Дидактический материал для уроков химии, географии Нефть. Состав нефти и ее применение.

Дидактический материал
Нефть. Состав нефти и ее применение.
Нефть - это горючая жидкость, представляющая собой сложную смесь из углеводородов. Различные типы нефти существенно различаются по химическим и физическим свойствам: в природе она представлена и в виде черного битумного асфальта, и в форме светлых летучих разновидностей. Вопреки устоявшемуся выражению «черное золото», нефть отличается многообразием цветов – она может быть черной, коричневой, вишневой, зеленой, янтарной, желтой. Ее запах тоже бывает совершенно разным – от приятного и даже душистого до отвратительно сернистого.
В состав сырой нефти входит около 1000 компонентов. Среди них преобладают алканы, циклоалканы и разнообразные ароматические углеводороды. Другие органические соединения, присутствующие в нефти, содержат азот, кислород, серу или незначительное количество металлов – железа, никеля, меди и ванадия. По химическому составу нефть очень похожа на каменный уголь – в нем тоже основным составляющим компонентом является углерод. Поэтому нефть и газ, наряду с углем, торфом и сланцами, ученые относят к одному классу ископаемых – каустобиолитов.
Залежи этого ценнейшего полезного ископаемого располагаются на глубине от десятков метров до 5-6 км. Происхождение нефти до сих пор вызывает бурные дискуссии. Большинство ученых являются сторонниками биогенной теории, согласно которой нефть формировалась из остатков живых организмов – по большей части планктона. Остатки накапливались на дне водных бассейнов, затем уплотнялись и обезвоживались. В условиях ограниченного доступа кислорода в них протекали различные биохимические процессы. Пласт остатков затем опускался на глубину, где в условиях высокой температуры и давления происходило нефтеобразование. Эта теория появления нефти получила название «биогенной». Однако она не является единственным объяснением появления этого бесценного ресурса.
Довольно много ученых и специалистов придерживаются другого мнения по этому вопросу, выступая сторонниками теории «абиогенного синтеза». Еще Д. И. Менделеев предположил, что нефть образуется из глубинных флюидов – жидких и газообразных компонентов магмы или циркулирующих в земных глубинах растворов, насыщенных газами. Он полагал, что во время процессов горообразования вода просачивается вниз по трещинам, рассекающим земную кору. Встречаясь в недрах с карбидами железа, вода вступает с ними в реакцию под действием высоких температур и давления. В результате этой реакции образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. По тем же разломам насыщенные углеводородами флюиды поднимаются в верхние слои коры и заполняют твердые породы-коллекторы. Так образуются месторождения нефти и газа.
Геологи впоследствии выяснили, что месторождения часто формируются в зоне глубинных разломов – это подтверждает гипотезу Менделеева. Но самым серьезным аргументом в пользу абиогенной теории стало открытие в 1988 году месторождения «Белый Тигр». Это месторождение на морском шельфе Вьетнама располагается на глубине свыше 3 км не в толще осадочных пород, а в гранитном «фундаменте». Пробуренная скважина сразу же зафонтанировала, и до сих пор нефть поступает из нее с хорошим напором. Присутствие живых организмов или планктона, из которых могла бы образоваться нефть, в такой среде не представляется возможным. Раз нефть может накапливаться в твердых кристаллических породах, в которых нет органических остатков, абиогенная теория представляется вполне логичной.
Вопрос происхождения нефти – это не абстрактная научная проблема. Он важен для всех нас. Если в недрах земли до сих пор идет органический синтез, есть надежда на открытие все новых и новых залежей нефти. Если же она имеет исключительно органическое происхождение, перспективы неутешительны. Считается, что при сохранении текущего уровня потребления и при добыче нефти из легкодоступных источников она закончится уже во второй половине этого столетия. Однако с развитием технологий нефть будет можно добывать там, откуда раньше ее просто нельзя было извлечь – например, из природных битумов, запасы которых составляют 600 млрд тонн, что более чем в четыре раза превышает доказанные традиционные запасы нефти.
Почему же нефть так важна для нас? Благодаря высокой энергоемкости и транспортабельности, с середины XX века она служит самым важным источником энергии в мире. На производство топлива идет до 84% добываемого сегодня объема. Остальные 16% служат сырьем для переработки в пластмассы, растворители, удобрения, лекарственные средства и прочую продукцию, без которой современная цивилизация просто невозможна. Даже если в далеком будущем нефть утратит приоритетную роль в качестве топлива, ее ценность при этом не уменьшится. Человечество по-прежнему не сможет обойтись без предметов, обязательным компонентом в изготовлении которых является нефть. Таким образом, с развитием альтернативных и возобновляемых источников энергии все больше нефти будет тратиться на нужды нефтехимической промышленности. Если вы хотите узнать подробнее, что делают из продуктов нефтехимии, пора отправиться в раздел "Нефть вокруг".
Интересные факты:
В 1763 году Ломоносов опубликовал труд «О слоях земли», где он предположил, что и нефть и каменный уголь происходят разными путями из одного и того же органического вещества.
Одна из ранних теорий происхождения нефти предполагала, что эта черная субстанция – не что иное, как... моча китов, оседающая на дне океанов и затем по подземным каналам проникающая в земные недра.
Христианская религия выдвинула свою версию происхождения нефти на Земле. Эта теория восходит ко времени сотворения мира, когда земля была настолько плодородна, что жир пропитывал ее от поверхности до больших глубин. После грехопадения и изгнания Адама и Евы из райского сада часть этого «жира» испарилась, а часть ушла глубоко в недра, а затем Всемирный потоп превратил его в нефть.
В исследованиях происхождения нефти есть и инопланетный след. В конце XIX века русский ученый В. Д. Соколов предположил, что молекулы углеводородов содержались в газопылевом облаке, из которого образовалась наша планета. Нефть - самый популярный сырьевой товар: ею торгуют в розницу, на биржах и даже впрок, посредством товарных фьючерсов. Люди нашли применение нефти и ее компонентов во всех сферах жизнедеятельности. Если задуматься, то каждый из нас повседневно десятки раз сталкивается с нефтепродуктами.
Нефть - самый популярный сырьевой товар: ею торгуют в розницу, на биржах и даже впрок, посредством товарных фьючерсов. Люди нашли применение нефти и ее компонентов во всех сферах жизнедеятельности. Если задуматься, то каждый из нас повседневно десятки раз сталкивается с нефтепродуктами.
Товары, в производстве которых используются нефтяные компоненты, применяется в промышленности, широко используются в изготовлении предметов быта и товаров народного потребления, в медицине, косметологии, да практически во всех сферах человеческого обихода. Мы живем среди нефти, продаем нефть, носим одежду из нее.
Топовые нефтепродукты. По данным исследований, проведенных специалистами НК "Роснефть", самые распространенные продукты из нефти относятся к видам топлива. Это дизельное топливо, мазут, авиакеросин и, конечно, самый популярный в народе нефтепродукт - бензин. Именно на него приходится 50% от общего объема производимых в мире нефтепродуктов. На втором месте по популярности, пожалуй, следуют пластмассы. Массовый выпуск мелочей из пластмассы – гребней, коробок, пуговиц, игрушек – начался уже в конце XIX века. Сейчас каждый год в мире производят около 180 млн т пластмассы.
Человек научился пускать в дело практически все, что связано с переработкой нефти. Так, оставшийся после перегонки нефти концентрат называют гудроном и используют при изготовлении дорожных и строительных покрытий. Вторичная переработка нефти включает в себя изменение структуры ее компонентов - углеводородов. Она дает сырье, из которого получают синтетические каучуки и резины, синтетические ткани, пластмассы, полимерные пленки (полиэтилен, полипропилен), моющие средства, растворители, краски и лаки, красители, удобрения, ядохимикаты, воск и многое другое.Не пропадают и отходы нефтепереработки. Из них производят кокс, который используется в производстве электродов и в металлургии. А сера, которую получают из нефти при ее переработке, особенно высокосернистой, используется в производстве серной кислоты.
Не задумываясь о происхождении предметов, мы с вами в повседневной жизни сталкиваемся с товарами, производство которых так или иначе связано с нефтью и ее компонентами.
Например, из пластика делают бытовую технику и крупные детали автомобилей, мебель, посуду. Этиленвинилацетат применяют при производстве оболочки кабелей, обувной подошвы и игрушек, а из стирола производят канцелярские принадлежности, сантехнику и даже холодильники. Полиэтилен является самым популярным сегодня упаковочным материалом. Из него также делают, в том числе, и всем известные пластиковые бутылки. Из продуктов нефтехимии также производят каучук и различные резиновые товары. Помимо разнообразных современных материалов, из нефти производят эффективные моющие средства и другую бытовую химию.
Особое место в быту занимают синтетические ткани. Из таких материалов производят множество товаров, от швейных ниток до рыболовных сетей и конвейерных лент. Первым синтетическим волокном стал нейлон, полученный в 1939г.
Среди самых известных синтетических тканей – прочный, не рвущийся нейлон (полиамид); мягкий, похожий на шерсть акрил; лайкра, которую добавляют и в натуральные, и в синтетические ткани для придания им эластичности; прочный, не мнущийся, но и не пропускающий воздух полиэстер.
Наконец самое странная сфера применения, которую тем не менее придумали для нефти, – это наша с вами пища. Как отмечает генеральный директор ООО "INFOLine-Аналитика" Михаил Бурмистров, в условиях роста цен на продовольственные товары в США и ряде других стран все большую актуальность приобретает производство пищевых продуктов с использованием микробиологического синтеза белка из нефтепродуктов и отходов нефтеперерабатывающего производства.
Переработка всего 2% от объема ежегодно добываемой нефти позволяет произвести до 25 млн т белка, чего достаточно для питания 2 млрд человек в течение года. Он используется в производстве самых разных продуктов, заменяя белок животного происхождения.
Народные дифирамбы нефти
Известно, что ученые до сих пор не пришли к единому мнению о природе происхождения нефти. Является она органикой или нет, однозначно сказать нельзя. Однако это не мешало людям издревле приписывать нефти чудодейственные лечебные свойства.
В мире широко известны лечебные свойства нефти, добываемой в районе города Нафталан, расположенного на территории Азербайджана. В 13 веке великий венецианский путешественник Марко Поло упомянул о целебной нефти Нафталана в своих записях. По данным Министерства нефти Азербайджана, эффективность этой нефти при различных заболеваниях подтверждена результатами около 1,7 тыс. научных работ и монографий, в том числе около 300 диссертаций. В этом городе страны находится единственный в мире Музей костылей. Здесь можно увидеть сотни этих предметов различных конструкций и размеров. Они оставлены за ненадобностью и подписаны теми, кто до прибытия на курорт не мог передвигаться без их помощи.
Народная медицина широко пропагандирует лечебные свойства керосина, в целебные свойства которого люди верят с момента его изобретения. Керосин применяют внутрь, натирают им больные места и делают различные настойки, компрессы, мази. Методы лечения керосином исследовались учеными, а их результатам посвящено множество трактатов.
"Белая нефть", дающая более 80% керосина, приобретает все большую популярность в народе при лечении некоторых видов онкозаболеваний. Как отмечает аналитик компании "Альпари" Михаил Крылов, спрос на комплексное лечение с использованием компонентов "белой нефти" уже позволил запустить фармацевтические проекты, которые предлагают лечение нафталанном по договорным ценам, в зависимости от возможностей клиента.
Нефть в медицине
Но не только народные средства из нефтепродуктов популярны в народе. Заслуженное признание лекарственные средства, произведенные из нефтяных компонентов, получили и у официальной медицины. Самое известное лекарство из нефти — это аспирин.
В 1874г. ученые открыли принцип выработки салициловой кислоты из фенола, и с тех пор ацетилсалициловая кислота, или попросту аспирин, стала одним из самых популярных в мире лекарственных средств. Кроме того, из салициловой кислоты производят антисептик фенилсалицилат, применяемый для лечения колитов и других желудочно-кишечных заболеваний, и парааминосалициловую кислоту, используемую в составе противотуберкулезных препаратов.
В 30-е гг. из анилина, который производят из нитробензола, были получены первые антимикробные препараты – сульфаниламиды: сульфидин, стрептоцид, сульфадимезин. Они произвели настоящую революцию в лечении заболеваний, вызванных микроорганизмами.
Различные производные нефти используют в препаратах, помогающих людям избавиться от аллергии, головной боли, нервного стресса или инфекционных заболеваний. Эфиры и спирты часто применяются для производства антибиотиков. В настоящее время ведутся испытания пластмассового протеза легких.
Нефтепродукты для женщин
Особое значение, как это ни странно, нефть имеет в жизни современной женщины. Ведь кроме различных машин (автомобилей, самолетов, поездов и кораблей) нефть дала женщине множество мелочей, обеспечивающих бытовой комфорт, в результате освободив ее драгоценное время. Перечислить все невозможно, начнем с кухонной мебельной обивки и посудомоек, а закончим комбайнами, миксерами, скороварками и микроволновками. Посередине - тысячи бытовых мелочей, перечислять которые бессмысленно. Просто посмотрите вокруг.
Производство прекрасных современных тканей, изготавливаемых при помощи нефтехимических процессов, позволяет женщине получить быстросохнущие, хорошо пропускающие воздух и удерживающие тепло ткани. Из синтетических волокон изготавливают купальники, нижнее белье, сумки, сапожки, и, конечно, колготки с лайкрой.
Ежедневная женская головная боль - "как лучше выглядеть сегодня" - также решается с помощью нефтехимии, которая широко используются в косметологии. В частности, из продуктов нефтехимии производят косметические карандаши, тени для век, различные красители, лаки для ногтей, всевозможные украшения, бижутерию. Наконец, большая часть ароматов для парфюма, без которого современная женщина практически не мыслит себя, синтезируются из продуктов нефтехимии.
Широкое развитие инноваций и высокотехнологичных производств открыло множество новых свойств нефти, и, возможно, это явилось одной из причин роста стоимости черного золота более чем в пять раз за последние 12 лет. Поэтому нефтяники по всему миру могут быть в целом спокойны за свой бизнес – спрос на их основную продукцию будет стабильным, по крайней мере в течение ближайших 25 лет, полагает аналитик финансовой компании Aforex Нарек Авакян.
Нефть – горючая маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, красно-коричневого, иногда почти черного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в желто-зеленый цвет и даже бесцветная нефть. Имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли.
Нефть образуется вместе с газообразными углеводородами обычно на глубине более 1,2-2 км; залегает на глубинах от десятков метров до 5-6 км. По химической природе и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту.
Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потреблении энергоресурсов составляет 48%.
Раскопками на берегу Евфрата установлено существование нефтяного промысла за 6000-4000 лет до н. э. В то время ее применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы – в строительном и дорожном деле. Нефть известна была и Древнему Египту, где она использовалась для бальзамирования покойников. О первой находке нефти в России было сообщено 2 января 1703 года в русской газете «Ведомости».
Асфальт (от греч. – горная смола) – природное ископаемое, представляющее собой смесь битумов с минеральными веществами, например, известняком. Асфальт может быть как природного (содержание битумов – 60-75% от общего объема вещества), так и искусственного (содержание битумов – 13-60%) происхождения.
Применяют асфальт в смеси с песком, гравием, щебнем для устройства шоссейных дорог, как кровельный, гидро- и электроизоляционный материал, а также для приготовления замазок, клеев, лаков и др.
Природный асфальт был обнаружен при раскопках развалин в окрестностях Вавилона, где он применялся вместо извести или цемента при кладке каменных стен. Природным асфальтом, также, согласно Библии, была осмолена корзинка, в которую мать положила Моисея, поставив ее в тростнике на берегу реки Нил.
Искусственный асфальт, приготовленный с использованием нефтяных битумов, впервые был применен в США в 1876 году. Асфальтобетонное покрытие первый раз использовали для покрытия тротуаров Королевского моста в Париже в 30-х годах XX столетия.
Каустобиолиты (от греч. kaustós - горючий, bíos - жизнь и líthos - камень) – горючие ископаемые органического происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных или животных организмов, например, планктонных водорослей, болотных растений.
Термин «каустобиолит» был предложен в 1888 немецким ученым Г. Потонье, который разделил каустобиолиты по происхождению на 3 группы: сапропелиты, возникающие в результате захоронения на дне водоемов низших организмов, в основном планктонных водорослей (кероген горючих сланцев, богхед); гумиты, образующиеся из остатков высших, преимущественно болотных, растений (бурый уголь, каменный уголь); липтобиолиты – угли, обогащенные наиболее стойкими к разложению компонентами растительного вещества – смолами, восками, кутикулой и др. К каустобиолитам Потонье также относил нефть.
Сланец – осадочная горная порода, состоящая из глинистых минералов (главным образом различных гидрослюд, хлорита и др.), частички которых обычно ориентированы строго параллельно. Образуется в результате уплотнения глин и частичной их перекристаллизации при погружении на значительные глубины.
Используется в качестве кровельного материала, в производстве низковольтных распределительных щитов, рубильников и аппаратов в электропромышленности, а также в производстве некоторых строительных деталей, а в дробленом, обожженном и вспученном виде – как наполнитель для некоторых видов бетона, крупных стеновых блоков, а также для бронирования рубероида.
Здесь, на автозаправочной станции, утоляют вечную жажду двигателей, которые дарят человеку возможность с комфортом перемещаться на дальние расстояния. Самое распространенное топливо для транспорта – бензин. Более того, на него приходится 50% от общего объема производимых в мире нефтепродуктов.
Качество бензина во многом определяется октановым числом, которое показывает, насколько он способен противостоять детонации. Если бензин, вместо того, чтобы ровно сгорать в цилиндрах, будет взрываться, поездка сразу перестанет казаться приятной. Гарантированы шум, снижение мощности и быстрый износ двигателя, а также другие плачевные последствия.
Прямогонный бензин имеет низкое октановое число – примерно 41-56, поэтому его подвергают риформингу или крекингу, доводя показатель до 65-86 в зависимости от метода. Подробнее об этих процессах можно узнать на нефтеперерабатывающем заводе. Кроме того, в бензин добавляют высокооктановые компоненты или же агенты, препятствующие детонации. Первым и очень популярным антидетонатором был тетраэтилсвинец – всего 0,1% этого вещества повышала октановое число на 10 единиц. Но из-за токсичности и загрязнения окружающей среды соединениями свинца его запретили во многих странах. Оптимальный заменитель пока не найден, но ведутся активные разработки.
На АЗС можно заправиться не только бензиновым, но и дизельным топливом. На нем в основном работают грузовые автомобили, а также железнодорожный транспорт и сельскохозяйственная техника. Основной его характеристикой служит цетановое число, отражающее способность топлива к самовоспламенению. Стандартный показатель – 40-45, лучший – 45-50. Слишком высокое цетановое число вовсе не улучшает качество продукта – после 60 образуется больше выхлопных газов и возрастает расход топлива. (Число цетановое – условная количественная характеристика самовоспламеняемости дизельных топлив в цилиндре двигателя. Чем выше цетановое число, тем быстрее воспламеняется дизельное топливо в двигателе, равномернее нарастает давление и мягче работает двигатель. Сейчас цетановое число для дизельных двигателей колеблется от 40 до 55).Самолеты, металлические птицы, изящным росчерком украшающие синеву небес, тоже летают на нефтяном топливе – точнее, на авиационном керосине. Это жидкое топливо имеет строго регламентированные параметры вязкости, плотности, температуры, кристаллизации и состава – чтобы обеспечить равномерное поступление горючего к двигателю. Кроме того, топливо должно обладать высокой термической стабильностью, так как в баках сверхзвуковых самолетов оно может нагреваться до 150—200 °С. Чтобы добиться нужных показателей, керосиновую фракцию очищают от примесей – например, при помощи водорода.
Покорители морей тоже нуждаются в нефти – многие корабли ходят на так называемом флотском мазуте, который получают, смешав 60-70% прямогонного мазута и 30-40% дизельного топлива со специальными добавками.
Таким образом, в транспорте нефтяное топливо прочно удерживает лидирующие позиции. Но рост цен на углеводородное топливо, ценность нефти как химического сырья и экологические задачи нового века заставляют активно работать над другими средствами, приводящими мир в движение.
Новое, как водится, часто оказывается хорошо забытым старым. Альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания применялась еще на заре автомобильной эры. Самый первый дизель работал на растительном масле – так же, как и современный биодизель. В основном, используется рапсовое масло, которое особым образом модифицируют. Однако в мороз это экологически чистое топливо превращается в восковидную субстанцию, поэтому его приходится смешивать с минеральным горючим.
Этиловый спирт тоже использовался автомобилистами уже 100 лет назад. Он приводил в движение модель Генри Форда, которую начали выпускать в 1908 году специально для фермеров. Разработка была исключительно разумной – ведь фермеры могли сами производить для себя топливо. В наши дни почти весь вырабатываемый в мире биоэтанол производят в США и Бразилии – примерно в равных долях. Американцы делают его из кукурузы, а бразильцы – из сахарного тростника. Этот вид топлива тоже приходится смешивать с некоторым количеством бензина, чтобы избежать проблем при низких температурах.
Электромобиль и вовсе имеет предка, родившегося в 1841 году. Этот вид транспорта приводится в движение электродвигателем, который питается от аккумуляторов и топливных элементов. Масса преимуществ, начиная с возможности заряжаться от розетки и заканчивая отсутствием вредных выбросов, делают его весьма привлекательным, но за полтора века он так и не смог сравняться по стоимости и ходовым качествам с обычным автомобилем.
Однако достоинства электромобиля нашли отражения в гибридном автомобиле, сочетающем электродвигатель с двигателем внутреннего сгорания. Бортовой компьютер переводит машину на оптимальный в данный момент режим энергопотребления, экономя топливо и сокращая вредные выбросы. Вероятно, за такими моделями – ближайшее будущее, ну а в более далекой перспективе станут доступны машины на топливных элементах. Эти электрохимические устройства позволяют получать энергию прямо из топлива. Абсолютно экологически чистый вариант – водород, ведь побочный продукт его переработки – дистиллированная вода. Например, можно использовать водород, который получают в процессе переработки нефти. Сегодня такие разработки идут полным ходом, но пока технологии остаются слишком дорогостоящими для повсеместного распространения. Так что, черное золото не утрачивает позиций в индустрии, которая когда-то послужила причиной нефтяного бума.
Литература
http://www.mirnefti.ru/index.php?id=1