ТЕМА УРОКУ: "Нафта. Склад, властивості нафти.
Продукти перегонки наф­ти, їх застосування. Дето­наційна стійкість бензин"

 

МЕТА УРОКУ: З'ясувати склад і властивості одного з природних джерел орга­нічних речовин — нафти. Ознайомити з основними процесами добування з нафти органічних речовин, необхідних у різних галузях промисловості. Ознайомити з продуктами перегонки нафти, показати їхні від­мінні ознаки, галузі застосування. Дати уявлення про детона­ційну стійкість бензину

ХІД УРОКУ

I.Організація класу.

Перевірка присутності і готовності учнів до уроку. Відповіді на запитання учнів.

II.Мотивація уроку.

В курсі хімії 11 класу ми будемо продовжувати вивчення курсу органічної хімії і зупинимось на природних джерелах вуглеводнів та їх переробці.

 Основи вчення про нафту були закладені російськими й продовжені надалі радянськими вченими. Так, Д. І. Менделєєв уперше звернув увагу на те, що нафта є найважливішим джерелом хімічної сировини, а не лише паливом. Він присвятив ряд робіт походженню й раціональній переробці нафти. Йому належить відомий вислів: «Нафта — не паливо, опалювати можна й асигнаціями»

— Що мав на увазі великий хімік?

(Целюлоза асигнацій — поновлюване і менш коштовне джерело сировини, ніж нафта.)

III.Повідомлення теми, мети уроку.

Тема фіксується на дошці, мету учні записують в зошитах у вигляді плану.

IV.Актуалізація знань учнів.

Перевірка домашнього завдання.

1.      Знаючи приблизний склад природного і супутного газів, при­пустіть, які ще продукти можуть утворитися при спалюванні цих газів. Напишіть рівняння відповідних реакцій.

2.      Природний газ одного з родовищ складається з 85 % метану, 8 % етану, 2 % пропану, 2 % азоту і 3 % карбон (IV) оксиду. (Склад даний в об'ємних частках). Обчисліть, скільки повіт­ря (м3) необхідно для спалювання цього газу об'ємом 2 мл (н.у.)? Об'ємну частку кисню в повітрі прийняти рівною 21 %

Бесіда.

1.      Перелічіть джерела природних вуглеводнів?

2.      Чи можна використовувати не перероблену, сиру нафту?

3.      Як ви вважаєте, чи вигідно переробляти і продавати продукти переробки нафти чи краще торгувати сирою нафтою?

4.      Припустіть, які продукти можна одержати, переробляючи нафту?

2.3. Письмова самостійна робота.

I варіант

1.   Складіть структурні формули 5 ізомерів гептану і назвіть їх.

2.   Обчисліть масові частки елементів у молекулі бутану.

II варіант

1.   Складіть структурні формули 5 ізомерів октану і назвіть їх.

2.   Обчисліть масові частки елементів у молекулі пропану.

V.Вивчення нового матеріалу.

1. СКЛАД І ВИДИ НАФТИ.

Нафта – масляниста рідина темно-бурого або майже чорного кольо­ру з характерним запахом. Вона легша за воду (густина 0,73– 0,97 г/см³), у воді практично нерозчинна.

За складом нафта – складна суміш вуглеводнів різної молекуляр­ної маси, головним чином рідких (в них розчинені тверді і газоподібні вуглеводні). Звичайно ці вуглеводні парафінові, ароматичні, циклоалкани, співвідношення яких в нафтах різних родовищ змінюється в широких межах. Крім вуглеводнів, нафта містить оксиген-, сульфур- і нітрогенвмісні органічні сполуки.

Залежно від переважного вмісту вуглеводнів того чи іншого класу в нафтовій фракції з температурою кипіння 250–300 °С poзpiзняють такі основні види нафти:

1) метанова нафта, яка складається переважно з нерозгалужений алканів;

2) нафтенова нафта, яка складається в основному з циклічних неароматичних вуглеводнів – циклоалканів, або нафтенів;

3) змішана нафта, яка включає суміш алканів, нафтенів і ароматичні них вуглеводнів. Змішана нафта зустрічається найчастіше.

Іноді нафту класифікують за фізичними властивостями, наприклад на легку нафту густиною меншою 0,9 г/мл і важку наф­ту. Усі види нафти мають домішки нітроген- і сульфурвмісних органічних сполук.

Існує кілька теорій походження нафти.

Органічна теорія.

Дуже ймовірно, що нафта утворилася із залишків морських організмів і рослин, що осідали протягом мільйонів років на мор­ське дно. Неорганічні речовини служили каталізаторами гниття, яке викликалося анаеробними бактеріями (тобто тими, що жили без доступу повітря). При тектонічних зрушеннях донні органічні шари опинилися в товщі. Землі, де на них діяли тиск земної кори і теплота внутрішніх шарів Землі. Донні шари перетворювалися в такий спосіб на суміші вуглеводнів; рідка нафта накопичувалася у вигляді нафтоносних шарів над непроникними для неї гірськими породами.

Неорганічна теорія

Згідно з неорганічною теорією, автором якої є Д. І. Менделєєв, нафта могла утворитися з карбідів металів, що знаходяться в над­рах Землі, і води, яка просочилася туди.

Запропонована також космічна теорія, за якою нафта могла утво­ритися з водню і вуглецю при формуванні нашої планети.

3.         Первинна перегонка нафти, фракції нафти, їхнє застосування

Сиру нафту зазвичай не використовують. Щоб одержати з видобутої нафти потрібні речовини, її слід піддати переробці після видалення механічних домішок.

Первинна переробка нафти полягає в її перегонці. Перегонка — це фізичний метод розподілу нафти на її складові, що заснований на різних температурах кипіння фракції.

Перегонку здій­снюють на нафтопереробних заводах після відділення з нафти супутних газів.

Перегонку нафти здійснюють в установці, що складається із трубчастої печі й ректифікаційної колони. По трубопроводу подається нафта, де вона нагрівається до температури 320–350 °C і у вигляді суміші рідини й випарів надходить у колону. Усередині колона має горизонтальні перегородки з отворами (так звані тарілки). Випари нафти подаються в колону через отвори і піднімаються нагору. При цьому вони поступово охолоджуються й скраплюються. Менш леткі виходять на перших тарілках, більш леткі піднімаються вище.

Демонстрація. Модель нафтопереробної установки.

У процесі перегонки нафти одержують світлі нафтопроду­кти: бензин (t_кип від 40 до 150–200 °С), лігроїн (t_кип 120–240 °С), гас (t_кип 150–300 °С), газойль – солярове масло (t_кип вища 300 °С), а в залишку – в'язку чорну рідину – мазут.

Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під змен­шеним тиском (щоб попередити розкладання) і виділяють мастила: веретенне, машинне, циліндрове та ін. З мазуту деяких сортів наф­ти виділяють вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгону нази­вають нафтовим пеком або гудроном.

Учні під час пояснення заповнюють у зошитах схему:

Продукти перегонки нафти мають різне застосування.

Бензин у великих кількостях використовують як авіаційне й автомобільне пальне. Він складається звичайно з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від 5 до 9 атомів Карбону.

Лігроїн служить пальним для дизельних двигунів, а також роз­чинником у лакофарбовій промисловості. Велику кількість його переробляють на бензин.

Гас застосовують як пальне для реактивних і тракторних двигу­нів, а також для побутових потреб. Він складається з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від 9 до 16 атомів Карбону.

Солярове масло використовують як моторне пальне, а мастила — для змащення механізмів.

Вазелін використовують у медицині. Він складається із суміші рідких і твердих вуглеводнів.

Парафін застосовують для одержання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників і олівців, для виго­товлення свічок, гуталіну і т. д. Він складається із суміші твердих вуглеводнів.

Гудрон – нелетка темна маса, після часткового окиснення його застосовують для одержання асфальту.

Мазут, крім переробки на мастила і бензин, використовують як котельне рідке пальне.

Мастила, які виділяються під час перегонки мазуту, називають мінеральними (нафтовими) маслами на відміну від синтетичних масел, які одержують штучно (хоча всі масла є сумішами органічних сполук).

Заповнити таблицю разом з учнями:

Фракції	Склад фракції	t кипіння, °C	Застосування
Газова		—	Паливо
Бензин		40–200	Пальне для автомобільних і авіаційних двигунів
Лігроїн		120–240	Пальне для дизельних двигунів, розчинник лаків та фарб
Гас		150–310	Пальне для реактивних двигунів, побутове пальне
Газойль	C18 і вище	250–275	Дизельне паливо
Мазут	Залишок після перегонки		Сировина для одержання мастил рідке котельне паливо

Залишок після перегонки (мазут) також піддають вакуумній перегонці (при зниженому тиску) і одержують: солярні масла (дизельне паливо), мастила (машинні, циліндрові), частина, що залишилася — гудрон. Недолік процесу первинної перегонки нафти — малий вихід бензину (20 %).

3. ВТОРИННА ПЕРЕРОБКА НАФТИ: КРЕКІНГ І РИФОРМІНГ.

При вторинних методах переробки нафти відбувається зміна струк­тури вуглеводнів, що входять до її складу. Серед цих методів велике значення має крекінг (розщеплення) вуглеводнів нафти, який про­водять для підвищення виходу бензину. Крекінг — це високотемпературна переробка нафтових фракцій з метою одержання більш ни­зькомолекулярних продуктів. Застосовують два основних види кре­кінгу: термічний і каталітичний.

Термічний крекінг здійснюється тільки під впливом високої тем­ператури. Залежно від температури розрізняють такі види терміч­ного крекінгу.

1. Низькотемпературний піроліз, який застосовують для перероб­ки висококиплячих фракцій нафти:

Масла, що утворюються в цьому процесі, використовують як сировину для каталітичного крекінгу.

2. Піроліз при помірних температурах.

Одержану суміш вуглеводнів розділяють шляхом перегонки при низьких температурах і тисках.

3. Високотемпературний піроліз застосовують для одержання низь­комолекулярних ненасичених вуглеводнів, насамперед ацетилену при 2000 °С.

Каталітичний крекінг проводиться при більш низьких темпера­турах з використанням каталізаторів. Він застосовується в основно­му для одержання високооктанових бензинів. Спеціально підібрані каталізатори забезпечують ізомеризацію і циклізацію вуглеводнів, унаслідок чого підвищується їх октанове число (04). Як такі каталізатори використовують алюмосилікати складу тА1₂О₃ · nSiO₂, а та­кож цеоліти:

Каталізатор швидко дезактивується вугільним порошком (сажею), який осаджується на ньому, і його доводиться часто змінювати або очищати.

Варіантом каталітичного крекінгу є гідрокрекінг, який проводиться із застосуванням водню. Цей спосіб використовують для переробки висококиплячих фракцій нафти:

Каталізаторами служать суміші NiO + WO₃ або СоО + МоО₃, на­несені на цеоліти або аморфні алюмосилікати.

Риформінг – каталітична переробка бензинових фракцій прямої перегонки нафти за допомогою водню під тиском з використанням каталізаторів. Застосовується головним чином для одержання високооктанового моторного пального. Крім того, за допомогою риформінгу виділя­ють бензол та інші арени.

Як каталізатор використовують платину з добавкою ренію або суміш оксидів МоО₃, СоО і Сr₂О₃, нанесених на Аl₂О₃ або алюмоси­лікати; ці каталізатори сприяють протіканню реакцій дегідруван­ня, гідрування й ізомеризації.

4. ОКТАНОВЕ ЧИСЛО

Важливою характеристикою пального (бензину, гасу) для двигу­нів внутрішнього згоряння є його октанове число (ОЧ). Детонація пального в моторах пояснюється нерівномірністю процесу його зго­ряння і залежить від якості бензину. Мірою детонаційної стійкості пального і служить ОЧ; воно чисельно дорівнює вмісту (в об'єм­них %) ізооктану (ОЧ = 100) в його еталонній суміші з н-гептаном (ОЧ = 0), при якому ця суміш має однакові, антидетонаційні влас­тивості з пальним, яке випробовують. Найменше ОЧ мають нормальні алкани; ОЧ зростає при переході від алканів до алкенів, циклоалканів та ізоалканів, найбільшими значеннями ОЧ характеризуються арени, наприклад:

VI.Закріплення знань учнів.

Бесіда.

1)             Які види нафти ви знаєте? Чим вони відрізняються?

2)    Які теорії походження нафти ви знаєте? Яку з них ви вважаєте найбільш правильною?

3)             Чому нафту називають «чорним золотом»?

4)             Назвіть види переробки нафти.

5)    Чим бензин прямої перегонки відрізняється від крекінг-бензину? Бензин термічного крекінгу від бензину каталітичного крекінгу?

6)             Що таке риформінг і навіщо його застосовують?

7)    Якому виду одержання бензину ви б віддали перевагу задля свого автомобіля? Чому?

8)             Що таке «октанове число»?

Фронтальне опитування.

1. Що таке нафта?

2. Які теорії походження нафти ви знаєте? Яку з них ви вважаєте найбільш правильною?

3. Чому нафту називають «чорним золотом»?

4. На яких властивостях нафти заснована первинна перегонка нафти?

5. Які продукти одержують при прямій перегонці нафти? Де їх використовують?

 Робота з текстом.

Учні працюють із запропонованим текстом, відзначаючи, що було їм відомо, про що нове вони довідалися, що залишилося незрозумілим й вимагає додаткового пояснення.

Теорії походження нафти

Дуже ймовірно, що нафта утворилася із залишків морських організмів і рослин, що осідали протягом мільйонів років на морське дно. Неорганічні речовини були каталізаторами гниття, що було викликано анаеробними бактеріями (бактеріями, що живуть без доступу повітря). При тектонічних порушеннях донні органічні шари опинялися в товщі Землі, де на них впливали тиск земної кори й високі температури внутрішніх шарів Землі. У такий спосіб донні шари перетворювалися на суміш вуглеводнів. Рідка нафта накопичувалася у вигляді нафтоносних шарів, які утримувалися під поверхнею Землі верхніми шарами літосфери.

Окрім цієї — органічної теорії — можна назвати неорганічну теорію походження нафти, автором якої є Д. І. Менделєєв. Відповідно до цієї теорії, нафта могла утворитися з карбідів металів, що знаходяться у надрах Землі, і прониклої туди води. Існує також космічна теорія, за якої нафта могла утворитися з Гідрогену й Карбону одночасно з формуванням нашої планети.

Застосування нафти

У зв’язку зі швидким розвитком хімічної й нафтохімічної промисловості, потреба в нафті збільшується не тільки з метою підвищення вироблення палива і мастил, але і як джерела коштовної сировини для виробництва синтетичних каучуків і волокон, пластмас, ПАР, мийних засобів, пластифікаторів, присадок, барвників та ін. Серед одержаних із нафти речовин найбільше застосування одержали парафінові вуглеводні (метан, етан, пропан, бутани, пентани, гексани), високомолекулярні (10–20 атомів Карбону в молекулі), нафтенові, ароматичні вуглеводні (бензол, толуол, ксилол, етилбензол), олефінові й диолефінові (етен, пропен, бутадієн); етин. Нафта є унікальною речовиною завдяки найякіснішого вугілля), нафту легко транспортувати (у порівнянні з газом або вугіллям), з нафти легко одержати багато корисних речовин. Виснаження ресурсів нафти, зростання її ціни та інші чинники спричинили інтенсивний пошук замінників цього рідкого палива.

 «Нафтова чума»

«Нафтова чума» з’явилася не сьогодні й не раптово. Ще в 1922 році у Великобританії була прийнята постанова, що забороняла злив нафти в її територіальні води. Надалі укладалися міжнародні угоди, проводилися міжнародні наради, створювалися ради й комітети з боротьби з нафтовим забрудненням морів. Але остаточного рішення проблеми поки ще немає. Щорічно у Світовий океан із тих або інших причин скидається від 2 до 10 млн т нафти. Супутниками зафіксовано, що вже майже 30 % поверхні океану вкрито нафтовою плівкою. Особливо забруднені води Середземного моря, Атлантичного океану та їхні береги.

Джерел надходження нафти в моря й океани багато: це скидання очисних вод, принесення забруднюючих компонентів річками. У наш час із кожних 10 т нафти, що видобувають у морі, 7–8 тонн транспортується до місця споживання морським шляхами. Майже щороку трапляються великі катастрофи. В 1967 р. сталася аварія супертанкера «Торуй Каньйон» біля берегів Західної Європи. У море потрапило 120 тис. т нафти. Величезна нафтова пляма спотворила води й береги Франції та Англії. Загинуло 50 тис. водоплавних птахів, тобто 90 % морських птахів цих районів.

Якщо перераховувати всі аварії, що відбулися за останні роки, вийде величезний список. Лише 1 літр нафти, що потрапила у воду, позбавляє кисню 40 тис. літрів морської води.

1 т нафти забруднює 12 км2 поверхні океану. Ікринки багатьох риб розвиваються в приповерхньому шарі води. Небезпека нафти тут є особливо великою. На 1 гектарі морської поверхні може загинути більше 100 млн риб, якщо її вкриває нафтова плівка. Молюски накопичують канцерогенні речовини, що одержують з нафти. Важко перелічити всі лиха, які заподіює «нафтова чума» океану.

VII.Завдання додому.

1.    Опрацювати § підручника.

2.    Підготувати невеликі повідомлення про родовища, застосування, видобуток нафти.

3.    Підготувати реферат на тему „Альтернативні джерела енергії”.

VIII.Підсумок уроку.

Учитель підсумовує роботу учнів на уроці, визначає змістовні і вказує на слабкі відповіді, виставляє оцінки.

 

Додатковий матеріал до уроку

Склад нафти

Елементний склад (%): Карбон 80–88, Гідроген 11,0–14,5, Сульфур 0,01–6 (рідко до 8), Оксиген 0,005–0,7 (рідко до 1,2), Нітроген 0,001–1,8.

Основу технологічної класифікації нафти складає вміст Сульфуру: I клас — малосульфурні, що містять до 0,5 % S; II клас — сульфурні з 0,5–2 % S; III клас — високосульфурні, що містять понад 2 % S.

Усього в нафті виявлено понад 50 хімічних елементів. Так, поряд із згаданими, у нафті присутні V (10-5—10-2), Ni (10-4—10-3), Cl (від слідів до 2.10-2 %) тощо.

Нафта — це суміш, що містить близько 1000 речовин, з яких велика частина — рідкі вуглеводні (понад 500) і гетероатомні органічні сполуки, переважно сірчасті (близько 250), азотисті (понад 30) і кисневі (близько 85); інші компоненти — розчинені вуглеводневі гази, вода, мінеральні солі, механічні домішки (частинки глини, піску, вапняку).

Вуглеводневий склад

У хімічному відношенні нафта — найскладніша суміш вуглеводнів, що підрозділяється на дві групи — важку і легку нафту. Легка нафта містить приблизно на два відсотки менше Карбону, ніж важка, і відповідно, більшу кількість Гідрогену і Оксигену. Головну частину нафти складають три групи вуглеводнів — алкани, нафтени й арени.

Алкани (насичені вуглеводні, парафіни) хімічно найбільш стійкі. Якщо число атомів Карбону в молекулі не більше чотирьох, то за атмосферного тиску алкани будуть газоподібними. При 5–16 атомах Карбону — це рідини, а понад — уже тверді речовини, парафіни.