Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 7. Углеводороды

  1. Назовите важнейшие месторождения природного газа в нашей стране, покажите их на карте.
  2. Перечислите нетрадиционные источники энергии и страны, где они находят применение.
  3. Расскажите, какие правила техники безопасности нужно соблюдать при работе с бытовым газом.

Характеристика и свойства алканов. Продолжим характеристику газообразных веществ знакомством с важнейшей группой органических соединений — углеводородами.

Название «углеводороды» говорит само за себя: это вещества, молекулы которых состоят из атомов двух элементов — углерода и водорода. Благодаря уникальной способности атомов углерода соединяться друг с другом в цепи различной длины и формы, таких соединений великое множество. Поэтому их делят на классы. Мы остановимся на краткой характеристике только одного класса — предельные углеводороды, или алканы. И это не случайно, поскольку предельные углеводороды — это основная составная часть природного газа и нефти. Наша страна занимает одно из ведущих мест в мире по запасам, добыче, экспорту и переработке углеводородного сырья (рис. 29).

Рис. 29. Основные месторождения природных источников углеводородов (нефти, газа, каменного угля) в Российской Федерации

Знание этой темы представляет определённый профессиональный интерес не только для тех, кто хочет углублённо изучать естественные науки, но также для будущих юристов и экономистов, обществоведов и политологов, инженеров и экологов. Природные источники углеводородов являются связующим звеном межгосударственных отношений в политической и экономической области и вместе с тем причиной вооружённых конфликтов и войн за контроль над ними.

Итак, вернёмся к характеристике предельных углеводородов.

Алканы (предельные углеводороды, парафины) — это углеводороды, в молекулах которых все валентности атомов углерода, не задействованные на образование простых связей C—C, насыщены атомами водорода; состав алканов соответствует общей формуле CnH2n + 2.

Приведём развёрнутые и сокращённые структурные формулы, а также названия первых трёх представителей ряда алканов:

Свойства предельных углеводородов зависят от состава их молекул, т. е. от относительной молекулярной массы, что наглядно иллюстрирует таблица 1.

Таблица 1
Физические свойства алканов

Нетрудно заметить, что с ростом относительной молекулярной массы у алканов возрастают температура кипения, плотность, а также изменяется агрегатное состояние: первые четыре алкана — газообразные вещества, следующие одиннадцать — жидкости, а начиная с C16H34 — твёрдые вещества.

Состав и использование природного газа. Практически повсеместно на нашей планете в толще Земли встречается природный газ.

Природный газ — это смесь предельных углеводородов и неорганических газов, образующих месторождения.

Рис. 30. Добыча природного газа

Рис. 31. Модели метана: а — объёмная; б — шаростержневая

Содержание каждого компонента зависит от месторождения, однако в любом случае в природном газе (рис. 30) преобладает метан (рис. 31), количество других углеводородов резко сокращается с уменьшением их относительной молекулярной массы (табл. 2).

Таблица 2
Примерный состав природного газа

При сгорании предельных углеводородов выделяется большое количество теплоты, поэтому природный газ служит самым эффективным и дешёвым топливом для тепловых электростанций, котельных установок, доменных и стекловаренных печей. Пропан-бутановая фракция природного газа в сжиженном виде используется как бытовое топливо и топливо для карбюраторных двигателей автомобилей. Кроме того, при полном сгорании алканов воздух практически не загрязняется вредными выбросами, поскольку продуктами их горения являются углекислый газ и водяной пар. В этом нетрудно убедиться, если записать уравнения реакций горения алканов, например метана:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q.

Природный газ — это не только высокоэффективное топливо, но и важное сырьё для химической промышленности. Перед вами схема различных вариантов промышленной переработки природного газа.

Сажа. Синтез-газ. При полном разложении метана, основного компонента природного газа, образуются водород и сажа. Около 90% всей получаемой сажи использует резинотехническая промышленность. Резиновые изделия, автомобильные покрышки и камеры имеют чёрный цвет именно потому, что в качестве наполнителя в них добавляют сажу. Кроме того, это вещество входит в состав типографских красок, некоторых типов батареек.

При взаимодействии метана с перегретым водяным паром образуется смесь газов — оксида углерода (II) и водорода в соотношении 1 : 3. Эту смесь называют синтез-газом:

Синтез-газ используется для получения синтетического бензина — смеси предельных углеводородов, содержащих от 6 до 12 атомов углерода в молекуле. Такой бензин называется газовым, он используется в качестве основы низкосортного автомобильного топлива. Кроме того, синтез-газ используется для получения кислородсодержащих органических веществ, в частности метилового спирта:

Этилен. Второй представитель алканов — этан является сырьём для получения ценного газообразного вещества — этилена. У вас сразу возникла ассоциация: полиэтилен. Абсолютно верно: этилен действительно является сырьём для получения этой ценной пластмассы, с которой вы будете знакомиться при изучении полимеров. Покажем, как из этана получается этилен. Для этого сравните формулы первого (C2H6) и второго (C2H4) газов. Очевидно, чтобы из этана получить этилен, нужно из каждой его молекулы отнять два атома (молекулу) водорода, или, как говорят в химии, провести реакцию дегидрирования:

Обратите внимание, что в молекуле этилена все четыре валентности атомов углерода задействованы по-разному: три связаны с другими атомами, а четвёртая образует ещё одну связь между атомами углерода:

Сокращённая структурная формула этилена CH2=CH2 показывает, что его молекула содержит двойную связь, а потому этот углеводород относится к непредельным углеводородам.

Биогаз. В последнее время всё большее внимание привлекают нетрадиционные с технической точки зрения источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и многое другое. Некоторые из них, например ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение. Одним из забытых видов сырья является и биогаз, использовавшийся ещё в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.

Все природные источники углеводородного сырья, в том числе природный газ, имеют органическое происхождение. Нельзя ли использовать современные растительные и животные остатки для производства газообразных алканов сегодня, не дожидаясь результатов труда матушки-природы? Оказывается, это вполне возможно и в значительных масштабах уже используется во многих странах. Газ, полученный таким способом, и называется биогазом.

На заводах по производству биогаза в качестве сырья используются отходы животного и растительного происхождения — навоз, пищевые отходы, растительные массы, ботва. В генераторах-ферментёрах эти отходы перегнивают под действием анаэробных бактерий.

В отличие от природного газа биогаз содержит значительные количества оксида углерода (IV) — от 25 до 50%. Однако основным его компонентом, как и в природном газе, является метан. Биогаз можно использовать непосредственно для отопления жилищ, приготовления пищи или получения электроэнергии с помощью электрогенератора. Отходы после получения биогаза имеют высокое содержание азота и могут использоваться в качестве высокоэффективных, экологически безопасных удобрений.

Поскольку разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определённых типов бактерий, существенное влияние на процесс получения биогаза оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с тёплым климатом. Однако применение надёжной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20 °С. Существуют определённые требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве — воду (90—94%). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без примеси веществ, мешающих действию бактерий, например мыла, стиральных порошков, антибиотиков. В среднем из 1 кг органического вещества при производстве биогаза получается 250 л метана, 160 л углекислого газа, 200 г воды и 300 г неразложимого остатка.

Запасы природного газа в России. В России находится почти 40% мировых запасов природного газа. Уникальные месторождения расположены на севере в Ямало-Ненецком автономном округе, а также на шельфах арктических морей. Всего в России более 12 нефтегазоносных регионов, занимающих почти половину территории страны (см. рис. 34). Запасы газа значительно больше, чем нефти. По оценкам специалистов на сегодняшний день добыто только около 5% мировых запасов голубого топлива.

Затраты на добычу и транспортировку природного газа постепенно возрастают. Это связано с исчерпанием его запасов в старых месторождениях, необходимостью вкладывать средства в разведку новых. Да и запасы природного сырья на Земле не безграничны.

Далее поговорим подробно о другом ценном полезном ископаемом — нефти и способах её переработки.

Теперь вы знаете

  • каковы состав и основные свойства алканов
  • состав природного газа
  • каковы запасы природного газа в России У что такое биогаз и как он используется

Теперь вы можете

  • объяснить, что такое алканы, и перечислить их основные свойства
  • дать характеристику природного газа, его состава и количественного содержания его компонентов
  • назвать области применения сажи, синтез-газа, этилена, природного газа, биогаза

Выполните задания

  1. Определите, чем отличаются предельные углеводороды от непредельных.
  2. Назовите первых трёх представителей ряда алканов, напишите их развёрнутые и сокращённые формулы.
  3. Объясните, в чём преимущество газообразного топлива перед другими видами топлива.
  4. Перечислите химические свойства метана, которые лежат в основе его применения, ответ проиллюстрируйте уравнениями соответствующих реакций.
  5. Приведённую в параграфе схему вариантов промышленной переработки природного газа дополните короткими сообщениями и уравнениями реакций.

Темы для рефератов

  1. Топливо и его виды.
  2. Биогаз, его производство и применение.
  3. Южный и Северный потоки: проблемы и перспективы.
  4. Роль России в мировой добыче и транспортировке газа.

Рейтинг@Mail.ru