Что значит для нас нефть?

выглядят очень многообещающей альтернативой нефти и могут  способствовать более эффективному ее использованию. Но, к сожалению, в  обозримом будущем мы будем продолжать сжигать нефть для удовлетворения  наших потребностей в энергии.

 

 

Изменение молекулярных структуры  топлив.

Как только на рубеже 19 и 20 веков  изобрели электрическое освещение, использование керосиновых ламп резко пошло на убыль. В результате в значительном мире отпала нужда  в керосиновой фракции сырой  нефти, которая состоит из углеводородов, имеющих 12-16 атомов углерода.К 1913 был разработан крекинг – процесса разрыва молекул керосиновой фракции, на меньшие по размеры молекулы бензина путем нагрева керосина до 600 – 700⁰С. (напомним, что бензиновая фракция включает углеводороды , состоящие из 5-12 атомов углерода в молекуле.) Например, молекулы из 16 атомов углерода может быть разорвана на 2 молекулы, в каждой из которых по 8 атомов углерода. При такой высокой температуры все 3 углеводорода находятся в газообразном состоянии. На практике сейчас все продукты, содержащую в молекуле от 1 до 14 атомов углерода и (и даже больше), получают при помощи крекинга. Особенно важны используются в качестве бензина углеводороды с 5-12 атомами углерода. Часть продуктов, в молекуле которых содержится 1-4 атома углерода, сжигают прямо на заводах для поддержания высокой температуры. В настоящие время крекингу подвергают до трети всей сырой нефти. Процесс был улучшен добавлением катализаторов, например, оксида алюминия (Al₂O₃). Катализатор повышает скорость реакции, но сам при этом не расходуется. Эффективность каталитического крекинга выше, поскольку он проходит при более низкой температуре (500⁰С вместо обычных 700⁰С). Сорта (и соответственно цены) бензины бывают разные. Быстрее всего сгорает бензин, состоящий из линейных алканов, таких, как гексан (С₆Н₁₄), гептан (С₇Н¹⁶) и октан (С₈Н₁₆). Однако быстрое сгорание «бьют» по двигателю (детонация) и может вывести его из строя. Лучше подходит в качестве моторных топлив разветвленные алканы, особенно разветвленный изомер октана. Относительно недорогой способ повышения качества бензина состоит добавлении в него таких веществ, как тетраэтилсвинец. Это соединение

 

понижает скорость сгорания линейных углеводородов и тем  самым увеличивает октановое  число бензина.                                                       Свинец, входящий в состав этой добавки, при сгорании бензина выделяется вместе с выхлопными газами в атмосферу. Из-за вредного влияния свинца на окружающую среду во многих странах приняты законы, ограничивающие или запрещающие использование тетраэтилсвинца.                                       Еще одно направление улучшение качества топлива - его химическая  модификация. Поскольку разветвленные углеводороды сгорают мягче, был разработан и применяется на нефтеперегонных заводах процесс   изомеризации. Пары углеводородов при этом нагреваются в присутствии катализатора.                                                                                      Разветвленные алканы смешиваются с бензиновой фракцией, получаемой при крекинге, и в результате получается высоко качественный неэтилированный бензин, не содержащий свинца. Как крекинг, так и изомеризация – довольно дорогие процессы, повышающая цену бензина. Приобретаемые полезные свойства, перекрывают этот недостаток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получение из нефти полезных материалов и веществ.

Как архитектор подбирает  имеющиеся строительные материалы  так при проектирование нового задания, так и химик – в известном смысле молекулярный архитектор – используют одни молекулы для конструирования других. Архитектор должен знать структуру и свойства строительных материалов. Точно так же химик должен знать и понимать структуру и свойства веществ – его «строительных материалов».

 

 

Типы молекул, которые  служат «кирпичиками» для построения многих полезных материалов.

Углерод – универсальный  «строительный» материал, поскольку  существует множество способов, которыми он может образовать связи с другими  атомами.                                                                                                               Как объяснить образование химической связи в алкенах, учитывая, что каждый углеродный атом для стабилизации своего внешнего электронного уровня должен использовать 8 электронов? При простой (одинарный) ковалентной связей, как в алкенах, 2 электрона совместно используются двумя соседними атомами (С:С или С-С). При образовании двойной ковалентной связи в совместное пользование вступают 4 электрона (С::С или С=С).                                                                                                              Алкены химически более активны, чем алканы. Их двойные связи участвуют во многих химических реакциях. Соединения с двойными связями называются ненасыщенными, потому что не все углеродные атомы связаны с максимальным числом (четыре) других атомов.                                 Углеводороды – далеко не единственные «молекулярные кирпичики». Часто используются и соединения, содержащие кроме углерода и водорода один или несколько других элементов, например кислород, хлор, серу. Такие структуры можно представить как углеводороды, в которых эти атомы замещают один или несколько атомов водорода.                                         Такая замена очень сильно влияет на реакционную способность. Молекулы, состоящие даже из одних и тех же элементов, могут иметь совершенно различные свойства.

 

Новые горизонты. Химия нефти  и природного газа.

Сейчас трудно представить, что менее полутора столетий назад  все, что использовал человек, получали либо непосредственно из природных  материалов – дерево, камня, либо путем  их не сложенной переработки (металлы, стекло, керамика). Из волокон были только шерсть, хлопок, лен и шелк. Единственными  пластмассами были целлулоид, получаемый из древесины, и щеллак – продукт животного происхождения. Используемые в те времена лекарства и пищевые добавки, такие, как соль, ванилин и шоколад, - все брали непосредственно у природы.                                             В настоящее время многое вокруг нас сделано из синтетических материалов (нефтепродуктов), получаемых из нефти или природного газа. 
Некоторые нефтепродукты, например детергенты, пестициды, лекарства, косметические препараты, используются как таковые, без дополнительной переработки. Большая же часть продуктов нефтяной и газовой химии служит исходными продуктами для получения других синтетических веществ, в особенности полимеров.                                                                        Полимеры, несомненно, занимает центральное место в промышленности 20 века. Полимеры это – красители, ткани, резина, изоляционные материалы. Общее мировое производство получаемых из нефти и газа полимеров  в настоящее время в 5 раз превышается производство алюминия. Около одной трети тканей и 70% резины человечество получает из нефти.                    Алканы не вступают практически не в какие реакции, кроме, пожалуй, горения. Поэтому непосредственно из них трудно синтезировать что-нибудь полезное. В противоположность этому алкены и ароматические соединения играет важную роль в конструировании новых молекул.                        Алкены найдены в сырой нефти и их можно получить из нее при перегонки. Кроме того, они получают при крекинге нефти и их выделяют в качестве побочного продукта на нефтеперерабатывающими заводах. С промышленной точки зрения наиболее важные алкены – этилен и пропен. Ароматические соединения, такие, как бензол и стирол, также получаются при каталитическом крекинге, а также реформинге – подобном крекингу процессе, в результате которого из неразветвленных алканов нефти получаются ароматические соединения.                                                          Эти вещества используются для получения громадного числа продуктов; в нашей книге не хватало бы места, чтобы просто написать уравнения и схемы всех используемых реакций.

 

 

Этилен легко превращается во множество полезных продуктов  из-за высокой реакционной способности  двойной связи. Этанол (этиловый спирт) и полиэтилен – два важнейших  вещества, получаемых в  промышленных масштабах из этилена.                                                                                   Этанол получается путем присоединения молекул воды по двойной связи молекулы этилена. Процесс ускоряется в кислотной среде. В результате присоединение молекулы воды двойная связь исчезает каждый углеродный атом соединяется с четырьмя атомами, а не с тремя, как было ранее. Такая реакция называется реакцией присоединения.                                                    Этанол широко используется как растворитель в парфюмерии, при приготовлении разнообразных настоек, отдушек, лекарств, алкогольных напитков. Используется он и как горючее.                                                Полиэтилен, используемый, например, как упаковочный материал, - один из важнейших представителей класса соединений, называемых полимерами. Полимер – это большая молекула, состоящая из большого числа (500 – 20000 и более) повторяющихся мономерных звеньев. В полиэтилене такой повторяющийся мономерной единицей служит этилен. Синтез молекулы полиэтилена напоминает изготовление цепочки и скрепок для бумаг. В роли скрепки выступает молекула этилена, а изготовление цепочки – это соединение скрепок друг с другом.                                                               Таким образом, мономер – это небольшая молекула, из которой большая молекула полимера. Полимеры, образовавшиеся в результате такой реакции, называются полимерами присоединения.                                                          Если в молекуле этилена один или несколько атомов водорода заменить на какой-либо другой и затем получить полимер, то можно синтезировать вещества самыми разнообразными свойствами. Среди таких полимеров наиболее распространены поливинилхлорид, полиакрилонитрил и полистирол.                                                                                                         При внимательном рассмотрении структуры молекул полимеров становится понятным, почему полимеры и изготовленные из них полимеры обладают столь разнообразными и характерными свойствами. Длинная нитевидная полимерная молекула легко сгибается и скручивается. Множество таких молекул, собранных вместе, переплетаются друг с другом на подобие макарон. В результате получается очень гибкий материал.                Подвижность полимерных молекул может быть усилена в ведении в их состав фрагментов, выступающих в качестве молекулярной смазки. Это пластификаторы. Поливинилхлорид без такой смазки – жесткий материал и

 

используется для изготовления труб и облицовки домов. Если же добавить пластификатор, то из такого поливинилхлорида можно делать плащи и обувь. Жесткость  может быть повышена путем дополнительного  связывания полимерных молекул химическими  связями, которые ограничивают подвижность  молекул относительно друг друга.                                      Прочность и жесткость полимерных материалов увеличиваются, если все их молекулы уложить в одном направлении, как вы это с волосами, когда расчесываете их гребешком. Полимерные цепи при этом вытягивается, а не скручивается в клубок. Полимеры, молекулы которых после некоторой обработки остаются в таком вытянутом состоянии, очень хороши для изготовления пленок и волокон. Хорошая пленка получается из полиэтилена. Из полиакрилонитрила делают волокно для изготовления ткани.                Кроме реакций присоединения, существуют и другие способы синтеза полимеров. Белки, крахмал, целлюлоза нейлона и полиэфиры – все эти полимеры образовались путем потери мономерами молекул воды. Отщепление воды называется конденсацией, а получающиеся при этом полимеры – конденсационными полимерами. Реакции конденсации можно использовать и для получения мелких молекул.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чем можно заменить нефть?

Нефть – невозобновляемое полезное ископаемое – по крайней мере, в масштабах времени существования человека на Земле. Вы уже убедились, насколько важна нефть. Поэтому химики широко исследуют возможности ее замены и в качестве горючего, и как сырья для синтезов.

 

 

 

Альтернативные источники  энергии.

Наш образ жизни сопряжен с использованием больших количеств  энергии. Вклад различных источников энергии существенно менялся  во времени. По мере роста наших энергетических потребностей использовалось все больше источников энергии, но в  основном расходовались невозобновляемое полезные ископаемые. Что же ожидает в будущем все виды топлив, в особенности нефти? 

 

Во-первых, открытие новых  месторождений может смягчить остроту  вопроса. Так, использование морских  месторождений, по-видимому, будет становиться  все более обычным.

 

 

Во-вторых, многообещающей выглядит добыча «твердой нефти»: из нефтеносных  пород и песков. К сожалению, эти  источники весьма дороги из-за того, что недостаточно отработаны технологии. Для получения топлива нужно  переработать громадную массу песка  и других пород. Но все же это очень перспективный источник из-за больших запасов сырья. Например, в скалистых горах США находится так называемый кероген -  не до конца сформировавшаяся нефть. При нагреве этих пород получается продукт очень похожий на сырую нефть. Запасы такого вида топлива, согласно современным оценкам превращает мировые запасы обычной нефти.     Выделение нефти из нефтеносных пород – серьезная проблема главным образом из-за высокой цены получаемых продуктов. Осложняет положение и то, что при переработки угля образуются большие количества загрязненной воды, которую необходимо очищать. Но, конечно, при соответствующем финансировании все эти вопросы можно разрешить. В настоящее время ведутся большие работы в этом направлении. Цена и доступность обычной нефти будут одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность подобных работ. Другая возможная альтернатива нефти – получение жидкого топлива из угля. Запасы угля гораздо больше, чем запасы нефти. Технологии превращения угля жидкое топливо существует уже многие десятилетия. В годы Второй Мировой войны  Германия широко использовала этот вид топлива. Имеются промышленные разработки этого топлива и других странах. В настоящее время добыча угля и превращение его в жидкое топливо обходится значительно дороже такого же кол-ва жидкого топлива из нефти. По мере увеличения стоимости нефти положения, несомненно, будет меняться на обратное.                                                                                               Предлагается также вариант «нефтяных плантаций». Существует более 2000 видов растений семейства молочаев, способных поглощать солнечную энергию и сохранять ее в виде углеводов, а не углеводов.               Бензиновые двигатели автомобилей легко переделать под двойное топливо: бензин или сжатый природный газ. Баллон со сжатым природным газом, в основном метаном, удобно размещается в багажнике автомашины. Одной заправки хватает примерно на 250 миль.  Использование природного газа – экологически относительно чистого топлива одно из стратегических направлений решение проблемы нефтяных ресурсов.                                Кроме этих перечисленных выше вариантов, в настоящие время используется энергия падающей воды, энергия распада атомного ядра,

 

энергия солнца и ветра, геотермальная  энергия и энергия, выделяющая при  сжигании мусора. Все эти виды могут  заменить нефть в стационарных установках. Но к сожалению,  пока что нет реальной замены нефти на транспорте. Мы можем так усовершенствовать наши машины, что они будут потреблять меньше нефти. Мы можем так изменить технологию получения энергии, что станет возможным использования других видов сырья. Но что может заменить нефть в качестве сырья для промышленности?

 

 

Альтернативные источники  сырь для химической промышленности.

Поскольку запасы нефти продолжают уменьшаться, весьма вероятно, что в  недалеком будущем все большая  доля  добываемой нефти будет  направляться на цели синтеза различных  соединений. Тем не менее,и в этом случае необходимо найти какую-то замену нефти, поскольку когда-нибудь ее запасы вовсе истощатся.                                                                 Специалисты и тут обращают свое внимание на угль. Угль – это ведь  почти чистый углерод. Следовательно, для развития химии угля можно использовать все, что мы знаем об этом элементе и его соединениях. В принципе все продукты, получаемые из нефти, могут быть синтезированы из угля. Быстрый переход от нефти к углю как химическому сырью сдерживается необходимостью существенных капиталовложения для ввода в строй новых шахт и карьеров и перерабатывающих заводов. Кроме того, при использовании угля более дороги процессы выделения и отчистки. Сложно и дорого решать вопросы охраны окружающей среды. Следовательно, продукт, полученный в результате переработки угля, будет существенно дороже такого же продукта, полученного из нефтяного сырья. Такого положение будет сохранятся вплоть до существенного истощения запасов нефти.                                                                                                                 Другим доступным источником углерода и водорода является биомасса. Основная ее часть – целлюлоза – главный компонент древесины. Целлюлоза – это полимер, состоящий из повторяющихся остатков глюкозы. Глюкоза относится к классу углеводов и является важной составной частью продуктов питания.

 

 

Углеродный остов целлюлозы  может  быть использован для синтеза  углеводородов. Согласно одному из возможных  вариантов этих целей будут выращиваться быстрорастущие растениях на специальных  фермах. Перспективным источником углерода являются так же и органические отходы, как бытовые, так и промышленные. В настоящее время уже налажено производство этилового спирта из соломы сахарного тростника, остающиеся после  получения сахара.                                                   Достижение биотехнологии позволяют в принципе превратить солнечную энергию, запасенную в биомассе растений, и исходное сырье для химической промышленности. Надо еще учесть, что в настоящее время мы находимся в самом начале развития этой области науки и техники. Тем не менее уже имеются примеры успешного использования ферментов для получения ряда веществ. Сейчас методами биотехнологии в широких масштабах получают шесть важных химических соединений, включая этанол и уксусную кислоту. Они, конечно, сейчас более дороги, чем получаемые  из нефти. Но со времен цена нефти растет, а биотехнологические способы становятся более конкурентоспособными. Весьма вероятно, в недалеком будущем основной большой химии будет нефть, угль и биомассы. Конкретный вклад каждого из источников будет определятся экономической ситуацией в каждой конкретной стране.     Таким образом, мы видим, что в дальнейшем необходимо будет принимать ответственные решения, касающиеся источников энергии и сырья, и что химия способна разрешить возникающие при этом проблемы. В настоящее время, однако, большинство возможных заменителей нефти дороги либо отсутствует развитая технология их переработки. Чтобы неизбежный переход от нефти и газа на другие источники энергии и сырья не изменил наш образ жизни слишком резко, необходимо придерживаться режим экономики, т.е. более эффективно использовать имеющуюся запасы и увеличивать объем вторичного использования. Кроме того, экономия очень важна с экологической точки зрения и поэтому затрагивает интересы всех людей нашей планеты.