Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 8. Жидкие вещества. Нефть

  1. Перечислите основные нефтяные месторождения мира и России, покажите их на карте.
  2. Объясните, почему нефть называют чёрным золотом.
  3. Расскажите, что вы знаете об экологической катастрофе 2010 г. в Мексиканском заливе, каковы её причины и последствия.

Теории происхождения нефти. Из жидких веществ наиболее значимой в энергетическом отношении природной жидкостью является нефть.

Нефть — это горючая маслянистая жидкость, распространённая в осадочной оболочке Земли, важнейшее полезное ископаемое.

Давным-давно, около 200 млн лет назад, в толще Земли образовались залежи нефти. Её происхождение — одна из сокровенных тайн природы. Некоторые видные учёные, в числе которых был и Д. И. Менделеев, придерживались неорганической теории происхождения нефти. Другие считали, что чёрное золото Земли представляет собой продукт разложения живых организмов. Современная наука имеет веские доказательства, что в доисторические времена микроскопические морские растения и животные оказались погребёнными под толщей осадочных пород, образовавшихся на дне морей. Там органические вещества в отсутствие кислорода воздуха подвергались воздействию высоких температур и давления, что привело к их разложению и образованию нефти и газа.

Нефть известна человеку с глубокой древности. В Персии жрецы для священного огня добывали её из колодцев. Места, где добывалась нефть, тщательно охранялись от посторонних и назывались nephtai или nephtoi, отсюда, как полагают, и произошло персидское слово «нефть».

      И бил фонтан, и рассыпался искрами,
      При свете их я Бога увидал:
      По пояс голый, он с двумя канистрами
      Холодный душ из нефти принимал.
      И ожила земля, и помню ночью я
      На той земле танцующих людей...
      Я счастлив, что, превысив полномочия,
      Мы взяли риск — и вскрыли вены ей!

/В. Высоцкий/

Виды и свойства нефти. Нефть принято называть чёрным золотом. Однако она бывает не только чёрной, но и белой. Огромные запасы такой нефти обнаружены по притоку Оби — Васюгану. Здесь из буровых скважин (рис. 32) поднимается бесцветная жидкость, состоящая практически из чистого бензина. Химики установили, что из белой нефти можно просто и дёшево получать высококачественный каучук, различные спирты, ароматические углеводороды и многие другие продукты.

Рис. 32. Буровая вышка

Нефть залегает в недрах Земли, где она занимает свободное пространство между породами.

Как выглядит нефть, вы хорошо знаете. Это маслянистая жидкость тёмно-бурого, почти чёрного цвета, практически не растворимая в воде. Поскольку нефть легче воды, она всплывает и может растекаться по её поверхности очень тонким слоем. Один литр нефти образует нефтяную плёнку площадью с футбольное поле! Толщина такой плёнки сравнима с длиной волны видимого излучения, поэтому в результате преломления света нефтяное пятно переливается всеми цветами радуги. Вот только последствия таких разливов отнюдь не радужные, это настоящие экологические катастрофы. Нефтяная плёнка не позволяет растворяться в воде кислороду воздуха, необходимому для дыхания обитателей вод. Гибнут водоплавающие птицы, перья которых покрываются несмываемым маслянистым налётом. Прибитые к берегу волной и ветром, нефтяные разливы загрязняют сотни километров береговой полосы.

Но нет ничего страшнее нефти горящей. Она горит даже на поверхности воды, и, естественно, потушить её водой невозможно. Огненное пекло, чёрный дым, сотни токсичных продуктов горения превращают нефтяной пожар в настоящий ад (рис. 33).

Рис. 33. Горящая нефть

Почему же люди не договорятся прекратить добычу и использование нефти как источника повышенной опасности для человечества? К сожалению, в ближайшей перспективе сделать это невозможно, поскольку нефть — важнейший природный источник углеводородов, которые используются и как разнообразные виды топлива, и как богатейшее химическое сырьё.

Состав нефти. ректификация. Нефть — это настоящий природный коктейль, в каждой капле которого присутствует более 900 различных соединений! Её главная составная часть — это предельные углеводороды, содержащие от 6 до 50 атомов углерода в молекуле.

Необработанную нефть называют сырой, практически вся она поступает на переработку. Вначале из неё удаляют растворённые попутные газы, а также парафин, а затем отправляют на фракционную перегонку, или ректификацию.

Ректификацией (перегонкой) называют разделение жидких смесей на фракции, или отдельные компоненты, на основании различия в их температуре кипения.

Поскольку нефть представляет собой сложную смесь различных веществ, она не имеет определённой температуры кипения. При нагревании из нефти начинают выкипать компоненты в порядке увеличения их температуры кипения. Это даёт возможность разделить нефть на отдельные фракции, представляющие собой смесь близких по температуре кипения веществ.

Процесс ректификации происходит на специальных установках, называемых ректификационными колоннами (рис. 34). Нефть подают в нижнюю часть колонны и нагревают до температуры 340— 360 °С. Выкипающие газообразные углеводороды поднимаются по колонне вверх, постепенно остывая.

Рис. 34. Ректификационные колонны на нефтеперерабатывающем заводе

При охлаждении до температуры кипения пары вещества конденсируются, превращаясь в жидкость, на горизонтальных перегородках колонны — тарелках. Чем выше расположена тарелка, тем ниже температура кипения находящихся на ней жидких продуктов разделения нефти. Удаляя жидкость с определённых тарелок, получают отдельную нефтяную фракцию, кипящую в некотором интервале температур.

Нефтепродукты. Характеристики типичных фракций перегонки нефти приведены в таблице 3.

Таблица 3
Фракции, получаемые при ректификации нефти

Бензин используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, лигроин — горючее для тракторов и сырьё для нефтехимических производств. На керосине летают современные реактивные самолёты. Газойль (или дизельное топливо) — это горючее для дизельных двигателей теплоходов, тепловозов и большегрузных автомобилей.

Мазут — тёмная вязкая жидкость, остаток после перегонки нефти. Часть его используется как топливо для тепловых электростанций и котельных. Основное количество подвергается повторной ректификации, но уже при меньшем давлении. Почему? Вы знаете, что с уменьшением давления температура кипения жидкостей понижается. Поскольку мазут составляют высококипящие органические вещества, их ректификация потребовала бы создания высоких температур. Во-первых, это дорого, во-вторых, многие соединения разлагаются при таком воздействии. Поэтому ректификацию мазута проводят в вакууме, получая при этом всевозможные смазочные материалы, называемые минеральными маслами. Остаток после перегонки мазута — гудрон — используется для получения битума и асфальта, применяемых в дорожном строительстве.

Самая ценная фракция, получаемая при ректификации нефти, — это бензин. Однако из тонны сырой нефти можно получить не более 200 кг бензина. Поэтому часть нефтяных фракций, например лигроин и керосин, отправляют на дальнейшую переработку, в результате которой получают дополнительное количество бензина, а также другие важные продукты.

Если вы спросите, относится ли ректификация нефти к химическим явлениям, то ответ будет очевиден: нет. Потому что в процессе перегонки не наблюдается химических превращений одних веществ в другие, разделение происходит на основе физических явлений — испарения и конденсации веществ. А вот вторичная переработка нефтепродуктов уже сопровождается химическими реакциями.

Крекинг. Одним из таких процессов (вторичной переработки нефтепродуктов) является крекинг.

Крекингом называется процесс переработки нефтепродуктов при повышенных температуре и давлении с целью получения продуктов с меньшей молекулярной массой.

Термин «крекинг» произошёл от английского слова cracking, что в переводе означает «расщепление». Вместе с тем промышленный крекинг был впервые осуществлён русским инженером В. Г. Шуховым (1853— 1939) в 1891 г. Основной реакцией процесса является разрыв углерод-углеродной связи C—C исходного предельного углеводорода с образованием углеводородов с меньшей длиной углеродной цепи. Например, углеводороды керосиновой фракции перегонки нефти превращаются при этом в компоненты бензина.

Мировые запасы нефти и её добыча в России и других странах. Нефтегазовая отрасль даёт около половины доходов в казну России. Доля нефтяного (рис. 35) и газового добывающего сектора в ВВП составляет 20%. В отрасли работает около 1,5 млн человек — 1% всего населения страны. Всего в России по состоянию на 2012 г. работало более 30 нефтеперерабатывающих заводов.

Рис. 35. Объём добычи и переработки нефти в России в 1998—2020 гг.

Стоимость нефти постоянно колеблется: то растёт, то падает. Государственный бюджет Российской Федерации в немалой степени зависит от мировых цен на нефть.

Сведения о мировых запасах нефти значительно разнятся. Некоторые специалисты считают, что из недр Земли добыто 16% от её потенциала, ещё 17% разведано (около 15 млрд т), а остальные месторождения перспективные, т. е. ещё не открытые. На 2004 г. мировые разведанные запасы составляли 210 млрд т, добыча нефти по странам в 2009 г. показана на диаграмме (рис. 36).

Рис. 36. Добыча нефти в мире в 2009 г.

Нефтяные компании имеют в своём распоряжении порядка 14 млрд т запасов нефти — примерно 14% от мирового объёма. Специалисты полагают, что при нынешних темпах добычи и потребления нефти этих запасов хватит на 50 лет. Но разведка новых месторождений продолжается, к тому же уже отработанные месторождения через некоторое время снова начинают давать достаточно много чёрного золота. Оптимисты надеются, что при рациональной эксплуатации месторождений, открытии новых и полном использовании уже разработанных обеспечить нефтью можно будет пять грядущих поколений. Кроме того, необходимо увеличивать так называемый коэффициент извлечения нефти. В настоящее время экономически наиболее выгодно извлекать только первые 28—30% нефти одного месторождения, однако эту величину нужно доводить по крайней мере до 50%.

Как ни странно, экономически более выгодно экспортировать нефть за рубеж танкерами, а не по трубопроводам. В этом случае возможно продавать сырьё по ценам, устанавливаемым на рынке на конкретный день или даже время суток.

Своеобразным переходом от жидкого к твёрдому кристаллическому состоянию вещества являются жидкие кристаллы, о которых речь пойдёт в следующем параграфе.

Теперь вы знаете

  1. что представляет собой нефть
  2. состав нефти
  3. каковы мировые запасы нефти и её добыча в России и других странах

Теперь вы можете

  1. охарактеризовать основные свойства и состав нефти
  2. объяснить, что такое ректификация и крекинг
  3. перечислить фракции, получаемые при перегонке нефти
  4. рассказать о мировых запасах и добыче нефти в России и других странах

Выполните задания

  1. Назовите разные точки зрения на происхождение нефти.
  2. Объясните, на каких свойствах нефти основана её перегонка и как используют нефтепродукты.
  3. Приведите примеры известных вам международных вооружённых конфликтов, которые связаны с контролем над источниками нефти.
  4. Дайте сравнительную характеристику процессов ректификации и крекинга.
  5. Оцените, какое экономическое значение имеет добыча нефти для бюджета России, какова её доля в мировой добыче. Ответ проиллюстрируйте цифрами.

Темы для рефератов

  1. Роль нефти в развитии человеческой цивилизации (от Древнего мира до наших дней).
  2. Значение России в мировой системе добычи и транспортировки нефти.
  3. И. М. Губкин — основатель советской нефтяной геологии.
  4. Нефтяной кризис 1973 г. — крупнейший энергетический кризис, его причины и последствия.

Рейтинг@Mail.ru