Природные источники углеводородов сообщение

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Углеводороды и их природные источники

Воронаев Иван Геннадьевич

Углеводороды органические соединения, состоящие из атомов С (углерода) и Н (водорода) – газообразные, жидкие и твердые в зависимости от молекулярного веса и от химической структуры.

Целью реферата является рассмотрение органических соединений, на какие группы они делятся, где встречаются и возможность применения углеводородов.

Актуальность темы: Именно органическая химия является одной из наиболее быстро развивающихся химических дисциплин, всесторонне влияющих на жизнь человека. Известно, что число органических соединений слишком велико и по некоторым данным достигает порядка 18 миллионов.

Многочисленную группу углеводородов подразделяют на алифатические и ароматические. Алифатические, в свою очередь, делятся на две подгруппы: - насыщенные или предельные; - ненасыщенные или непредельные. В предельных углеводородах все валентности углерода использованы на соединение с соседними атомами углерода и соединение с атомами водорода. Непредельными называются углеводороды, в молекулах которых имеются атомы углерода, связанные между собой двойными или тройными связями. Классификация углеводородов систематизирована в таблице 1.

Общая характеристика углеводородов

Алканы - это ациклические углеводороды линейного или разветвленного строения, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой простыми  -связями. Алканы образуют гомологический ряд с общей формулой C _n H _2n+2 , где n – число углеродных атомов.

Рисунок 1. Структурная формула метана

Алкены – ациклические непредельные углеводороды линейного или разветвлённого строения, в молекуле которых имеется одна двойная связь между атомами углерода . Общая формула C _n H _2n _.

Рисунок 2. Структурная формула этилена

Алкины - непредельные ациклические углеводороды, содержащие одну тройную связь С≡С. Гомологический ряд ацетилена. Общая формула C _n H _2n–2 . Возможна изомерия углеродного скелета, изомерия положения тройной связи, межклассовая и пространственная. Наиболее характерны реакции присоединения, горения.

Рисунок 3. Структурная формула ацетилена

Алкадиены - непредельные ациклические углеводороды, содержащие две двойные связи С=С. Гомологический ряд диеновых углеводородов. Общая формула C _n H _2n–2 . Возможна изомерия углеродного скелета, изомерия положения двойной связи, межклассовая, цис-транс-изомерия. Наиболее характерны реакции присоединения.

Рисунок 4. Структурная формула бутадиена-1,3

Циклоалканы - предельные карбоциклические углеводороды с одинарными связями С–С. Гомологический ряд полиметиленов. Общая формула C _n H _2n. Возможна изомерия углеродного скелета, пространственная, межклассовая. Для циклоалканов с n = 3–4 наиболее характерны реакции присоединения с раскрытием цикла.

Рисунок 5. Структурная формула циклопропана

Основная теория происхождения углеводородов - это гниение растительных организмов и останков животных.

Используют углеводороды как топливо и как исходные продукты для синтеза разнообразных веществ. Основными источниками получения углеводородов являются природный газ и нефть.

В состав природного газа входят главным образом углеводороды с малым молекулярным весом от метана СН ₄ до бутана С ₄ Н ₁₀ . В состав нефти входят разнообразные углеводороды, обладающие более высоким молекулярным весом, чем углеводороды природных газов, такие как жидкие алканы С ₅ Н ₁₂ – С ₁₆ Н ₃₄ , составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы состава С ₁₇ Н ₃₆ – С ₅₃ Н ₁₀₈ и более, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и твёрдые парафины .

Углеводороды, особенно циклические, получают также сухой перегонкой каменного угля и горючих сланцев.

Большое разнообразие продуктов, которые содержат в себе углеводороды, и условия, при которых они могут образоваться снова и снова, поэтому углеводороды могут играть роль профессиональных вредностей почти во всех отраслях промышленности:

при добыче природного жидкого и газообразного топлива (газовая, нефтедобывающая промышленность);

при переработке нефти и получаемых из нее продуктов (нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность);

при использовании продуктов термической переработки каменного и бурого угля, сланцев, торфа, нефти для самых различных целей (в качестве горючего для самолетов, автомобилей, тракторов);

в качестве растворителей во многих производствах, в качестве минеральных масел.

Углеводороды могут выступать как и бытовые яды:

при курении табака (полиароматические, такие как нафталин С ₁₀ Н ₈ пирен С ₁₆ Н ₁₀ );

в качестве растворителей в быту (например, при чистке одежды);

при случайных отравлениях, главным образом детей, жидкими смесями углеводородов (бензином, керосином).

Углеводороды содержащие до 5 атомов углерода в молекуле (СН ₄ , С ₂ Н ₂ , С ₃ Н ₈ , С ₄ Н ₁₀ , С ₅ Н ₁₂ ) и представляющие собой при обычной температуре и давлении газообразные вещества, могут содержаться в воздухе в любых концентрациях и приводить в некоторых случаях к недостатку кислорода в воздухе (например, накопление СН4 в угольных шахтах) и к взрывам.

Предельные углеводороды, содержащие от 6 до 9 атомов углерода в молекуле (С ₆ Н ₁₄ , С ₇ Н ₁₆ , октан С8Н ₁₈ , С ₉ Н ₂₀ ), - жидкие вещества, входящие в состав бензина, керосина. Они широко применяются как растворители и разбавители клеев, лаков, красок, а также как обезжиривающие вещества и могут создавать высокие концентрации паров в производственных помещениях (резинотехническая, лакокрасочная, машиностроительная и другие отрасли промышленности).

Тяжелые углеводороды с 10 и более атомами углерода в молекуле (нефтяные и минеральные масла, парафины, нафталин, фенантрен, антрацен, битумы) отличаются малой летучестью, но вызывают те или иные поражения при хроническом воздействии на кожу и слизистые оболочки, оказывают общетоксическое действие. При работе с охлаждающими смазывающими жидкостями, например, фрезол и изготовленными на их основе эмульсолами и эмульсиями (обработка металла резанием) могут развиться масляные фолликулиты (воспалительный процесс гнойного характера).

Заключение

Рассмотрены основные классы углеводородов. Нахождение в природе и область применения.

Углеводороды нашли широкое применение в промышленности. Основная область применения:

- в качестве топлива;

- для синтеза пластмассы, резины, каучука, синтетических волокон, краски, удобрений, красителей;

- для производства фармацевтических, гигиенических, косметических средств;

- для производства моющих средств;

- для производства пищевых добавок и пищевых продуктов.

Список литературы

Паффенгольц К.Н. Геологический словарь.– М.: Недра, 1978. Т.2. – 456 с.

Терней А. Современная органическая химия. – М.: Мир, 1981. Т.1-2. – 678 с., 651 с

Практически каждый день люди используют лекарства, лакокрасочные изделия, синтетические моющие средства, изделия из пластмассы - это как раз и есть те органические вещества, которые произведены путем синтезирования из углеводородов. Природными источниками их являются, горючие полезные ископаемые - газ, нефть и уголь. Из которых выделяют углеводороды в жидком и газообразном состоянии.

Нефть. Без этого полезного ископаемого и продуктов его переработки нельзя представить существование современного мира. Лидирующими странами в мировой экономики и есть те страны у которых есть залежи этого ископаемого и они занимаются его добычей. Месторождения нефти находятся под землей на разной глубине. Она представляет собой густое, похожее на масло вещество темного цвета. Основной составляющей частью нефти есть углеводороды. Способом перегонки нефть разделяют на несколько простых составных фракций. Таким образом получают и мазут, и бензин и керосин, которые являются топливом в различных отраслях промышленности. Многие продукты переработки нефти можно использовать сразу, а некоторые для улучшения их свойств и состава подвергаются химической обработке. Например сразу после перегонки получают бензин очень низкого качества, так вот для повышения октанового числа его еще перерабатывают химическим способом.

Следующим по значимости источником является природный газ. Его добывают из подземных месторождений. Газ находится под землей, как правило, на очень большой глубине и под огромным давлением. Газ считают одним из самых дешевых видов топлива, так как его легко передавать по газопроводам от мест добычи до потребителя, он легко воспламеняется и имеет очень высокую теплоотдачу. Газ является одним из самых экологически чистых видов топлива. При его сгорании не образуются продуктов его переработки. Огромное количество газа применяют в химической промышленности. Основным составляющим его является - метан. Но нельзя забывать о его опасности. При его взаимодействии с воздухом он может быть взрывоопасен, а при использовании его в быту очень опасна его утечка, которая может вызвать удушье у человека.

Каменный уголь. Еще один природный источник углеводородов. Это полезное ископаемое, которое было известно людям значительно раньше чем газ и нефть. И его запасов значительно больше. Добыча каменного угля проводится на раной глубине под землей. Каменный уголь - это твердый вид топлива. Каменный уголь подвергается химической обработке с помощью коксования, т.е. нагрева без доступа воздуха до очень большой температуры. Использование угля как топлива приводит к загрязнению атмосферы. Так как продукты его сгорания, оксиды, опасны для окружающей среды.

Природные источники углеводородов

Сведения об одном из всемирно известных национальных парков России сохранились до нашего периода со времен Ивана Грозного. Занимая северо-восточную часть рядом со столицей страны и некоторую территорию Москвы, Лосиный парк привлекал внимание

Язык программирования Паскаль появился с развитием компьютерных технологий. Он сформировался довольно недавно в 1970 году, а его разработчиком стал Никлаус Вирт. Однако автор не назвал данный язык своей фамилией,

Белый медведь - это самый крупный хищник на земле. У него крепкое туловище, массивные лапы, вытянутая мордочка и острые зубы, с помощью которых он легко охотится на свою добычу. У животного белоснежная шерсть, это его самое главное отличие от других

Углеводороды – сложные органические вещества. Природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – нефть, каменный уголь, газ.

Строение

Углеводороды состоят из атомов углерода и водорода. В органической химии углеводороды – базовые соединения. Остальные углеродсодержащие вещества являются производными от углеводородов.

Соединения отличаются не только количеством атомов, но и геометрическим строением. Поэтому все углеводороды делятся на две большие группы:

ациклические (алифатические) – имеют хотя бы одну открытую цепь;
карбоциклические – содержат замкнутое кольцо из атомов углерода.

Каждая группа включает предельные и непредельные вещества. Общая классификация приведена в таблице.

Вид

Предельные (насыщенные)

Непредельные (ненасыщенные)

Алканы или ряд метана (CH₄) – соединения с одинарной связью. Общая формула – C_nH_2n+2

Алкены или ряд этилена (C₂H₄) – вещества с двойной связью. Общая формула – C_nH_2n

Алкины или ряд ацетилена (C₂H₂) – вещества, содержащие тройную связь. Общая формула – C_nH_2n-2

Алкадиены – непредельные ациклические углеводороды, являющиеся изомерами алкинов. Содержат две двойные связи. Общие формулы – C_nH_2n-2 и C_nH_2n-4

Циклоалканы или нафтены – родственные алканам вещества с одинарной связью. Общая формула – C_nH_2n

Арены или ароматические углеводороды – ряд бензола (C₆H₆). Содержат бензольное кольцо. Общая формула – C_nH_2n-6

Рис. 1. Классификация углеводородов.

Углеводороды используются для производства полиэтилена, парафиновых свечей, мазей, бензина, керосина. Пропан (С₃Н₈) из класса алканов используют в качестве бытового горючего газа.

Рис. 2. Применение углеводородов.

Состав

Углеводороды выделяют из полезных ископаемых, которые отличаются составом. При этом качественный и количественный состав зависит от месторождения. В таблице кратко описан общий состав природных источников углеводородов.

Источник

Состав

Применение

Алканы, циклоалканы, арены, кислород, азот, серосодержащие вещества

Производство топлива, материалов

Природный и попутный газ

До 95 % – метан. Остальной объём приходится на бутан, пропан, этан, оксид углерода (IV), азот, сероводород, водяные пары

Является природным топливом. Небольшая часть уходит на производство пластмасс, сажи, медикаментов и т.д.

Включает органические и неорганические вещества (воду, минералы). Больше всего содержится углерода (до 99 %). Остальная часть приходится на водород, кислород, азот, серу. При сжигании образуется кокс и зола

Производство сажи, чугуна, удобрений

Природная нефть очищается от примесей, газов, воды. Для этого используется механическая очистка и перегонка. В процессе перегонки нефть разделяется на фракции – бензин, газ, керосин. В результате остаётся мазут, который также подвергается перегонке. Конечный нефтяной продукт – гудрон, использующийся в строительстве дорог.

Рис. 3. Переработка нефти.

Что мы узнали?

Из темы урока узнали о видах углеводородов и их содержании в природе. Углеводороды – обширный класс органических веществ, использующихся в промышленности. К ним относятся алканы, алкены, алкины, алкадиены, циклоалканы и арены. Эти вещества отличаются строением и количественным составом. Углеводороды выделяют из нефти, каменного угля, газа. Они используются в производстве пластмасс, полиэтилена, бензина, гудрона, парафина и других материалов.

Углерод — один из самых распространенных в природе химических элементов. Легче всего он образует разные вариации, соединяясь с атомами водорода. На базе этих двух составляющих и получаются углеводороды.

Природа создает и аккумулирует их в недрах Земли. Всем известные полезные ископаемые — нефть, природный газ, торф и каменный уголь — являются главными природными источниками углеводородов.

Разнообразие природных веществ

Естественные углеводороды очень распространены в природе. При этом они встречаются в твердом, жидком и газообразном состоянии. На это влияют условия, при которых образуется органическое соединение углерода и водорода.

Человечество активно использует основное качество, которым обладают углеводородные ископаемые — при сгорании выделять свет и тепло.

Производимая при этом энергия называется теплотворной способностью. У каждого ископаемого свое значение удельной теплоты сгорания.

Свойства углеводородов различаются в зависимости от их строения.

Поэтому их классифицируют по структуре:

Ациклические (алифатические) — соединения, в которых молекулы формируют незамкнутые прямые или разветвленные цепи.
Циклические (карбоциклические) — класс, отличающийся кольцевым строением атомов углерода.

Кратность углерод—углеродных связей влияет на дальнейшую классификацию. Алифатические углеводороды делятся на предельные и непредельные. Первые — алканы — также называют насыщенными, в них кратные связи отсутствуют, есть только простые. Во вторую подгруппу входят ненасыщенные углеводороды — алкены, алкадиены, алкины, в которых имеются одинарные, двойные или тройные связи.

Аналогично карбоциклические углеводороды также делятся на 2 подгруппы: алициклические (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены).

Практическое применение

Наличие углеводородов в группе полезных ископаемых, относимых к горючим, предполагает использование последних в первую очередь в качестве топлива. Каждый из природных ресурсов имеет свои особенности залегания, добычи и переработки.

Нефть

Является главным источником углеводородов. Нефть представляет собой многокомпонентную жидкость маслянистого характера, состоящую преимущественно из жидких и газообразных углеводородов. В зависимости от преобладания в ее составе алканов, циклоалканов или аренов различают нефть парафиновую, нафтеновую и ароматическую. В чистом виде тот или иной вид встречается редко. В состав нефти входит много прочих соединений, механических примесей и вода.

Месторождения нефти располагаются глубоко в недрах земли, как правило, между слоями породы. Добыча осуществляется с помощью нефтяной вышки, которая выкачивает горючее ископаемое через пробуренную скважину.

Для получения топливных продуктов нефть доставляют на перерабатывающие заводы. Перед транспортировкой горючее ископаемое проходит сепарацию — первичную очистку, в процессе которой удаляются сопутствующие газы, вода и неорганические примеси.

Крекинг, коксование — основной этап переработки. Под воздействием атмосферного давления нефть делится на тяжелые и легкие фракции для выделения компонентов разных видов топлива.

Качество получаемых на этой стадии продуктов требует доработки, поэтому необходим и завершающий этап производства.

Риформинг, изомеризация, гидроочистка заключаются в смешении продуктов вторичной переработки, обогащении их различными компонентами или дополнительной очистке для повышения качественного состава.

Примером может служить повышение октанового числа бензина.

Из нефти производится множество разной продукции для различных сфер применения, к которым относятся: бензин, дизельное топливо, мазут, реактивное топливо, смазочные масла, асфальт, удобрения, спирты, ацетон.

Природный газ

Основным компонентом этого природного ресурса является метан. В незначительном количестве содержит этан, пропан, бутан, а также азот, углекислый газ и сероводород. Без углеводородов не было бы и природного газа. Его залежи образовываются в донных отложениях при анаэробном разложении останков животного и растительного происхождения. Соединение накапливающейся органики с молекулами водорода в глубоких слоях пород под воздействием повышенного давления приводило к аккумулированию углеводородов.

Газ имеет превосходство перед нефтью по эффективности использования, простоте добычи и экономичности. Добыча заключается в бурении скважин на всей площади месторождения. Поскольку газ в чистом виде в природе встречается крайне редко, для отделения его от примесей породы или других химических соединений рядом с местом добычи разворачиваются перерабатывающие комплексы. Например, сопутствующий месторождениям нефти газ имеет большую взрывоопасность при добыче черного золота, поэтому его откачка является обязательным первичным условием.

Значительно экономить на транспортировке позволяет то, что сырье не требует такой очистки, как нефть, для перегонки по газопроводу. На химических заводах газ подвергается вторичной переработке, которая по принципу воздействия на природное сырье подразделяется на следующие виды:

физико-энергетическая переработка;
термохимическая;
химико-каталитическая.

Первый метод предполагает сильное нагревание или охлаждение газа, за счет чего происходит его сжатие и разделение на компоненты. Обычно именно этот способ используется на местах газодобычи.

Суть второй технологии заключается в образовании непредельных углеводородов под воздействием высоких температур и давления.

Третий способ заключается в трансформации метана в синтезированный газ и последующая его переработка. Для этого применяют паровую конверсию. Этот вариант — самый быстрый и экономичный, так как высокая скорость протекания химической реакции избавляет от использования дополнительных катализаторов.

В основном продукты переработки природного газа используют как топливо.

Из прочих составляющих также получают смолы, формальдегиды, аммиак, различные кислоты, которые находят дальнейшее применение в химической, оборонной, пищевой промышленности, в текстильном производстве и многих других отраслях.

Каменный уголь

Нашедший наиболее широкое применение вид ископаемого угля.

Твердое горючее вещество органического (растительного) происхождения, представляющее собой смесь соединений углерода, кислорода, водорода, серы и азота.

Неорганические примеси также присутствуют.

Промышленная добыча угля возможна тремя способами в зависимости от глубины залегания породы, ее твердости и доступности:

Карьерный (разрезной) — открытая добыча.
Шахтный — подземная добыча.
Гидравлический способ — с помощью гидравлического комбайна.

Наиболее качественный уголь получают из шахт, но вместе с тем это самый трудоемкий, дорогой и небезопасный способ добычи.

Способы переработки угля

Пиролиз (коксование) — основан на воздействии высоких температур в безвоздушном пространстве, в результате чего происходит разрушение и трансформация полимерных молекул. Полученный таким образом, кокс является сырьем для металлургической промышленности.

Газификация. Этот метод также применяет высокие температуры, но уже при наличии воздушной среды. Воздействие смеси газов и пара преобразует уголь из твердого состояния в газообразное. Конечным результатом переработки являются железо, никель, кобальт и другие металлы.

Полукоксование — за счет окисления с помощью катализатора при низкотемпературном режиме в 500 °C получают промежуточный продукт в виде смолы. В дальнейшем из нее изготавливают топливо или растворители.

Деструктивная гидрогенизация основана на химической реакции присоединения атомов водорода от молекул катализатора, коим является железосодержащая руда, к молекулам угля. Этот способ превращает твердое топливо в жидкое, так называемую синтетическую нефть.

Множество полезных веществ выполняют важную миссию, обеспечивая процесс жизнедеятельности людей.

В целом если нет технологии получения углеводородов, то и прогресс в развитии человечества как таковой невозможен. Ибо для любого действия нужна энергия, а если ее нет, то не будет и действия.

В природе углеводороды встречаются в виде нефти, природного газа, каменного угля.

Нефть — маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом природного происхождения, состоящая из смеси различных углеводородов.

Природный газ — бесцветный газ, состоящий из смеси различных углеводородов (преимущественно из метана).

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое, которое имеет сложный состав.

Состав нефти

В зависимости от месторождения нефть имеет различный состав. В неё могут входить: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды.

Фракции нефти

Фракция, собираемая от 40 до 200°С — фракция бензинов — содержит углеводороды от С₆Н₁₂ до С₁₁Н₂₄.
Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀.
Керосиновая фракция включает углеводороды от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ с температурой кипения от 180 до 300°С.
В следующей фракции получают газойль (выше 275°С) — дизельное топливо.
Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. После отгонки остается гудрон. Его применяют в дорожном строительстве.

Перегонка нефти

Перегонка – это разделение нефти на отдельные фракции по температуре кипения.

Перегонка нефти осуществляется в ректификационной колонне.

В печи нефть нагревается до 320-350 °С и поступает в ректификационную колонну.

Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки.

Пары нефти подаются в колонну и поднимаются вверх, при этом постепенно охлаждаются и сжижаются.

Менее летучие углеводороды конденсируются внизу, образуя газойлевую фракцию.

Выше собирается керосин, а затем — лигроин. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин.

Главный недостаток перегонки нефти — малый выход бензина (не более 20%).

Крекинг нефтепродуктов

Крекинг — расщепление углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой.

Такой процесс называется крекингом (по англ. crack – расщеплять). Промышленный метод крекинга был изобретен русским инженером В. Г. Шуховым в 1891 г.

Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных углеводородов.

Например, при крекинге гексадекана образуются октан и октен:

Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее. При крекинге октана могут образоваться бутан и бутен:

А при крекинге бутана образуются этан и этилен:

Различают два основных вида крекинга:

Термический крекинг:

Расщепление углеводородов производится при высокой температуре (470—550°С) и давлении.

Бензин термического крекинга содержит много непредельных углеводородов и обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. Он менее устойчив при хранении, так как непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются. Поэтому к бензину термического крекинга добавляют антиокислители.

Каталитический крекинг:

Расщепление углеводородов происходит при несколько более низкой температуре (450- 500°С) с применением катализаторов (алюмосиликатов). Процесс происходит с большей скоростью, чем при термическом крекинге. Бензин каталитического крекинга более высокого качества, чем бензин термического крекинга, так как наряду с реакциями расщепления идет изомеризация и образуются разветвленные углеводороды, которые еще более повышают детонационную стойкость бензина. В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому он более устойчив при хранении.

Ароматизация нефти

Превращение предельных углеводородов и циклоалканов нефти в ароматические углеводороды. Также ароматизацию называют риформингом.

Так как в нефти содержатся также производные циклогексана, например, метилциклогексан, то из него при этих же условиях образуется метилбензол (толуол):

При этих же условиях н-гексан тоже превращается в бензол:

Переработка каменного угля

Каменный уголь подвергают коксованию. Это нагревание без доступа воздуха при температуре 1000-1400 о С. При коксовании образуется кокс (почти чистый углерод), коксовый газ (состоит преимущественно из водорода и метана), аммиак, деготь, ароматические углеводорода и др.

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Читайте также: