Страница 52 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

14. Кому принадлежит идея подземной газификации каменного угля? Почему в настоящее время подземная газификация угля не находит широкого применения?

Кому принадлежит идея подземной газификации каменного угля?

Идея подземной газификации угля (ПГУ) — превращения угля в горючий газ непосредственно в пласте — имеет нескольких авторов, но в России её основоположником традиционно считается великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев. В 1888 году в своей статье «Будущая сила, покоящаяся на берегах Донца» он не просто высказал мысль о возможности такого процесса, но и дал ему научное обоснование.

Стоит отметить, что похожие идеи высказывались и ранее. Например, английский инженер сэр Уильям Сименс запатентовал схожий процесс ещё в 1868 году. Однако именно работы Менделеева и последующий интерес к ним со стороны советской власти дали толчок к первым в мире практическим экспериментам по ПГУ в СССР в 1930-х годах.

Ответ: Идея подземной газификации каменного угля в России принадлежит учёному Д. И. Менделееву (1888 г.), хотя схожие концепции предлагались и ранее, например, У. Сименсом в Великобритании.

Почему в настоящее время подземная газификация угля не находит широкого применения?

Несмотря на кажущиеся преимущества (отсутствие необходимости в шахтёрах, возможность разработки труднодоступных пластов), подземная газификация угля не получила широкого распространения по совокупности серьёзных причин. Ключевыми сдерживающими факторами являются:

• Экономические факторы. Технология требует высоких капитальных затрат и часто проигрывает в себестоимости получаемого газа традиционной добыче угля и природного газа, что делает её неконкурентоспособной на большинстве рынков.
• Технические сложности. Крайне трудно управлять процессом горения и газификации на глубине. Это приводит к нестабильному качеству и составу получаемого газа, неполному выгоранию угля и риску обрушения пород с просадкой земной поверхности.
• Экологические риски. Это, возможно, главная проблема. Существует высокая вероятность загрязнения подземных вод высокотоксичными побочными продуктами: фенолами, бензолом, тяжёлыми металлами. Обеспечить полную герметичность подземного газогенератора очень сложно. Кроме того, существуют риски утечек парниковых газов, в частности диоксида углерода ($CO_2$) и метана ($CH_4$).

Ответ: Подземная газификация угля не находит широкого применения из-за комплекса проблем: высокой себестоимости по сравнению с традиционными методами, технических трудностей с управлением процессом под землёй и серьёзных экологических рисков, в первую очередь — загрязнения подземных вод.

1. Основной источник метана для органического синтеза — это

1) нефть

2) каменный уголь

3) природный газ

4) попутный нефтяной газ

Решение

Для ответа на вопрос проанализируем каждый из предложенных вариантов в качестве источника метана ($CH_4$) для органического синтеза.

1) Нефть — это сложная смесь преимущественно жидких углеводородов с более длинными углеродными цепями, чем у метана. Нефть является источником бензина, керосина, мазута и сырья для нефтехимии, но не является основным источником именно метана.

2) Каменный уголь — это твердое ископаемое топливо, состоящее в основном из углерода. Хотя метан можно получить при переработке угля (например, в составе коксового газа) или добыть из угольных пластов, эти методы не являются основными промышленными способами получения метана для синтеза.

3) Природный газ — это газообразная смесь углеводородов, которая состоит преимущественно из метана. Содержание метана в природном газе из газовых месторождений обычно составляет от 70% до 98%. Благодаря огромным запасам, высокой концентрации метана и относительной простоте добычи, природный газ является главным и наиболее экономически выгодным сырьем для получения метана в промышленных масштабах. Метан из природного газа широко используется в органическом синтезе для производства водорода, синтез-газа, ацетилена, метанола, формальдегида и других важных химических продуктов.

4) Попутный нефтяной газ (ПНГ) — это газ, растворенный в нефти и добываемый вместе с ней. Он также является важным источником углеводородов, включая метан. Однако понятие "природный газ" является более общим и включает в себя как газ из чисто газовых месторождений, так и попутный газ. Основные мировые объемы метана добываются именно из газовых месторождений. Поэтому "природный газ" является более точным и полным ответом.

Таким образом, основной источник метана для органического синтеза — это природный газ.

Ответ: 3) природный газ.

2. В составе природного газа доля алканов в ряду

$\text{метан} \rightarrow \text{этан} \rightarrow \text{пропан} \rightarrow \text{бутан}$

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) увеличивается или уменьшается в зависимости от источника природного газа

Природный газ представляет собой смесь газов, образовавшуюся в недрах Земли. Основным компонентом природного газа является метан ($CH_4$), его доля в зависимости от месторождения составляет от 70% до 98%.

Остальные компоненты, включая другие алканы (гомологи метана), содержатся в значительно меньших количествах. В вопросе указан гомологический ряд алканов: метан ($CH_4$) → этан ($C_2H_6$) → пропан ($C_3H_8$) → бутан ($C_4H_{10}$). В этом ряду с каждым последующим членом увеличивается длина углеродной цепи и, соответственно, молярная масса.

Анализ состава природного газа из различных источников показывает общую закономерность в содержании этих углеводородов. Типичный состав по объему выглядит следующим образом: метан ($CH_4$) — 70–98%; этан ($C_2H_6$) — 1–10%; пропан ($C_3H_8$) — менее 5%; бутан ($C_4H_{10}$) — менее 2%. Содержание более тяжелых углеводородов еще ниже.

Как видно из этих данных, с увеличением числа атомов углерода в молекуле алкана, то есть при переходе от метана к его гомологам — этану, пропану и бутану, его доля в составе природного газа последовательно и значительно уменьшается. Метан является доминирующим компонентом, а содержание его гомологов резко падает с ростом их молекулярной массы.

Следовательно, в ряду метан → этан → пропан → бутан доля алканов в составе природного газа уменьшается.

Ответ: 2) уменьшается.

3. Природный газ в промышленности применяют для получения

1) мазута

2) бензола

3) керосина

4) ацетилена

Решение

Для ответа на вопрос необходимо проанализировать состав природного газа и способы получения перечисленных веществ. Природный газ на 80–98% состоит из метана ($CH_4$), который является основным сырьем для его химической переработки.

1) мазута
Мазут — это тяжелая фракция, остаток от перегонки нефти. Его получают в процессе нефтепереработки, а не из природного газа.

2) бензола
Бензол ($C_6H_6$) в промышленности получают главным образом из нефти методом каталитического риформинга или из продуктов коксования каменного угля. Получение бензола напрямую из метана (ароматизация) возможно, но не является основным промышленным методом по сравнению с другими вариантами.

3) керосина
Керосин, как и мазут, является одной из фракций, получаемых при прямой перегонке (ректификации) сырой нефти.

4) ацетилена
Ацетилен ($C_2H_2$) — важное сырье для органического синтеза. Один из ключевых промышленных методов его получения — это высокотемпературный пиролиз (термический крекинг) метана. Процесс протекает при температуре около 1500°C:
$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$
Этот метод широко используется в промышленности, что делает природный газ основным источником сырья для производства ацетилена.

Таким образом, из всех перечисленных веществ именно ацетилен получают в промышленных масштабах из природного газа.

Ответ: 4) ацетилена

4. Непредельные углеводороды содержатся

1) в сырой нефти

2) в бензине прямой перегонки

3) в крекинг-бензине

4) в попутном нефтяном газе

Непредельные (ненасыщенные) углеводороды — это органические соединения, в молекулах которых содержатся кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода. К ним относятся алкены, алкадиены, алкины. Проанализируем, где они могут содержаться.

1) в сырой нефти

Сырая нефть является природной смесью, состоящей преимущественно из предельных углеводородов — алканов (парафинов) и циклоалканов (нафтенов), а также ароматических углеводородов. Непредельные углеводороды в составе сырой нефти практически отсутствуют.

2) в бензине прямой перегонки

Бензин прямой перегонки получают в результате фракционной дистилляции нефти. Это физический процесс разделения смеси на фракции по температурам кипения. Химический состав веществ при этом не изменяется. Поэтому бензин прямой перегонки, как и исходная нефть, состоит в основном из предельных углеводородов и не содержит непредельных.

3) в крекинг-бензине

Крекинг-бензин получают в процессе крекинга — химической переработки тяжелых нефтяных фракций (например, мазута). В ходе этого процесса длинные молекулы предельных углеводородов под действием высокой температуры и/или катализаторов расщепляются на более короткие. При этом наряду с образованием молекул предельных углеводородов (алканов) образуются и молекулы непредельных углеводородов (алкенов). Например, при крекинге гексадекана образуются октан и октен:
$C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$
Октен ($C_8H_{16}$) — это непредельный углеводород. Таким образом, крекинг-бензин по своему составу богат непредельными углеводородами, которые, к слову, повышают его октановое число.

4) в попутном нефтяном газе

Попутный нефтяной газ состоит из легчайших углеводородов, в основном предельных: метана ($CH_4$), этана ($C_2H_6$), пропана ($C_3H_8$), бутана ($C_4H_{10}$). Непредельные углеводороды в его составе отсутствуют.

Следовательно, из всех перечисленных вариантов непредельные углеводороды содержатся именно в крекинг-бензине, так как они образуются в процессе его получения.

Ответ: 3

5. Исключите «лишнее» понятие.

1) ректификация

2) крекинг

3) коксование

4) риформинг

Для того чтобы определить «лишнее» понятие, необходимо проанализировать каждый из представленных процессов с точки зрения их физической и химической природы, а также их роли в переработке сырья, в основном нефти.

1) ректификация
Ректификация, или фракционная перегонка, — это физический метод разделения жидких смесей на компоненты (фракции), основанный на различии в их температурах кипения. В нефтепереработке это основной процесс первичного разделения сырой нефти. В ходе ректификации химического превращения веществ не происходит, изменяется только состав фракций.

2) крекинг
Крекинг — это химический процесс расщепления крупных молекул углеводородов на более мелкие и ценные молекулы при высокой температуре и/или в присутствии катализатора. Этот процесс используется для увеличения выхода бензина и других светлых нефтепродуктов. Крекинг — это химическое превращение, так как происходит разрыв связей C-C.

3) коксование
Коксование — это процесс глубокой термической переработки тяжелых нефтяных остатков или каменного угля. Это разновидность жесткого термического крекинга, в результате которого образуется кокс и более летучие продукты. Это сложный химический процесс.

4) риформинг
Риформинг — это химический процесс каталитической переработки бензиновых фракций с целью повышения их октанового числа. В ходе этого процесса происходит изменение структуры молекул углеводородов (изомеризация, дегидрирование, циклизация), что является химическим превращением.

Таким образом, крекинг, коксование и риформинг относятся к процессам вторичной переработки нефти и являются химическими методами, так как изменяют молекулярную структуру исходных веществ. В отличие от них, ректификация является физическим методом разделения смеси. По этому признаку она и является «лишним» понятием в данном ряду.

Ответ: 1) ректификация.

6. Риформинг нефтепродуктов проводят с целью

1) получения алкинов

2) повышения октанового числа бензина

3) расщепления алканов

4) получения алкадиенов

Решение

Риформинг (от англ. reforming — переделка, преобразование) — это процесс ароматизации бензинов, который является одним из ключевых в современной нефтепереработке. Его проводят с целью структурного изменения углеводородов, входящих в состав бензиновых фракций, для улучшения их эксплуатационных качеств.

Основной задачей риформинга является повышение детонационной стойкости бензина, которая характеризуется октановым числом. Углеводороды с линейной структурой (н-алканы) обладают низким октановым числом и склонны к детонации (взрывному сгоранию) в двигателе внутреннего сгорания. В процессе риформинга под действием температуры, давления и катализаторов (обычно на основе платины) происходят следующие превращения:

1. Изомеризация н-алканов в их изомеры с разветвленной цепью (изоалканы).
2. Дегидроциклизация н-алканов в ароматические углеводороды (арены). Например, н-гептан превращается в толуол:
$C_7H_{16} \rightarrow C_6H_5CH_3 + 4H_2$
3. Дегидрирование нафтенов (циклоалканов) в ароматические углеводороды. Например, метилциклогексан превращается в толуол:
$C_7H_{14} \rightarrow C_6H_5CH_3 + 3H_2$

Изоалканы и особенно ароматические углеводороды имеют значительно более высокие октановые числа по сравнению с исходными н-алканами и нафтенами. Таким образом, в результате риформинга получается продукт (риформат) с высоким октановым числом, который является ценным компонентом товарного высококачественного бензина.

Рассмотрим остальные варианты:

1) Получение алкинов не является целью риформинга. Это отдельный химический синтез.
3) Расщепление алканов на более короткие цепи — это процесс, называемый крекингом. Его цель — увеличение выхода легких фракций (в том числе бензина) из тяжелого сырья (мазута, гудрона).
4) Получение алкадиенов также не является основной целью. Процесс ведут до образования наиболее стабильных ароматических систем.

Исходя из вышесказанного, риформинг проводят для повышения октанового числа бензина.

Ответ: 2