовища об'ємна частка метану в природному газі становить приблизно 80–98 %. Решта — домішки: етан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀), а також азот (N₂) і вуглекислий газ (CO₂).

Попутний нафтовий газ

Попутний нафтовий газ розчинений у нафті й виділяється під час її видобування. Порівняно з природним газом він часто багатший на етан, пропан і бутан, хоча також містить метан. Точний склад залежить від конкретного родовища. Пропан-бутанову суміш зріджують і продають у балонах — саме цей газ використовують у побутових газових плитах там, де немає центрального газопостачання.

Спалювання природного газу

Природний газ — цінне паливо. Під час його повного згоряння утворюються вуглекислий газ і вода, а виділяється значна кількість теплоти (реакція екзотермічна). Рівняння спалювання метану:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Рівняння спалювання пропану:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Метан не має запаху, тому до побутового газу спеціально додають речовини з різким запахом — одоранти (найчастіше етилмеркаптан). Це дає змогу вчасно помітити витік газу.

Застосування природного газу

Природний газ використовують як паливо для опалення будинків, приготування їжі, роботи електростанцій. Крім того, він є хімічною сировиною: із метану добувають водень (CH₄ → C + 2H₂), сажу й етин (ацетилен).

Нафта — це масляниста темна рідина, легша за воду й нерозчинна в ній. Вона є складною сумішшю вуглеводнів: переважно алканів, а також циклічних і ароматичних вуглеводнів. Крім того, у нафті є домішки сполук Оксигену, Нітрогену й Сульфуру. Оскільки нафта — суміш, а не індивідуальна речовина, вона не має сталої температури кипіння.

Перегонка нафти (ректифікація)

Перегонка нафти — це фізичний процес розділення нафти на окремі фракції. Нафту нагрівають приблизно до 350 °C у трубчастій печі. Пари вуглеводнів піднімаються в ректифікаційну колону, де на різній висоті конденсуються фракції — суміші вуглеводнів із близькими температурами кипіння. Чим легші (менші за молекулярною масою) вуглеводні, тим вище в колоні піднімаються їхні пари.

Фракції нафти в порядку зростання температури кипіння

Зверни увагу: що більше атомів Карбону в молекулі вуглеводню, то вища температура його кипіння. Саме тому фракції розташовуються в колоні в порядку зростання температур кипіння зверху донизу.

Чому перегонка — фізичний процес?

Під час перегонки молекули вуглеводнів не змінюються — вони лише розділяються за температурою кипіння. Склад молекул залишається тим самим. Це означає, що нові речовини не утворюються, а отже, перегонка є фізичним процесом. Він спирається на різну леткість компонентів суміші.

Якщо нагрівати вуглеводні дуже сильно (понад 500 °C), довгі молекули розщеплюються на коротші. При цьому утворюються нові речовини, тому термічне розкладання — це хімічна реакція, а не фізичний процес.

Крекінг алканів

У промисловості термічне розкладання нафтопродуктів називають крекінгом. З однієї молекули алкану утворюються алкан і алкен із меншою кількістю атомів Карбону. Наприклад:

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

Тут гексадекан (C₁₆H₃₄) розщеплюється на октан (C₈H₁₈) — алкан, і октен (C₈H₁₆) — алкен. Саме завдяки крекінгу з важких фракцій нафти (наприклад, мазуту) одержують додаткову кількість бензину, а також етен і пропен — цінну сировину для виробництва полімерів.

Ознака хімічної зміни

Продукти термічного розкладання містять алкени, які знебарвлюють бромну воду. Натомість продукти прямої перегонки нафти (переважно алкани) майже не знебарвлюють бромну воду. Це простий спосіб відрізнити продукти фізичного розділення від продуктів хімічного розкладання.

Розклад метану

Термічне розкладання метану також є хімічним процесом. Залежно від умов реакції можна одержати різні продукти:

CH₄ → C + 2H₂ (сажа й водень)

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (етин, або ацетилен)

Порівняння: перегонка vs термічне розкладання

Запам'ятай головне: якщо в результаті процесу з'являються речовини, яких не було в суміші спочатку, — це хімічна реакція. Якщо ж речовини лише розділяються, а їхні молекули не змінюються, — це фізичний процес.

Кам'яне вугілля — це тверде паливо й важлива хімічна сировина. Його основна частина — Карбон, що входить до складу складних органічних сполук. На відміну від нафти, вугілля не переганяють, а піддають коксуванню.

Коксування вугілля

Коксування — це нагрівання кам'яного вугілля без доступу повітря приблизно до 1000 °C. У результаті утворюються:

• кокс — твердий залишок, який використовують як відновник у металургії (наприклад, для виплавлення чавуну)

• кам'яновугільна смола — з неї добувають бензен, толуен, фенол та інші ароматичні сполуки

• коксовий газ — суміш водню, метану й інших газів, яку використовують як паливо

• амоніачна вода — джерело амоніаку

Вплив на довкілля

Видобування й використання вуглеводневої сировини має серйозні екологічні наслідки:

• розливи нафти під час видобування або транспортування забруднюють воду й ґрунти, завдаючи величезної шкоди екосистемам

• спалювання палива дає вуглекислий газ (CO₂), який посилює парниковий ефект

• сполуки Сульфуру в паливі під час згоряння утворюють сульфур(IV) оксид (SO₂), що спричиняє кислотні дощі (цю тему розглянуто в окремому юніті)

• неповне згоряння палива призводить до утворення чадного газу (CO) й сажі

Охорона довкілля

Для зменшення шкоди довкіллю застосовують такі заходи:

• очищення палива від сполук Сульфуру перед спалюванням

• заміна вугілля природним газом (газ згоряє повніше й дає менше шкідливих викидів)

• установлення фільтрів на підприємствах

• забезпечення повного згоряння палива

• економія енергії та використання відновлюваних джерел

Застосування вуглеводнів загалом

Вуглеводні та продукти їхньої переробки використовують у багатьох галузях: як паливо (бензин, гас, дизельне пальне, природний газ), розчинники, мастила, сировину для пластмас і каучуків, а також для виробництва асфальту.

Приклад 1. Який процес є фізичним?

Завдання: Укажіть процес, який є фізичним.

• А термічне розкладання мазуту

• Б перегонка нафти

• В горіння природного газу

• Г розкладання метану на сажу й водень

Розв'язання: Фізичний процес — це процес, під час якого не утворюються нові речовини. Перегонка нафти розділяє суміш на фракції за температурою кипіння, молекули вуглеводнів не змінюються. У варіантах А, В і Г відбуваються хімічні реакції: термічне розкладання мазуту — це крекінг (утворюються алкени), горіння — окиснення, розкладання метану — утворення сажі й водню.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — термічне розкладання мазуту дає нові речовини (алкени), отже, це хімічний процес. В — горіння природного газу — це хімічна реакція окиснення. Г — розкладання метану на сажу й водень — хімічна реакція.

Приклад 2. Логічні пари: джерело — склад або застосування

Завдання: Установіть відповідність між природним джерелом вуглеводнів або продуктом (1–3) і його складом або застосуванням (А–Д).

1 природний газ

2 попутний нафтовий газ

3 мазут

А тверде паливо, з якого коксуванням одержують кокс

Б переважно метан

В пальне для реактивних двигунів

Г залишок перегонки нафти, з якого добувають мастила й парафін

Д газ, що виділяється з нафти під час її видобування

Розв'язання: Природний газ містить переважно метан (1 → Б). Попутний нафтовий газ виділяється з нафти під час видобування (2 → Д). Мазут — це залишок перегонки нафти, з якого одержують мастила й парафін (3 → Г).

Відповідь: 1Б, 2Д, 3Г.

Приклад 3. Фракції нафти в порядку зростання температур кипіння

Завдання: Укажіть правильний порядок фракцій нафти в порядку зростання температур кипіння.

• А мазут, гас, бензин

• Б гас, бензин, мазут

• В бензин, гас, мазут

• Г бензин, мазут, гас

Розв'язання: Фракції нафти розташовуються в порядку зростання температур кипіння: бензин (40–200 °C) → гас (150–300 °C) → мазут (понад 350 °C, залишок). Що більші молекули вуглеводнів, то вища температура кипіння.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти неправильні: А — мазут має найвищу температуру кипіння, а бензин — найнижчу, тому порядок має бути зворотним. Б — гас кипить за вищої температури, ніж бензин. Г — мазут кипить за вищої температури, ніж гас.

Приклад 4. Рівняння термічного розкладання вуглеводню

Завдання: Яке з наведених рівнянь описує термічне розкладання вуглеводню?

• А CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

• Б C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀

• В C₂H₄ + H₂ → C₂H₆

• Г CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Розв'язання: Термічне розкладання — це розщеплення великої молекули вуглеводню на менші. У варіанті Б декан (C₁₀H₂₂) розщеплюється на пентан (C₅H₁₂) і пентен (C₅H₁₀) — це типова реакція крекінгу. Варіант А — горіння, В — гідрування, Г — заміщення (хлорування).

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — це реакція горіння (окиснення). В — це реакція гідрування (приєднання водню). Г — це реакція заміщення (хлорування).

• Вважати перегонку нафти хімічною реакцією, бо її проводять за високої температури. Насправді висока температура не означає хімічну реакцію: перегонка — фізичний процес, молекули не змінюються.

• Вважати природний газ сумішшю пропану й бутану. Це склад зрідженого газу в балонах, а природний газ — переважно метан.

• Плутати порядок фракцій: вважати, що мазут кипить нижче за бензин. Насправді мазут — найважча фракція, він кипить за найвищої температури.

• Вважати нафту індивідуальною речовиною з певною температурою кипіння. Нафта — складна суміш, тому вона не має сталої температури кипіння.

• Вважати термічне розкладання фізичним процесом, як перегонку. Термічне розкладання — хімічний процес, бо утворюються нові речовини.

• У рівнянні спалювання метану писати CO замість CO₂ або не урівнювати кисень. Правильне рівняння: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

• Плутати кам'яновугільний кокс із фракцією прямої перегонки нафти. У цьому уроці кокс — продукт коксування вугілля; нафтовий кокс утворюється в іншому процесі.

Тема «Природні джерела вуглеводнів і перегонка нафти» відповідає пункту 3.2.5 програми НМТ з хімії. Програма вимагає: пояснювати суть перегонки нафти, складати рівняння реакцій спалювання природного газу, розрізняти реакції термічного розкладання вуглеводнів, установлювати зв'язки між складом, будовою, властивостями й застосуванням вуглеводнів.

У демоваріанті НМТ-2026 окремого завдання з цієї теми немає. Однак близьке за ідеєю завдання 4 перевіряє спосіб розділення суміші (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал).

Форми завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (1 бал) — фізичний чи хімічний процес, склад газу, порядок фракцій, рівняння згоряння.

• «Логічні пари» (завдання 19–20) — «джерело чи фракція — склад або застосування», 1 бал за пару.

Стратегія виконання

• У завданні «фізичний чи хімічний процес» перевір, чи утворюються нові речовини. Якщо ні — це фізичний процес.

• У завданні про фракції пам'ятай: що більші молекули (що більше атомів Карбону), то вища температура кипіння.

• У завданні на логічні пари звертай увагу на ключові слова: «переважно метан» → природний газ; «виділяється з нафти» → попутний нафтовий газ; «залишок перегонки» → мазут.

• Природний газ — переважно метан (80–98 %); попутний нафтовий газ містить також етан, пропан, бутан.

• Перегонка нафти — фізичний процес розділення на фракції за температурою кипіння.

• Порядок фракцій за зростанням температури кипіння: бензин → лігроїн → гас → дизельне пальне → мазут.

• Термічне розкладання — хімічний процес: C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆ (крекінг).

• Спалювання природного газу: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

• Коксування вугілля дає кокс, кам'яновугільну смолу (джерело бензену) і коксовий газ.

• Охорона довкілля: очищення палива від Сульфуру, заміна вугілля газом, фільтри, повне спалювання.