Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №24/2005

КУРСЫ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ

 

С.С.БЕРДОНОСОВ,
Е.А.МЕНДЕЛЕЕВА

Особенности содержания и методики преподавания некоторых избранных тем курса химии 8—9 классов

Учебный план курса

№ газеты Учебный материал
17 Лекция № 1. Некоторые общие вопросы школьного предмета химии. Вещество. Атомы. Химические элементы. Вещества простые и сложные. Строение атома. Нуклиды и изотопы. Электронные оболочки атомов. Атомы электронейтральные и заряженные (ионы) и их размеры
18 Лекция № 2. Радиоактивность. Основы радиохимии и радиоэкологии. Синтез и изучение новых элементов
19 Лекция № 3. Водород и кислород. Особенности строения молекул. Получение. Важнейшие химические реакции. Применение. Kонтрольная работа № 1 (срок выполнения – до 15 ноября 2005 г.)
20 Лекция № 4. Тепловые эффекты химических реакций. Скорость химических реакций
21 Лекция № 5. Равновесие. Смещение равновесия. Принцип Ле Шателье
22 Лекция № 6. Растворы. Химические реакции в растворах. Kонтрольная работа № 2 (срок выполнения – до 29 декабря 2005 г.)
23 Лекция № 7. Особенности строения органических веществ
24 Лекция № 8. Углеводороды нефти и природного газа. Роль нефти и газа в современной химии
Итоговая работа. Разработка урока химии в 8–9-м классе в соответствии с предложенной концепцией. На основе этой разработки слушателем должны быть проведены уроки. Kраткий отчет о проведении итоговой работы, сопровождаемый справкой из учебного заведения, должен быть направлен в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2006 г.

ЛЕКЦИЯ № 8

Углеводороды нефти и природного газа

Роль нефти и газа в современной химии

Введение

Горючие полезные ископаемые – нефть, природный газ и каменный уголь – составляют основу экономического благополучия современного общества. В последнее десятилетие XX в. 87% энергии, потребляемой человечеством, выделялось при горении, причем доля нефтепродуктов и природного газа была равна 65%, а угля – 22%. На долю всех остальных источников энергии – атомные, гидроэлектростанции, энергии ветра, приливов и т.д. – остается всего лишь около 13%. Но роль горючих ископаемых в нашей жизни не ограничивается обеспечением энергетических потребностей. Они также являются основным сырьем для промышленного органического синтеза. Из органических веществ нефти, природного газа и каменноугольной смолы производится огромное количество материалов, лекарств, красителей, растворителей, синтетических моющих средств, без которых трудно представить нашу жизнь. Добыча горючих ископаемых, прежде всего нефти и природного газа, на сегодняшний день – основа экономического благополучия многих стран, в том числе и России.

Поэтому необходимо дать представление о составе, свойствах и значении в нашей жизни природного газа, нефти и нефтепродуктов не только старшеклассникам, но и учащимся основной школы в ходе изучения ими курса химии.

Как показывает опыт, даже хорошо знающие химию учащиеся, которые уверенно отвечают на вопрос о промышленном получении тех или иных органических веществ, часто затрудняются с ответом, откуда берется исходное сырье. Тот факт, что, например, резину, полиэтилен или синтетические моющие средства получают из нефти, вызывает удивление. Чтобы усилить практическую направленность обучения, надо уделять внимание не надуманным цепочкам превращений, показывающим «генетическую связь» органических веществ, а реально осуществляемым в промышленности превращениям, прослеживающим происхождение тех или иных веществ.

Кроме того, эта тема открывает широкие возможности для создания межпредметных связей.
На объединенном уроке по химии и истории интересно было бы проследить, как добыча горючих ископаемых определила облик XX в., как изменила образ жизни людей, какую сыграла роль в экономике и политике государств. На объединенном уроке химии и географии найти страны, богатые горючими ископаемыми и страны, вынужденные их импортировать, проанализировать роль горючих ископаемых в экономике конкретных стран, а также экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды продуктами сгорания и исчерпаемостью ресурсов. Вместе с учителем физики провести урок, посвященный энергетике, а также разобраться в устройстве двигателя внутреннего сгорания и дизеля и т.д.

Происхождение природных горючих ископаемых

Ответ на вопрос о происхождении каменного угля однозначен и дан еще М.В.Ломоносовым. Многочисленные образцы отпечатков не только листьев, но и целых стволов деревьев неоспоримо свидетельствуют о том, что уголь образовался из остатков древних растений. Существует много свидетельств в пользу органического происхождения природных источников углеводородов. Известно, что смесь газов, подобная по составу природному газу, образуется при разложении без доступа воздуха остатков растительных и останков животных организмов. Подходящие условия для этого создаются, например, на болотах. Пузыри болотного газа, который состоит в основном из метана, поднимаются на поверхность болота и шумно лопаются.

Но в то же время основной углеводород, составляющий природный газ, метан распространен не только на Земле. Он обнаружен в атмосфере других планет Солнечной системы: Сатурна, Юпитера, Урана и Нептуна, а также в облаках космической пыли и газа. Очевидно, что происхождение инопланетных углеводородов не связано с существованием жизни, стало быть, весьма возможно существование абиогенных углеводородов и на Земле. Об этом свидетельствует, например, выделение метана в рифтовых* зонах срединно-океанических хребтов.

Приверженцы двух гипотез, объясняющих возникновение источников углеводородов, – органической и неорганической – спорят уже почти полтора века. Предположение о неорганическом происхождении нефти выдвинул в 1876 г. Д.И.Менделеев. Он считал, что вода, попадающая в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре, под действием высоких температур и давлений реагирует с карбидом железа, образуя углеводороды, которые поднимаются по трещинам породы, скапливаясь в пустотах-ловушках. Эта гипотеза детально разработана советскими геологами под руководством Н.А.Кудрявцева в 1950-е гг. В качестве основного аргумента приводится тот факт, что многие месторождения нефти и газа находятся под зонами глубинных разломов земной коры. Встречаются залежи нефти в вулканических породах, что также свидетельствует в пользу ее абиотического происхождения. Более того, следы нефти найдены в кимберлитовых трубках, в которых под действием высоких температур и давлений произошел природный синтез алмазов.

Сторонники биогенной теории происхождения нефти, основы которой в нашей стране заложили академики В.И.Вернадский и И.М.Губкин, объясняют эти геологические факты миграцией нефти из смежных осадочных пород. Согласно этой теории нефть образовалась из остатков наземной растительности, которые сносились реками в водоемы, и морского зоо- и фитопланктона. Один из существенных доводов в пользу этой точки зрения – наличие в составе нефти спор и пыльцы растений, а также азотсодержащих органических соединений порфиринов, весьма вероятно, ведущих свое происхождение из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Вопрос о происхождении нефти имеет не только теоретическое значение. Он прямо связан с проблемой исчерпаемости ресурсов природных источников углеводородов. Согласно биогенной теории запасы нефти образовались в ранние геологические эпохи, и сейчас, сжигая углеводородное топливо, человечество необратимо тратит ту энергию, которую запасли доисторические живые организмы. Если же нефть постоянно образуется в глубинах Земли, то бурение глубоких и сверхглубоких скважин позволит найти практически неисчерпаемые запасы. Окончательное решение этого вопроса ученым еще предстоит найти, хотя на сегодняшний день все-таки наиболее доказанной считается теория биогенного происхождения нефти.

Состав природного газа и нефти

Прежде всего следует отметить, что состав природных горючих ископаемых сильно варьируется в зависимости от месторождения. Основной компонент природного газа – метан (до 95% по объему). Кроме метана в природном газе содержатся другие алканы – этан, небольшое количество пропана и бутанов, а также неорганические примеси – углекислый газ, азот, инертные газы. Природный газ некоторых месторождений содержит примеси соединений серы – сероводород и меркаптаны.

Предельные углеводороды-газы не имеют ни цвета, ни запаха. Однако природный газ бытового назначения обладает характерным неприятным запахом, потому что в него специально добавляют небольшие количества сильно пахнущего меркаптана СН3SH. Смесь природного газа с воздухом взрывоопасна. Когда газ из трубопровода попадает в закрытое помещение, достаточно зажечь спичку, чтобы произошел сильный взрыв. Поэтому важно вовремя обнаружить присутствие газа в воздухе, что проще всего сделать по запаху.

Попутные нефтяные газы, которые выделяются при добыче нефти на газонефтяных месторождениях, по сравнению с природным газом содержат меньше метана. Значительную долю в них составляют более тяжелые углеводороды, содержащие от двух до пяти атомов углерода в молекуле. Пропан-бутановую смесь, полученную из попутных нефтяных газов, в быту можно встретить достаточно часто – этой газовой смесью заполняют баллоны для бытовых газовых плит и зажигалок. К сожалению, большую часть попутных нефтяных газов – ценного топлива и химического сырья – сжигают в факелах прямо в местах нефтедобычи из-за отсутствия технологических возможностей для сбора, транспортировки и переработки газа (более 25% от общей добычи).

Нефть – жидкость очень сложного состава, включающая в себя порядка тысячи различных веществ, большая часть которых – это углеводороды (80–90%) и органические кислород-, азот- и серосодержащие вещества (4–5%). Остальные компоненты нефти включают растворенные в жидкости углеводородные газы, металлорганические соединения, воду, соли (в основном хлориды) и механические примеси породы (глина, песок и т.д.).

Углеводородная часть нефти содержит в основном вещества, относящиеся к трем классам. Это алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды. До сих пор можно встретить устаревшее название алканов – парафиновые углеводороды, которое произошло от латинского словосочетания parum affinus – лишенные сродства, неактивные соединения. А название «нафтены», или «нафтеновые углеводороды», данное циклоалканам В.В.Марковниковым, прямо указывает на их происхождение. Эти углеводороды впервые были выделены именно из нефти. Следует отметить, что в состав нефти входят циклические соединения, содержащие только пять или шесть атомов углерода в цикле. Большая роль в изучении состава нефтей различных месторождений, прежде всего кавказских, химических свойств их компонентов принадлежит российским химикам конца XIX – начала XX в. – Д.И.Менделееву, В.В.Марковникову, М.И.Коновалову, В.Н.Ипатьеву, Н.Д.Зелинскому и др.

Нефтепереработка

В 1840 г. губернатор г. Баку направил в санкт-петербургскую Академию наук несколько бочек с нефтью для изучения ее промышленного использования и получил через некоторое время ответ: «Это вонючее вещество пригодно только для смазки колес у телеги». Ответ характеризовал сотрудников академии с не лучшей стороны – в эти годы уже появлялись первые перегонные заводы в России (на Кавказе) и в Америке. А чуть позже началась настоящая нефтяная лихорадка. На добыче и переработке нефти делались огромные состояния. Дж.Д.Рокфеллер в 1865 г. был владельцем маленького заводика по переработке нефти. Через пять лет он стал миллионером, через десять его состояние составило 100 млн долларов, а к началу ХХ в. он уже был миллиардером.

В XIX в. нефть перегоняли из огромного чана с крышкой – перегонного куба. Основной целью перегонки нефти было получение керосина – углеводородной фракции, перегоняющейся в интервале температур примерно от 180 до 300 °C. Керосин широко применяли как топливо для керосиновых ламп, керогазов и др. Интересно, что более «легкая» фракция, кипящая в интервале температур приблизительно от 50 до 180 °C, долгое время не находила применения. Ее обычно уничтожали сжиганием. Однако с изобретением двигателя внутреннего сгорания именно эта фракция – бензин – оказалась едва ли не самым главным, самым ценным продуктом нефтепереработки.

Современная нефтепереработка – это сложный комплекс производственных процессов, направленный на получение нефтепродуктов, а также сырья для нефтехимии, органического и микробиологического синтеза. До стадии перегонки нефть необходимо очистить от примесей солей и воды, вызывающих коррозию аппаратуры. Для этого сырую нефть смешивают с промывной водой и деэмульгаторами, нагревают и подают в электрообессоливающую установку, в которой под действием электрического поля происходит отделение нефти от воды с растворенными в ней солями.

Процесс разделения нефти на фракции в ректификационных колоннах хорошо известен. Обычно в учебниках приводится рисунок, изображающий схему ректификационной колонны с отходящими из нее бензиновой, керосиновой и т.д. фракциями. Отметим, что состав фракций и интервалы их температур кипения на разных заводах и в разное время могут сильно различаться в зависимости от исходного состава нефти и нужд потребителей. И кроме того, на современном производстве перегонка нефти происходит не в одной, а последовательно в нескольких ректификационных колоннах. Это обусловлено экономическими соображениями (меньше затраты энергии) и необходимостью получить более чистые продукты.

Обычно в первой колонне получают легкий бензин. Оставшаяся нефть идет в следующую колонну, в которой отбирают тяжелый бензин, керосиновую и дизельную фракции, а снизу собирают мазут. Все фракции перегоняют повторно. Бензиновую фракцию освобождают от примеси углеводородных газов, керосиновую и дизельную – от примеси бензина. Мазут идет на котельное топливо или нагретый до 400 °С поступает в вакуумную установку. Его перегоняют при пониженном давлении, разделяя на вакуум-дистиллят, из которого делают смазочные масла, парафин, и гудрон – сырье для производства асфальта и битума.

Для получения высококачественных нефтепродуктов фракции нефти подвергают вторичной переработке. Например, при прямой перегонке нефти выход бензиновой фракции невелик, т.к. основную часть нефти составляют углеводороды с температурами кипения выше 200 °С. Поэтому тяжелые фракции нефти и мазут частично подвергают термическому или каталитическому крекингу, основанному на том, что при сильном нагревании углеводороды становятся неустойчивыми.

В первую очередь разрываются связи между атомами углерода в их молекулах, и образуются углеводороды с меньшей молярной массой. На этом основан метод переработки высококипящих фракций перегонки нефти, который называется термическим крекингом (англ. to crack – колоть, расщеплять). В промышленности термический крекинг проводят, нагревая смесь углеводородов до температуры 500–600 °C. Образуется смесь жидких и газообразных алканов и алкенов, которую разделяют при помощи перегонки.

В настоящее время чаще всего проводят каталитический крекинг (обычно на алюмосиликатах), который протекает при более низких температурах, чем термический (450–480 °С). Кроме того, у этого процесса есть еще одна особенность. Наряду с расщеплением углеводородов при каталитическом крекинге происходит изомеризация углеродного скелета. В результате образуются углеводороды с более разветвленным скелетом.

Для получения ароматических соединений используют процесс каталитического риформинга. Алканы нефтяных фракций при температуре 500 °С и повышенном давлении в присутствии катализатора образуют арены и водород:

Заключительной стадией нефтепереработки является смешивание отдельных компонентов для получения товарных топлив и смазочных масел. Рассмотрим, зачем и какие компоненты нужно смешивать, на примере одного из важнейших нефтепродуктов – бензина.

Бензин: состав, октановое число

Основными компонентами бензина являются углеводороды, содержащие от 5 до 12 атомов углерода в молекуле. Однако состав бензина сильно различается в зависимости от характеристик мотора, для которого он предназначен, завода, на котором он был произведен, и даже климата той страны, в которой он используется.

Известно, что существует бензин разных видов. Для некоторых автомобилей подходит, например, бензин марки А-76, тогда как для других он совсем неприемлем – двигатель начинает работать плохо, мотор стучит. Чем же отличаются разные марки бензина и что обозначают числа, используемые при маркировке бензина?

Дело в том, что смесь углеводородов с воздухом обладает способностью к детонации – самопроизвольному взрыву при сжатии. Взрыв вместо равномерного горения приводит к слишком быстрому выделению газов. Из-за ударов взрывной волны появляется стук в цилиндре, мощность двигателя уменьшается, детали быстро изнашиваются. Понятно, что бензин тем лучше, чем сильнее можно сжать газовоздушную смесь без детонации.

Для характеристики качества бензина разработана октановая шкала. Каждый вид автомобильного топлива характеризуется октановым числом. За ноль принята способность к детонации у н-гептана, который детонирует очень легко. Октановое число относительно устойчивого к детонации 2,2,4-триметилпентана, чаще называемого изооктаном, принято за 100.

По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства, как смесь 92% (по объему) изооктана и 8% гептана. Именно октановое число указывают в маркировке бензина. Чем выше октановое число, тем мощнее может быть двигатель.

Октановое число бензиновой фракции, получаемой непосредственно перегонкой нефти, не превышает 65–70, такой бензин не подходит для современных двигателей. Для повышения октанового числа бензин прямой перегонки смешивают с другими нефтепродуктами, а также добавляют вещества, увеличивающие его детонационную стойкость.

Детонационная стойкость углеводородов зависит от их строения. Более высокие, чем алканы линейного строения, октановые числа имеют разветвленные алканы, а также алкены и ароматические углеводороды. Поэтому к бензину прямой перегонки добавляют продукты каталитического крекинга, в которых высока доля разветвленных углеводородов и алкенов, а также продукты риформинга, содержащие ароматические соединения.

Более дешевый и легкий путь увеличения октанового числа состоит в добавлении к бензину некоторых веществ, изменяющих характер горения топлива. Так, детонационную стойкость бензина увеличивают небольшие количества тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4. Такой бензин называют этилированным. Однако при его использовании в окружающую среду из выхлопных газов попадают чрезвычайно вредные для нее и здоровья человека соединения свинца. Во многих странах и большинстве городов России использование этилированного бензина запрещено.

В качестве альтернативы тетраэтилсвинцу производители моторного топлива используют добавки железо- или марганецорганических соединений, толуола. Однако это не лучшее решение. Твердые продукты сгорания металлорганических соединений загрязняют двигатель и системы каталитической очистки выхлопных газов, приводят к преждевременному выводу их из строя. А толуол можно применять в небольших количествах, т.к. содержание ароматических соединений в бензинах ограничивается законодательством многих стран из-за канцерогенности.

В настоящее время в мире широко распространены антидетонационные кислородсодержащие добавки к моторному топливу, такие, как метилтретбутиловый эфир, этилтретбутиловый эфир, метанол и этанол. При сгорании топлива с этими добавками в выхлопных газах не появляется никаких дополнительных загрязнений и, более того, образуется значительно меньше оксида углерода(II) по сравнению с обычным бензином. Поэтому в некоторых штатах Америки, например в Южной Калифорнии, законодательно установлено, что бензин должен содержать не менее 2% кислорода по массе. Смесь бензина и этилового спирта в США имеет специальное название – газохол (от gasoline – бензин и alcohol – спирт). А наиболее широко применение этанола в качестве топлива распространено в Бразилии, где это экономически оправдано наличием большого количества дешевого растительного сырья – отходов переработки сахарного тростника. Кстати, октановое число этилового спирта значительно больше 100, правда, его теплотворная способность несколько ниже, чем у углеводородных смесей. К сожалению, в России пока применение кислородсодержащих добавок распространено мало.

Регулируется в бензине и содержание летучих компонентов – прежде всего растворенного в нем бутана. Чем холоднее, тем больше должен бензин содержать летучих компонентов, чтобы легче заводился двигатель. А в жару наоборот: количество легколетучих компонентов бензина должно быть минимально – чем больше испарение, тем больше потери бензина при переливании, заправке и т.п. и тем больше пожароопасность. Поэтому состав бензина зависит и от климата, и от времени года.

А еще в состав бензина в небольшом количестве могут входить вещества специального назначения. Это, например, антиоксиданты, замедляющие процесс окисления алкенов бензина, или ингибиторы коррозии, вызываемой водой, содержащейся в топливе или конденсирующейся из воздуха в баке, и антиобледенители.

Нефтехимия

Создание первых нефтехимических производств было связано с необходимостью найти применение побочным продуктам термического крекинга – этилену и пропилену. В 1920 г. компания «Стандарт Ойл» стала производить из пропилена первый нефтехимический продукт – растворитель изопропиловый спирт, а из этилена – 1,2-дихлорэтан, нашедший широкое применение как растворитель для химической чистки, и этиленгликоль (1,2-этандиол), который до сих пор используется как антифриз. В настоящее время потребность промышленности в алкенах настолько велика, что для получения этилена и пропена специально проводят крекинг фракций нефти при более высоких температурах (около 700 °С). Получают алкены и каталитическим дегидрированием.

Основная часть алкенов в настоящее время идет на производство полимеров. Большое количество этилена перерабатывается в винилхлорид, мономер синтеза поливинилхлорида. Из бутановой фракции перегонки нефти получают бутадиен, используемый для производства резины. Каталитическое окисление бутана в настоящее время является основным методом получения уксусной кислоты.

Фракции нефти, в состав молекул которых входит от 12 до 16 атомов углерода, подвергают каталитическому окислению. Например, из гексадекана С16Н34 можно получить спирт состава С16Н33ОН:

16Н34 + О2 16Н33ОН.

Из образующихся высших спиртов получают поверхностно-активные алкилсульфаты, которые входят в состав многих синтетических моющих средств. Таким образом, стиральные порошки фактически делают из нефти.

Другими многотоннажными продуктами нефтехимии являются ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилолы, стирол. Арены применяются в качестве растворителей, а также в качестве исходных веществ в органическом синтезе. Из стирола получают один из самых распространенных в быту полимеров – полистирол.

Несколько слов о промышленной химической переработке природного газа. Реакция пиролиза метана – разложение без доступа воздуха при 1500 °С – источник не только водорода, но и сажи для резиновой отрасли промышленности. Пиролиз, проведенный в несколько измененных условиях (газ подвергается действию высоких температур в течение очень короткого времени), позволяет выделить промежуточные продукты разложения. Это основной метод получения ацетилена.

Процесс взаимодействия при высоких температурах углеводородов с водяным паром – конверсия – в зависимости от целей протекает в разных условиях. Если конверсию природного газа проводят для получения водорода, то используют избыток водяного пара:

2СH4 + O2 + 2H2O 2CO2 + 6H2.

Углекислый газ отделяют, растворяя его в воде под давлением.

Иногда реакцию конверсии проводят на катализаторе при недостатке водяного пара:

CH4 + H2O CO + 3H2.

Смесь оксида углерода(II) и водорода – синтез-газ – не разделяют, а используют для получения из нее разных органических веществ. В зависимости от условий (температура, давление, катализаторы) оксид углерода(II) и водород реагируют по-разному. Из синтез-газа получают целый спектр органических веществ, самым многотоннажным из которых является метанол.

В результате разнообразных химических процессов основные продукты нефтехимии превращаются в широкий ассортимент пластмасс, синтетических волокон, синтетических моющих средств, растворителей, красителей, лекарств и т.п. Часто эти процессы многостадийны и требуют значительных энергозатрат. Большинство промышленных химических реакций проводится в присутствии катализаторов.

Следует отметить, что в настоящее время на химическую переработку идет около 10% добываемой нефти. Все остальное используется как топливо. В связи с этим обычно приводят слова Менделеева: «Топить нефтью – топить ассигнациями». Менделееву приписывают не совсем то, что он имел в виду, – фраза, конечно, не имела отношения к важности развития нефтехимических производств. Эти слова сказаны в связи с сжиганием легкой бензиновой фракции. Но, к сожалению, по бережливости в обращении с углеводородным сырьем мы ушли не намного дальше. Достаточно вспомнить факелы попутных нефтяных газов в районах нефтедобычи и факелы над нефтеперерабатывающими заводами. Напрасно сжигая нефтепродукты, человечество приближает момент их исчерпания. По прогнозам, нефти в мире должно хватить на 40 лет, газа – на 60, запасы природного угля побольше, но тоже рано или поздно исчерпаются. Кроме того, сжигание углеводородного сырья приводит к печальным экологическим последствиям: от смога на улицах городов до увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, которое, по мнению некоторых ученых, может привести к глобальному изменению климата на планете.

В настоящее время в мире все большее внимание уделяется решению экологических проблем, связанных с энергетикой. В рамках данной статьи невозможно не только обсудить, но даже перечислить все направления. Кратко обратим внимание читателя лишь на некоторые из них.

Расширяется использование возобновляемых источников энергии. Например, в странах Европы с каждым годом все больше используют энергию ветра: ветряки стоят в горах, на побережье, на любом открытом месте.

Все шире применяются установки для производства из органических отходов биогаза, состоящего на 50–70% из метана. Горючий газ, образующийся при разложении органических отходов ферм, птицефабрик, бытовых отходов на свалках, представляет серьезную опасность. А при этом известно, что ферментативная переработка отходов превращает их в ценное удобрение и полностью обеспечивает энергетические потребности фермы. При необходимости углеводородное топливо можно получить из других углеродсодержащих источников.

Впервые промышленный метод получения смеси углеводородов из оксида углерода(II) и водорода – синтез Фишера–Тропша – был разработан в Германии в 1920-е гг. Оксид углерода получали из бурого угля.

nCO + (2n + 1)H2 CnH2n+2 + nH2O.

Установки по получению искусственного бензина действовали в Германии до конца Второй мировой войны. После войны, когда Германия получила возможность закупать природную нефть, получение бензина из угля было прекращено. Искусственное производство бензина пока стоит намного дороже, чем получение его из нефти. Но, возможно, в будущем людям придется получать углеводороды подобным способом – запасы угля значительно больше запасов нефти.

Вводятся все более жесткие стандарты на содержание вредных веществ в выхлопах автомобилей, зависящие от конструкции двигателя автомобиля, от наличия каталитического нейтрализатора выхлопных газов и, конечно, от качества бензина. К сожалению, Россия значительно отстает в этом вопросе от европейских стран.

Выхлопные газы автомобилей, которые ездят на природном газе, содержат меньше вредных веществ по сравнению с бензиновым топливом. Кроме того, метан имеет высокое октановое число и теплотворную способность. Недостатком, правда, весьма существенным, является необходимость возить объемный, тяжелый, да к тому же взрывоопасный баллон. Эти же недостатки ограничивают создателей экологически чистого автомобиля, работающего на водороде. Помимо высокой опасности взрыва водород обладает еще и высокой диффузионной способностью и может постепенно проходить через стенки баллона. Видимо, на сегодняшний день пока самым перспективным является автомобильное топливо с кислородсодержащими добавками.

И, конечно, важнейшая экологическая проблема – экономия энергии. Это, с одной стороны, создание менее энергоемких производств, увеличение КПД различных машин и механизмов, создание более эффективных теплоизолирующих материалов. С другой – это воспитание людей. В самом деле, не составляет труда выключить напрасно горящую лампочку или электроприбор. Люди просто не знают, что некоторые модели телевизоров, видео- и стереосистем, просто включенные в сеть, в режиме «ожидания» потребляют лишь на 20% меньше энергии, чем при нормальной работе. Если все своевременно будут выключать все телевизоры, видеосистемы и компьютеры, можно предотвратить выброс в атмосферу такого количества парниковых газов, сколько дают два города средней величины.

Нужно объяснять людям, и прежде всего детям, важность такой бережливости для сохранения окружающей среды, сделать так, чтобы быть экономным стало модно, хотя, к сожалению, реклама навязывает нам обратное. И многое для этого можете сделать именно вы, дорогие учителя.

Вопросы и задания

1. Почему в состав нефти практически не входят алкены, алкины и малые циклы?

Ответ. Перечисленные углеводороды – значительно более реакционноспособны, чем углеводороды, содержащиеся в нефти. Они плохо хранятся даже в течение нескольких лет – в реактивы-алкены, выпускаемые химической отраслью промышленности, добавляют специальные вещества-стабилизаторы, чтобы предотвратить их полимеризацию и окисление. Что же говорить про нефть, залежи которой существуют геологические отрезки времени. Конечно, данные углеводороды, даже если бы и содержались в нефти, давно превратились бы в менее реакционноспособные вещества (в условиях, при которых залегает нефть, вероятнее всего, полимеризовались).

2. Может ли октановое число топлива быть больше 100 или меньше 0?

Ответ. Да. При определении октанового числа за 0 принята способность к детонации чистого гептана, а за 100 – изооктана. Но устойчивость топлива к детонации может быть меньше, чем у гептана и, что более важно, больше, чем у изооктана. В таком случае октановое число такого топлива будет меньше 0 или соответственно больше 100, как, например, у этанола и метанола.

3. Предложите способ получения из природного сырья фенолформальдегидной смолы.

Ответ. Для синтеза фенолформальдегидной смолы необходимы фенол и формальдегид. Сырьем для получения формальдегида может служить природный газ. Взаимодействием метана с водяным паром получают смесь СО и водорода – синтез-газ, большие количества которого идут на синтез метанола. Каталитическим окислением метанола синтезируют формальдегид.

CH4 + H2O CO + 3H2,

СО + 2Н2 СН3ОН,

СН3ОН Н2С=О + Н2.

Получить фенол можно разными способами, исходя из бензола, который содержится в нефти или каменноугольной смоле, а также производится в процессе ароматизации фракций нефтеперегонки. Приведем, например, кумольный метод:

Поликонденсацией фенола с формальдегидом получаем фенолформальдегидную смолу:

4. Как из природного сырья получить жаропонижающее и обезболивающее средство – ацетилсалициловую кислоту?

Ответ. Ацетилсалициловую кислоту получают взаимодействием салициловой кислоты с уксусным ангидридом:

Салициловую кислоту можно синтезировать взаимодействием фенолята натрия, полученного из фенола, с углекислым газом:

(Получение фенола – см. задание 3.)

Уксусный ангидрид образуется при нагревании уксусной кислоты с водоотнимающими средствами. А уксусную кислоту можно синтезировать разными способами: окислением этанола (полученного или из растительного сырья брожением или из продукта крекинга фракций нефти – этилена) или прямым каталитическим окислением бутана, содержащегося в попутных нефтяных газах.

С6Н12О6 2Н5ОН + 2СО2,

С2Н5ОН CH3COOH,

2CH3COOH + P2O5 (CH3CO)2O + 2HPO3.

5. Предложите способ получения антимикробного препарата стрептоцида из доступного сырья.


стрептоцид

Ответ. Для синтеза стрептоцида можно предложить цепочку превращений, исходным сырьем в которой служит толуол (содержится в каменноугольной смоле):

6. Как из природного сырья получить водорастворимый полимер поливинилового спирта?

Ответ. Виниловый спирт СН2=СН–ОН неустойчив, в чистом виде его выделить нельзя. Поэтому проводят полимеризацию эфира винилацетата СН2=СН–О(О)С–СН3. Винилацетат можно получить присоединением уксусной кислоты к ацетилену. (Получение уксусной кислоты из доступного сырья – см. задание 4.) Ацетилен получают из природного газа:

Поливиниловый спирт образуется при щелочном гидролизе поливинилацетата:

ЛИТЕРАТУРА

Бердоносов С.С., Менделеева Е.А. Химия. Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 2003, 224 с.; Бердоносов С.С., Менделеева Е.А., Коробкова М.Н. Химия. Методические рекомендации: 8–9 классы. Пособие для учителей. М.: Просвещение, 2004, 191 с.; Химическая энциклопедия. М.: Большая Советская энциклопедия, 1988–1990; Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. М.: Аванта+, 2000, 640 с.; Цыркин Е.Б., Олегов С.Н. О нефти и газе без формул.
Л.: Химия, 1989, 160 с.; Хаин В.Е. Нефть: условия залегания в природе и происхождение. Соросовский образовательный журнал, 2001, т. 7, № 7; Куров Б. В XXI век на экологически чистом автомобиле. Наука и жизнь, 1999, № 8; Бусаров В. Успех поиска путей (концепция перехода к УР в области энергетической политики). Зеленый мир, 1999, № 16–17; Медоуз Д.Ч., Медоуз Д.Л. За пределами роста. М.: Прогресс, 1994, 304 с.


* Рифтовые впадины связаны с разломом земной коры.