P?írodní zdroje uhlovodík? a jejich zpracování - maturitní otázka z chemie

Transkript

1 P?írodní zdroje uhlovodík? a jejich zpracování - maturitní otázka z chemie by jx.mail@centrum.cz - Pond?lí, Únor 09, Otázka: P?írodní zdroje uhlovodík? a jejich zpracování P?edm?t: Chemie P?idal(a): barbel2323 P?írodní zdroje uhlovodík? a jejich zpracování Seminární práce z organické chemie pro DS3 Vypracovala:Kate?ina Kubšová Úvod P?edm?tem této práce je stru?n? nastínit význam p?írodních zdroj? uhlovodíku a jejich zpracování. Budou zkoumány vlivy produkt?, jejich t?žby na životní prost?edí a také význam t?chto fosilních surovin pro lidstvo. Ropa Definice: Ropa, d?íve nazývaná nafta, je hn?dá až?erná olejovitá kapalina s menší hustotou než voda. page 1 / 10

2 Je sm?sí alkan?, cykloalkan? a aren?, jejichž vzájemný pom?r se r?zní podle místa výskytu. N?které ropy obsahují i v?tší množství dusíkatých a sirných látek, které zt?žují jejich chemické zpracování. Vznik a výskyt: Anorganický p?vod ropy Anorganický p?vod ropy p?edpovídal Mend?lejev. Podle n?j vznikla p?sobením p?eh?áté páry na karbidy t?žkých kov? v dobách, kdy se vyskytovaly blízko zemského povrchu. Ve prosp?ch této teorie sv?d?í jednak laboratorní p?íprava pevných, kapalných i plynných uhlovodík? z karbid? uranu, lanthanu i ceru a také neustálý únik metanu ze zemského nitra v n?kterých oblastech. Organický p?vod ropy Organická teorie je uznávána v?tšinou v?dc?, p?edpokládá, že ropa vznikla z prehistorických živo?išných a rostlinných zbytk?, podrobených rozkladu. Ty se vlivem tepla a tlaku p?em?nily nejprve na kerogen, pak na živice a nakonec na ropu a zemní plyn. Ty poté migrovaly podél nerostných vrstev, až byly zachyceny v porézních horninách,?ímž vznikla jejich sou?asná nalezišt?. Ve prosp?ch této teorie sv?d?í zjišt?ní, že mladší ropa se velkou relativní molární hmotností, zvýšeným obsahem kyslíku, síry a dusíku a velkým obsahem asfaltu p?ibližuje p?vodnímu organickému materiálu.?ím je ropa starší, tím je leh?í, obsahuje mén? asfaltu a víc uhlovodík?. Nejv?tší nalezišt? ropy se nacházejí v okolí Perského a Guinejského zálivu, Kaspického mo?e, na Saha?e, v Indonésii a v Severní a St?ední Americe. Doprava ropy se uskute??uje po mo?i v tankerech a po souši ropovody. Zpracování: Ropa i výrobky z ní jsou základním palivem pro dopravu a surovinou pro výrobu plast?. Vyráb?jí se z ní i n?které léky, hnojiva a pesticidy. P?edevším chudší zem? používají ropné produkty také k výrob? elekt?iny (asi 7 % celkové sv?tové produkce). Základem zpracování ropy je její frak?ní destilace, p?i níž jsou odd?leny p?i atmosférickém tlaku jednotlivé skupiny uhlovodík? podle jejich bod? varu. Po ostran?ní vody a hrubých p?ím?sí se ropa page 2 / 10

3 zpracovává kontinuáln? v destila?ních kolonách. P?itom se získávají tyto frakce: uhlovodíkové plyny benzínová frakce (do t.v. 180 C) petrolejová frakce (do t.v. 260 C) plynový olej (do t.v. 400 C) destila?ní zbytek Uhlovodíkové plyny obsahují p?edevším propan a butan a užívají se jako paliva a chemické suroviny. Benzínová frakce má hlavní použití jako palivo do zážehových motor?, ale slouží též jako chemická surovina a jako rozpoušt?dlo. Petrolejová frakce je ur?ena k vytáp?ní, jako palivo pro plynové turbíny a ke krakování. Plynový olej (motorový olej) se též krakuje a používá se jako palivo pro vzn?tové (dieselové) motory. Destila?ní zbytek se nazývá mazut a bu? se používá k topení,nebo se vakuov? destiluje. P?itom se získávají vysokovroucí uhlovodíkové frakce, sloužící jako oleje, a zbývá asfalt,který má stejné použití jako asfalt p?írodní (k úprav? vozovek, k izolaci proti vlhkosti) Význam pro chemický pr?mysl: 95 procent veškerých potravin je p?stováno za p?isp?ní ropy 95 procent dopravy zprost?edkovávají ropné deriváty 95 procent veškerého vyráb?ného zboží pot?ebuje pro svou výrobu ropu na výrobu jednoho typického po?íta?e se spot?ebuje ropa o množství desetinásobku jeho hmotnosti Ropa je surovina, která je prakticky neodmyslitelná u každé masové výroby, p?epravy a p?stování zem?d?lské produkce. Bez herbicid?, pesticid? a hnojiv vyráb?ných z ropy si dnes není možno p?edstavit moderní zem?d?lství a produkci potravin, jak ji dnes známe. Ropa, coby zdroj velmi levné energie, m?la zejména od prvních desetiletí 20. století vliv na architekturu m?st a dopravní infrastrukturu zemí Prvního sv?ta. Urbanistické návrhy m?st s typickými rozsáhlými obytnými p?edm?stími (nejvýrazn?ji vid?nými v USA) braly dostupnost levné transportní energie v podob? ropy do úvahy. Dopad na životní prost?edí: Ropa se v pr?b?hu let stala nezbytnou surovinou pro chod celé civilizace. Její zásoby a obchod s ní však rovn?ž p?ispívaly k r?zným mezinárodním konflikt?m. Používání ropy zp?sobovalo a stále zp?sobuje velmi nebezpe?né a nezodpov?dné zne?iš?ování a poškozování životního prost?edí na celé planet?. Mo?e bývá zne?išt?no ropou v p?ípad??išt?ní ropných tanker? nebo p?i nehodách na vrtných plošinách. Nejhorší katastrofy se staly, když byl poškozen n?jaký obrovský tanker, nebo když se dokonce potopil. Ropné skvrny, které se v d?sledku t?chto katastrof vytvo?ily, vedly k velkému úhynu page 3 / 10

4 mo?ského ptactva a mo?ských živo?ich?. Používání benzínu a nafty vyráb?né z ropy rovn?ž zp?sobuje zna?né zne?išt?ní ovzduší. Výfukové plyny z aut a ostatních motor? spalujících benzín?i naftu, obsahují jedovaté plyny, jako je kysli?ník uhelnatý, nespálené uhlovodíky, kysli?níky dusíku a olova. N?které z t?chto škodlivých látek reagují se slune?ním sv?tlem a vytvá?ejí nep?íjemný fotochemický smog, který visí nad mnoha m?sty. Když se kysli?níky dusíku smísí v mracích s kapkami vody, vzniká kyselý déš?, který zne?iš?uje?eky a jezera a ni?í lesy.v mnoha zemích bylo nutno podniknout kroky ke snížení škodlivých emisí z výfukových plyn? aut.v sou?asné dob? se vyrábí bezolovnatý benzín a auta jsou vybavována katalyzátory, které m?ní škodlivé plyny na minimáln? škodné až neškodné.tato zlepšení jsou však mén? ú?inná, protože spot?eba ropy stále vzr?stá. Zemní plyn Definice: Zemní plyn v?tšinou provází ropu, ale existují i jeho samostatná nalezišt?. Je sm?sí plynných uhlovodík?, v níž p?evažuje metan (75 a více %), provázaný oxidem uhli?itým, dusíkem, vodní parou, pop?. dalšími plynnými p?ím?semi. Pom?r složek v zemním plynu kolísá podle jeho nalezišt?. Zemní plyn se užívá jako palivo (nahrazuje v domácnosti jedovatý svítiplyn) a k výrob? r?zných slou?enin (chlorovaných derivát?, vodíku, kyanovodíku, sirouhlíku, acetylenu, sazí). Zemní plyn se p?epravuje plynovody. Vznik a výskyt: Na vznik zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice?asto spolu s ropou (naftový zemní plyn) nebo s uhlím (karbonský zemní plyn), p?iklán?jí se teorie jeho vzniku nej?ast?ji k tomu, že se postupn? uvol?oval p?i vzniku uhlí nebo ropy jako d?sledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický p?vod zemního plynu byly tedy na za?átku vzniku zemních plyn? rostlinné a živo?išné zbytky. Podle anorganické teorie vznikal zemní plyn?adou chemických reakcí z anorganických látek. V poslední dob? ameri?tí v?dci p?išli s další tzv. abiogenetickou hypotézou, podle které zemní plyn vznikl št?pením uhlovodík?, které se na naší planetu dostaly v dob? jejího vzniku z vesmírné hmoty. Tyto vyšší uhlovodíky se postupn? št?pily až na metan, který pak pronikal k povrchu Zem?. Zemní plyn naftový je zpravidla uložen v pórovitých horninách ohrani?ených nepropustnými vrstvami a vodou, kde se jako specificky leh?í látka nahromadil v pr?b?hu tisíc? let nad vrstvami ropy nebo vody. Zemní plyn se t?ží vrty vedenými p?ímo do pórovitých vrstev ložisek, která se nacházejí v?tšinou v hloubce do 3 km pod povrchem zem?. Plyn se však t?ží i z daleko v?tších hloubek až kolem 8 km. page 4 / 10

5 Zemní plyn se t?ží jak z ložisek na pevnin? (Rusko, Alžírsko, Nizozemsko), tak z ložisek, které se nacházejí pod mo?ským dnem (nap?. v Severním mo?i). Zpracování: Kone?né využití v?tšiny zemního plynu není v chemické výrob?, ale spaluje se pro získání energie. Proto není zpracováván v rafineriích jako ropa, pouze se kv?li p?eprav? zbavuje už v oblasti t?žby nežádoucích p?ím?sí. Schematický diagram zpracování surového zemního plynu. T?žený (p?írodní) zemní plyn se podle složení d?lí do?ty? základních skupin: 1. zemní plyn suchý (chudý) - obsahuje vysoké procento metanu (95-98%) a nepatrné množství vyšších uhlovodík? 2. zemní plyn vlhký (bohatý) - vedle metanu obsahuje vyšší podíl vyšších uhlovodík? 3. zemní plyn kyselý - je plyn s vysokým obsahem sulfanu (H 2 S), který se v úpravárenských závodech p?ed dodávkou zemního plynu do distribu?ního systému odstra?uje 4. zemní plyn s vyšším obsahem inert? - jedná se hlavn? o oxid uhli?itý a dusík Z vyšších uhlovodík? zemní plyny obsahují hlavn? nasycené uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek plynné - etan, propan a butan. V n?kterých ložiscích obsahují zemní plyny i uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek kapalné (od pentanu výše), které se p?i úprav? odd?lují jako plynový kondenzát. Jejich sm?s se nazývá gazolín nebo p?írodní benzín. Význam pro chemický pr?mysl: Zemní plyn je z nejv?tší?ásti využíván jako?isté palivo. Jeho dokonalým spalováním vzniká jen vodní pára a oxid uhli?itý. Z hlediska emisí skleníkových plyn? p?i spalování jde o nejvýhodn?jší ze všech fosilních paliv. Použití zemního plynu v této oblasti je široké od elektráren a tepláren až po va?ení, vytáp?ní a oh?ev užitkové vody v domácnostech a svícení. Díky své vysoké energetické ú?innosti a malým emisím p?i spalování je zemní plyn vhodný i jako motorové palivo v doprav?. Lze ho využívat v klasických spalovacích motorech (nutná úprava vst?ikovacího systému a montáž zásobníku plynu) i ve speciálních plynových motorech. Dopad na životní prost?edí: page 5 / 10

6 Z hlediska ochrany životního prost?edí má zemní plyn ve srovnání s ostatními fosilními palivy a energiemi?adu výhod: výstavba plynovod? a ostatních za?ízení je spojena s minimálním záborem p?dy, která se ve v?tšin? p?ípad? vrací p?vodnímu ú?elu plynovody jsou uloženy v zemi, takže nikterak nenarušují tvá? krajiny Hlavní ekologické výhody zemního plynu se ale projevují až p?i jeho spalování, p?i kterém vzniká ve srovnání s uhlím nebo s kapalnými palivy daleko mén? škodlivin prach a oxid si?i?itý jsou ve spalinách obsaženy v zanedbatelném množství a také emise oxidu uhelnatého a uhlovodík? jsou ve srovnání s ostatními palivy výrazn? nižší. Jediným problémem spalování zemního plynu je vznik oxid? dusíku. Sm?s oxidu dusnatého a oxidu dusi?itého vzniká spalováním dusíkatých látek obsažených v palivu a ze vzdušného dusíku p?i vysokých teplotách. Zemní plyn má ve srovnání s pevnými a kapalnými palivy jednu výhodu neobsahuje žádné dusíkaté látky, takže oxidy dusíku mohou vznikat práv? jen ze vzdušného dusíku. Jejich tvorba je závislá na teplot? spalování?ím je teplota vyšší, tím je vyšší i tvorba oxid? dusíku. Uhlí Definice: Uhlí je ho?lavá hornina, vzniklá geochemickými p?em?nami rostlinných zbytk?.tyto procesy zapo?aly již p?ed desítkami?i stovkami milion? let.uhlí je sm?s vysokomolekulárních látek o nejednotné a ne zcela objasn?né struktu?e. Z prvk? v uhlí p?evládá uhlík, dalšími prvky jsou vodík, kyslík, dusík a síra.p?ítomnost minerálních látek v uhlí je z?ejmá z popela, který z?stává po spálení. Rozlišuje se uhlí hn?dé,?erné a antracit.geologicky nejmladší jsou hn?dá uhlí, nejstarší a energeticky nejhodnotn?jší je antracit.uhlí se používá jednak jako palivo, jednak se zpracovává jako chemická surovina.(vysoký obsah síry v uhlí je p?i jeho spalování zdrojem zne?iš?ování prost?edí oxidem si?i?itým a hlavní p?í?inou tzv. kyselých deš??). Vznik a výskyt: V?tšina sv?tových zásob uhlí se za?ala tvo?it v období karbonu, geologické epoše, která za?ala p?ed 360 milióny let a skon?ila p?ed 286 milióny let. To znamená, že uhlí vzniklo z tropických slatin starších page 6 / 10

7 geologických dob, rostoucích v bažinách. Ve slojích?erného uhlí se zachovaly otisky stromových p?esli?ek, plavuní a kapradin, v ložiskách hn?dého uhlí otisky jehli?natých i listnatých strom?. Trouchniv?ním, rašelin?ním (za vzniku metanu - tzv. bahenního plynu) a pozvolným uhelnat?ním rostlinných látek v mo?álech za nedokonalého p?ístupu vzduchu p?i vlhkém a teplém podnebí pozbývaly tyto látky vodík a kyslík, vytvá?ely uhlík, ztrácely rostlinnou strukturu a stávaly se tmavší. Jsou to tedy fosilní ložiska humusových hornin. Z rostlinných látek vznikala nejd?íve rašelina, potom p?i pokra?ujících poklesech a p?ekrytí pískem a jílem hn?dé uhlí a z n?ho?erné uhlí a antracit. Aby se rašelina p?em?nila v uhlí, musí být stla?ena. A?koli se uhlí vyskytuje i v jiných formacích, nap?. v k?íd?, nejvíce uhlí poskytuje karbon a t?etihory. V útvarech starších než k?ída se vyskytuje pouze uhlí?erné, v k?íd? uhlí?erné i hn?dé a v útvarech pok?ídových pouze uhlí hn?dé. Zvláštním druhem hn?dého uhlí je lignit(xylit), na n?mž je vlivem slabého prouheln?ní dosud patrna struktura d?eva. Kvalita uhlí jako paliva závisí p?edevším na obsahu uhlíku.?erné uhlí obsahuje 75% až 95% uhlíku, hn?dé uhlí 60% až 75% uhlíku a lignit 40-60% uhlíku, 50%vody a zbytky d?eva (ostatní vlastnosti jsou shodné s vlastnostmi hn?dého uhlí). Nejv?tší procento uhlíku (94%) a nejmén? prchavých látek má antracit. Ze všech fosilních paliv se v p?írod? nejvíce vyskytuje uhlí.dv? t?etiny ze známého množství uhlí nacházejícího se ve sv?t? jsou ve t?ech zemích. Spojené státy mají p?ibližn? 30%, Rusko a jeho spojenecké zem? mají kolem 25% a?ína zhruba 10%. V?tšina zbývajících zásob uhlí se nachází v Austrálii, Kanad?, N?mecku, Indii, Jižní Africe a v Británii. V Jižní Americe mají zásoby uhlí pouze?ty?i zem? - Argentina, Brazílie, Chile a Kolumbie. V?tšina t?chto zásob je ukryta pod tropickými deštnými lesy, kde by byla jejich t?žba velice obtížná. V Africe se doluje uhlí pouze v osmi z 52 afrických zemí. Nejv?tší zásoby jsou v Jižní Africe a Zimbabwe, dále se uhlí dobývá v Alžírsku, Maroku, Mosambiku, Nigérii, Tanzanii a v Zairu. Zpracování: Hn?dé uhlí: Hn?dé uhlí bývá uloženo nehluboko pod povrchem, dá se t?žit skrývkou a t?žba je proto levná. Podle stupn? prouheln?ní rozeznáváme n?kolik druh? hn?dého uhlí s r?zným obsahem uhlíku, r?znou výh?evností a množstvím vody. Nejkvalitn?jší je tzv. hn?dý antracit - smolné uhlí s výh?evností kcal a obsahem vody jen 40%. Hn?dé uhlí se vyskytuje v r?zných sv?tadílech, ale nejvíce se ho t?ží v Evrop?. Nejvíce lignitu a hn?dého uhlí je na území N?mecka. Užívá se jako topivo v elektrárnách i v domácnostech a m?že se tepeln? zpracovávat podobn? jako?erné uhlí. Zna?né množství se koksuje (je to polokoks, použitelný v metalurgii) a sou?asn? p?i koksování se získává hn?douhelný dehet a z n?ho um?lý benzín. Lignit hodn? kou?í a vydává relativn? málo tepla. page 7 / 10

8 ?erné uhlí: Od hn?dého uhlí se liší v?tší výh?evností a menším množstvím popela, který zbyde po jeho sho?ení, barvou a tvrdostí. Obvykle mívá st?ídající se horizontální matné a lesklé pruhy. Matné vznikly ze zbytk? menších rostlin, zatímco lesklé ze d?eva. V?erném uhlí je p?ítomna rovn?ž m?kká látka p?ipomínající d?ev?né uhlí. Tato látka zp?sobuje, že uhlí p?i manipulaci s ním špiní. Nejjakostn?jším druhem uhlí je antracit. Ho?í velice horkým plamenem a vydává málo kou?e, avšak obtížn? se zapaluje. Zvláš? významná je vysokoteplotní karbonizace?erného uhlí, kdy p?i teplotách kolem 900 C vznikají za nep?ístupu vzduchu jako nejvýznamn?jší produkty karboniza?ní plyn, dehet a koks. Karboniza?ní plyn je sm?s p?edevším vodíku (asi 60%), methanu (asi 25%) a oxidu uhelnatého (asi 5%).Používá se v domácnostech (svítiplyn), kde je ale postupn? nahrazován nejedovatým zemním plynem. Dehet je kapalný produkt karbonizace uhlí, obsahující n?kolik set organických slou?enin, z nichž n?které se z n?ho získávají (nap?. naftalen a vyšší areny). Koks, pevný zbytek po karbonizaci uhlí, je kvalitní palivo a reduk?ní prost?edek. Pr?myslové závody zam??ené p?edevším na výrobu karboniza?ního plynu se nazývají plynárny, závody specializované na výrobu koksu koksovny (koksárny). Velký význam má zply?ování uhlí v generátorech. P?itom dochází k jeho p?em?n? v mnohem výhodn?jší plynné palivo. Proces se uskute??uje p?i teplotách kolem 1000 C vhán?ním sm?si vzduchu a vodní páry do generátoru napln?ného uhlím.vzniklý generátorový plyn obsahuje vodík, oxidy uhlíku a dusík a slouží k energetickým ú?el?m.reakcí rozžhaveného koksu s vodní párou se získává vodní plyn.má podobné složení i použití jako plyn generátorový. chemický pr?mysl: Význam pro Uhlí se využívá hlavn? jako palivo, ale daleko výhodn?jší je jeho zpracování jako suroviny v chemickém pr?myslu. P?i karbonizaci (zpracovávání) se získává: plyn (koksárenský nebo svítiplyn), obsahující hlavn? vodík a jedovatý oxid uhelnatý. Používá se p?edevším jako plynné palivo. page 8 / 10

9 ?ernouhelný dehet, který obsahuje n?kolik set látek. Získává se z n?j nap?. benzen, naftalen, barviva, lé?iva, desinfek?ní prost?edky,?istící a mycí prost?edky, vo?avky, um?lá hnojiva, prost?edky proti plevelu a hmyzu, lak na nehty. Dokonce i sladidlo sacharin lze vyráb?t z uhlí. koks, který obsahuje tém???istý uhlík. Používá se jako palivo p?i výrob? železa ve vysoké peci K vedlejším produkt?m pat?í amoniaková voda, která se používá p?i výrob? dusíkatých hnojiv. Uhelné plyny tvo?í sm?si r?zných plyn?. Obsažen je zvlášt? metan a oxid uhli?itý. Uhlí se dá též zkapal?ovat. Dopad na životní prost?edí: Rizika dolování jsou z?ejmá a dokonce i p?i p?ísných bezpe?nostních opat?eních zahynou ro?n? stovky horník?. Ale i používání uhlí v sob? skrývá r?zná nebezpe?í. Kontakt s uhlovodíky obsaženými v uhlí m?že zp?sobit rakovinu k?že. Kou? a plyny vydávané p?i ho?ení uhlí mohou zp?sobit?adu vážných nemocí dýchacího ústrojí, v?etn? rakoviny a rozedmy plic. Kou?ové plyny vydávané p?i ho?ení uhlí obsahují rovn?ž slou?eniny síry. Ty zp?sobují kyselé dešt?, které mají zhoubný vliv na stromy a na ostatní vegetaci, zp?sobují úhyn ryb a ostatních vodních živo?ich? a erozi cihel a kamen? na budovách. Jedním z vedlejších produkt? p?i ho?ení uhlí je oxid uhli?itý. Je to jeden z plyn?, o kterých se domníváme, že zp?sobuje tzv. skleníkový efekt - zachycuje teplo, a tak p?ispívá k zah?ívání zemského povrchu a ke zm?n? zemského klimatu. Seznam použitých zdroj? (1) J.VACÍK,J.BARTHOVÁ,J.PACÁK,B.STRAUCH,M.SVOBODOVÁ,F.ZEMÁNEK-P?ehled st?edoškolské chemie (2) A.VIKKELS-Energie-Kde ji vzít? (3) A.JANECZKOVÁ,P.KLOUDA-Organická chemie (4) page 9 / 10

10 Powered by TCPDF ( P?írodní zdroje uhlovodík? a jejich zpracování - maturitní otázka z chemie Ropa a uhlí (online) Dostupné z : < (5) Zemní plyn (online) Dostupné z :< Záv?r Nejp?ínosn?jší z hlediska využití a zárove? vlivu na životní prost?edí je podle mne zemní plyn. V našem zájmu je preferovat takové zdroje, jejichž využívání v co nejmenší mí?e negativn? ovliv?uje životní prost?edí. Zd?vodn?ní pro toto stanovisko je již zmín?no na stran? 6-7, viz Dopad na životní prost?edí. PDF generated by Kalin's PDF Creation Station page 10 / 10