Страница 80 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие главные природные источники углеводородов вам известны?

Главными природными источниками углеводородов являются ископаемые виды топлива, которые представляют собой продукты многовекового преобразования органических остатков растений и животных без доступа кислорода под действием высоких температур и давления. К основным источникам относятся:

• Нефть — это горючая маслянистая жидкость, представляющая собой сложнейшую смесь углеводородов различного строения (алканов, циклоалканов, ароматических углеводородов) и других органических соединений, содержащих кислород, серу и азот. Нефть является стратегически важным сырьем для мировой экономики, так как из нее получают большинство видов топлива (бензин, дизель, керосин, мазут) и производят сырье для химической промышленности (пластмассы, каучуки, волокна).
• Природный газ — это смесь газообразных углеводородов, залегающая в недрах Земли. Его основной компонент — метан ($CH_4$), содержание которого может достигать 98%. Кроме метана, в состав природного газа входят его гомологи: этан ($C_2H_6$), пропан ($C_3H_8$), бутан ($C_4H_{10}$), а также примеси неуглеводородных газов (азот, углекислый газ, сероводород). Он широко используется как экологически более чистое топливо и ценное химическое сырье.
• Попутный нефтяной газ (ПНГ) — это смесь газов, которые находятся в нефтяных залежах в растворенном состоянии или в виде «газовой шапки». От природного газа он отличается более высоким содержанием тяжелых углеводородов (пропана, бутана и др.). ПНГ является ценным сырьем для получения сжиженных газов, моторного топлива и для нефтехимического синтеза.
• Каменный уголь — это твердое ископаемое топливо растительного происхождения. Хотя его основная составляющая — углерод, уголь является важным источником ароматических углеводородов (бензола, толуола, нафталина), которые получают в процессе его переработки, в частности, при коксовании. Методами газификации и сжижения из угля также можно получать газообразные и жидкие углеводородные смеси.
• Другие источники, такие как торф (самая молодая стадия образования угля), горючие сланцы (породы, содержащие органическое вещество кероген, из которого при нагреве получают сланцевую нефть) и газогидраты (кристаллические соединения воды и метана, огромные запасы которых сосредоточены в зонах вечной мерзлоты и на дне океанов), также являются природными источниками углеводородов, и их разработка рассматривается как перспективное направление.

Ответ: главными природными источниками углеводородов являются нефть, природный газ, попутный нефтяной газ и каменный уголь. Также к ним относятся торф, горючие сланцы и газогидраты.

2. Каков состав природного газа? Покажите на географической карте важнейшие месторождения:

а) природного газа;

б) нефти;

в) каменного угля.

Есть ли такие месторождения в вашем регионе?

Природный газ представляет собой смесь газов, образовавшуюся в недрах Земли. Основным компонентом природного газа является метан ($CH_4$), его доля в составе обычно составляет от 70% до 98%. Помимо метана, в состав природного газа входят и другие углеводороды, которые называют гомологами метана:

• Этан ($C_2H_6$)
• Пропан ($C_3H_8$)
• Бутан ($C_4H_{10}$)
• Небольшое количество более тяжелых углеводородов.

Также в природном газе могут присутствовать неуглеводородные примеси:

• Азот ($N_2$)
• Диоксид углерода (углекислый газ, $CO_2$)
• Сероводород ($H_2S$)
• Инертные газы, такие как гелий ($He$) и аргон ($Ar$).

Состав газа сильно варьируется в зависимости от месторождения.

Поскольку показать месторождения на карте невозможно в текстовом формате, ниже приведен список крупнейших из них.

а) Важнейшие месторождения природного газа:

В России:

• Уренгойское (Ямало-Ненецкий АО) - одно из крупнейших в мире.
• Ямбургское (Ямало-Ненецкий АО).
• Бованенковское (полуостров Ямал).
• Штокмановское (шельф Баренцева моря).
• Астраханское газоконденсатное месторождение (Астраханская область).

В мире:

• Северное / Южный Парс (находится в территориальных водах Катара и Ирана) - крупнейшее в мире.
• Галкыныш (Туркменистан).
• Хасси-Рмель (Алжир).
• Месторождения сланцевого газа в США (например, Marcellus Shale).

Ответ: Основу природного газа составляет метан ($CH_4$). Крупнейшие месторождения в России находятся в Западной Сибири (Уренгойское, Ямбургское), крупнейшее в мире - Северное/Южный Парс в Персидском заливе.

б) Важнейшие месторождения нефти:

В России:

• Самотлорское месторождение (Ханты-Мансийский АО) - крупнейшее в России.
• Ромашкинское месторождение (Татарстан).
• Приобское месторождение (Ханты-Мансийский АО).
• Основными нефтедобывающими регионами являются Западно-Сибирская и Волго-Уральская нефтегазоносные провинции.

В мире:

• Гавар (Саудовская Аравия) - крупнейшее в мире по запасам традиционной нефти.
• Большой Бурган (Кувейт).
• Месторождения стран Персидского залива (Саудовская Аравия, Ирак, Иран, ОАЭ, Кувейт).
• Нефтяной пояс Ориноко (Венесуэла) - огромные запасы тяжелой нефти.
• Пермский бассейн (США) - лидер по добыче сланцевой нефти.

Ответ: Крупнейшие месторождения нефти в России - Самотлорское, Ромашкинское; в мире - Гавар (Саудовская Аравия) и месторождения стран Персидского залива.

в) Важнейшие месторождения каменного угля:

В России:

• Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) - главный центр добычи качественного каменного угля в России.
• Канско-Ачинский буроугольный бассейн (Красноярский край, Иркутская область).
• Печорский угольный бассейн (Республика Коми, Ненецкий АО).
• Южно-Якутский угольный бассейн.
• Тунгусский и Ленский бассейны - крупнейшие по запасам, но слабо освоенные.

В мире:

• Крупнейшие угольные бассейны Китая (например, Датун, Ордос).
• Аппалачский бассейн (США).
• Бассейны Индии и Австралии.
• Верхнесилезский бассейн (Польша).
• Рурский бассейн (Германия).

Ответ: Главный угольный бассейн России - Кузнецкий. В мире крупнейшими запасами и добычей обладают Китай, США, Индия и Австралия.

Есть ли такие месторождения в вашем регионе?

Наличие месторождений природного газа, нефти или каменного угля зависит от конкретного региона (области, края, республики), в котором вы находитесь. Россия очень богата полезными ископаемыми, и они распределены по территории неравномерно.

• Жители Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов находятся в центре крупнейших в России и мире районов добычи нефти и газа.
• В Кемеровской области расположен Кузбасс - главный угольный регион страны.
• В Республике Татарстан находится одно из крупнейших нефтяных месторождений - Ромашкинское.
• В Астраханской и Оренбургской областях есть крупные газоконденсатные месторождения.
• В то же время в регионах Центральной России, например, в Московской области, крупных промышленных месторождений нефти и газа нет, но есть Подмосковный буроугольный бассейн.

Для точного ответа на этот вопрос необходимо изучить экономическую или геологическую карту именно вашего региона.

Ответ: Наличие месторождений зависит от региона. Например, в Западной Сибири добывают нефть и газ, в Кузбассе - уголь, а в Центральной России крупных месторождений этих ископаемых практически нет. Необходимо уточнить информацию для своего конкретного региона.

3. Какие преимущества по сравнению с другими видами топлива имеет природный газ? Для каких целей используют природный газ в химической промышленности?

Какие преимущества по сравнению с другими видами топлива имеет природный газ?

Природный газ обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с твердыми (уголь, торф) и жидкими (нефть, мазут) видами топлива:

• Высокая теплотворная способность. Удельная теплота сгорания природного газа (в основном метана) выше, чем у угля и мазута, что означает получение большего количества энергии с единицы массы или объема топлива.

• Экологическая чистота. При сгорании природного газа образуется значительно меньше вредных веществ по сравнению с другими видами ископаемого топлива. В продуктах сгорания практически отсутствуют оксиды серы ($SO_2$) и твердые частицы (сажа, зола). Выбросы оксидов азота ($NO_x$) и углекислого газа ($CO_2$) на единицу полученной энергии также ниже. Основные продукты сгорания — вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$).

• Относительно низкая стоимость. Себестоимость добычи и транспортировки природного газа часто ниже, чем у угля и нефти, что делает его экономически выгодным топливом.

• Удобство транспортировки и использования. Газ легко транспортируется на большие расстояния по магистральным газопроводам. Он не требует предварительной подготовки перед сжиганием, легко поддается автоматизации процессов горения и позволяет точно регулировать тепловую мощность установок.

• Отсутствие золы и сажи. При сжигании газа не образуется твердых отходов (золы), что упрощает конструкцию и эксплуатацию котлов и печей, а также решает проблему утилизации золошлаков.

• Высокий КПД установок. Газовые котельные и электростанции имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с угольными.

Ответ: Основные преимущества природного газа — высокая теплотворная способность, экологичность (меньше вредных выбросов), низкая стоимость, удобство транспортировки и использования, отсутствие твердых отходов при сгорании и высокий КПД установок.

Для каких целей используют природный газ в химической промышленности?

В химической промышленности природный газ (главный компонент — метан, $CH_4$) является не только топливом для технологических процессов, но и важнейшим сырьем для получения множества химических продуктов. Основные направления его использования:

• Производство синтез-газа. Синтез-газ (смесь оксида углерода(II) $CO$ и водорода $H_2$) получают путем паровой конверсии или парциального окисления метана. Это ключевой полупродукт для многих синтезов.
  Паровая конверсия: $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$
  Парциальное окисление: $2CH_4 + O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2$

• Производство водорода. Водород, полученный из природного газа, используется в больших объемах для синтеза аммиака.

• Производство аммиака ($NH_3$). Аммиак синтезируют из азота и водорода (процесс Габера-Боша). Аммиак, в свою очередь, является сырьем для производства азотных удобрений, азотной кислоты и других азотсодержащих соединений.
  $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

• Производство метанола ($CH_3OH$). Метанол получают из синтез-газа. Он используется для производства формальдегида, уксусной кислоты, растворителей, а также как компонент моторного топлива.
  $CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$

• Производство ацетилена ($C_2H_2$). Ацетилен получают путем высокотемпературного пиролиза (крекинга) метана. Он служит сырьем для синтеза винилхлорида (основа для ПВХ), акрилонитрила (для синтетических волокон) и других органических веществ.
  $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

• Производство хлорпроизводных метана. Путем прямого хлорирования метана получают хлорметан ($CH_3Cl$), дихлорметан ($CH_2Cl_2$), хлороформ ($CHCl_3$) и четыреххлористый углерод ($CCl_4$), которые являются важными растворителями и реагентами в органическом синтезе.
  Пример первой стадии: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

• Производство технического углерода (сажи). При неполном сгорании или термическом разложении метана получают сажу, которая используется как наполнитель в производстве резины (особенно для автомобильных шин) и как черный пигмент для красок и типографских чернил.
  $CH_4 \xrightarrow{t^\circ} C + 2H_2$

Ответ: В химической промышленности природный газ используют как ценное сырье для производства водорода, аммиака (и далее удобрений), метанола, ацетилена, хлорпроизводных метана и технического углерода (сажи).

4. Известно, что газ содержит в объёмных долях 0,9 метана, 0,05 этана, 0,03 пропана, 0,02 азота. Какой объём воздуха потребуется, чтобы сжечь 1 м³ этого газа при нормальных условиях?

Дано:

Объем газовой смеси $V_{\text{смеси}} = 1 \text{ м}^3$

Объемная доля метана ($CH_4$) $\varphi(CH_4) = 0,9$

Объемная доля этана ($C_2H_6$) $\varphi(C_2H_6) = 0,05$

Объемная доля пропана ($C_3H_8$) $\varphi(C_3H_8) = 0,03$

Объемная доля азота ($N_2$) $\varphi(N_2) = 0,02$

Объемная доля кислорода в воздухе $\varphi(O_2)_{\text{в воздухе}} \approx 0,21$

Условия: нормальные (н.у.)

Все данные уже представлены в системе СИ (м³).

Найти:

$V_{\text{воздуха}}$ - ?

Решение:

Для решения задачи необходимо определить объем кислорода, требуемый для полного сжигания каждого из горючих компонентов газовой смеси, а затем, зная объемную долю кислорода в воздухе, рассчитать итоговый объем воздуха.

Азот ($N_2$) является инертным газом и в реакции горения не участвует.

1. Найдем объемы горючих компонентов в 1 м³ газовой смеси.

Объем компонента в смеси равен произведению общего объема смеси на объемную долю компонента.

Объем метана: $V(CH_4) = V_{\text{смеси}} \cdot \varphi(CH_4) = 1 \text{ м}^3 \cdot 0,9 = 0,9 \text{ м}^3$

Объем этана: $V(C_2H_6) = V_{\text{смеси}} \cdot \varphi(C_2H_6) = 1 \text{ м}^3 \cdot 0,05 = 0,05 \text{ м}^3$

Объем пропана: $V(C_3H_8) = V_{\text{смеси}} \cdot \varphi(C_3H_8) = 1 \text{ м}^3 \cdot 0,03 = 0,03 \text{ м}^3$

2. Запишем уравнения реакций полного сгорания углеводородов.

Реакция горения метана:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Реакция горения этана:

$C_2H_6 + 3,5O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$

Реакция горения пропана:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

3. Рассчитаем объем кислорода, необходимый для сжигания каждого компонента.

Поскольку процесс протекает при нормальных условиях, согласно закону Авогадро, объемные отношения реагирующих газов равны их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для сжигания 1 объема $CH_4$ требуется 2 объема $O_2$.

$V_1(O_2) = 2 \cdot V(CH_4) = 2 \cdot 0,9 \text{ м}^3 = 1,8 \text{ м}^3$

Для сжигания 1 объема $C_2H_6$ требуется 3,5 объема $O_2$.

$V_2(O_2) = 3,5 \cdot V(C_2H_6) = 3,5 \cdot 0,05 \text{ м}^3 = 0,175 \text{ м}^3$

Для сжигания 1 объема $C_3H_8$ требуется 5 объемов $O_2$.

$V_3(O_2) = 5 \cdot V(C_3H_8) = 5 \cdot 0,03 \text{ м}^3 = 0,15 \text{ м}^3$

4. Найдем общий объем кислорода, необходимый для сжигания всей смеси.

$V_{\text{общ}}(O_2) = V_1(O_2) + V_2(O_2) + V_3(O_2) = 1,8 + 0,175 + 0,15 = 2,125 \text{ м}^3$

5. Рассчитаем объем воздуха.

Объем воздуха, содержащий необходимый объем кислорода, находится по формуле:

$V_{\text{воздуха}} = \frac{V_{\text{общ}}(O_2)}{\varphi(O_2)_{\text{в воздухе}}}$

$V_{\text{воздуха}} = \frac{2,125 \text{ м}^3}{0,21} \approx 10,119 \text{ м}^3$

Округлим результат до сотых.

Ответ: для сжигания 1 м³ данного газа потребуется $10,12 \text{ м}^3$ воздуха.

1. Экологически чистое топливо — это

1) каменный уголь

2) природный газ

3) водород

4) бензин

1. Экологически чистое топливо – это топливо, при сжигании которого образуются безвредные для окружающей среды вещества или не образуется вредных выбросов в принципе. Чтобы определить, какой из предложенных вариантов является экологически чистым, рассмотрим продукты сгорания каждого из них.

• 1) Каменный уголь — это ископаемое твердое топливо. При его сжигании выделяется большое количество углекислого газа ($CO_2$), оксидов серы ($SO_x$), оксидов азота ($NO_x$), сажи и других вредных веществ, которые вызывают парниковый эффект, кислотные дожди и загрязнение воздуха.

• 2) Природный газ — состоит в основном из метана ($CH_4$). Он сгорает с меньшим количеством вредных выбросов по сравнению с углем и бензином, но все же продуктами его сгорания являются углекислый газ ($CO_2$) и вода. Углекислый газ является парниковым газом. Кроме того, утечки метана, который сам по себе является сильным парниковым газом, представляют экологическую угрозу.

• 4) Бензин — продукт переработки нефти. При его сгорании в двигателях автомобилей в атмосферу выбрасываются углекислый газ ($CO_2$), угарный газ ($CO$), оксиды азота ($NO_x$), углеводороды и другие токсичные соединения, которые являются основными компонентами городского смога и способствуют глобальному потеплению.

• 3) Водород ($H_2$) — считается наиболее перспективным экологически чистым топливом. Единственным продуктом его реакции с кислородом (горения) является вода ($H_2O$). Реакция горения водорода выглядит так: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Таким образом, при использовании водорода в качестве топлива не происходит выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ, что делает его наиболее экологически чистым вариантом из перечисленных.

Таким образом, водород является самым экологически чистым топливом из представленных вариантов.

Ответ: 3

2. Из попутного нефтяного газа не может быть выделена следующая фракция

1) газовый бензин

2) пропан-бутановая смесь

3) сухой природный газ

4) газойль

Решение

Попутный нефтяной газ (ПНГ) — это смесь газообразных углеводородов, растворенных в нефти или находящихся в «шапках» нефтяных и газоконденсатных месторождений. По своему составу ПНГ представляет собой смесь легких алканов.

Основными компонентами попутного нефтяного газа являются:

• Метан ($CH_4$) и этан ($C_2H_6$), которые после переработки образуют сухой природный газ (вариант 3).
• Пропан ($C_3H_8$) и бутан ($C_4H_{10}$), из которых получают пропан-бутановую смесь (вариант 2), используемую в качестве сжиженного углеводородного газа (СУГ).
• Более тяжелые углеводороды, такие как пентан ($C_5H_{12}$), гексан ($C_6H_{14}$) и их изомеры. Эта смесь жидких углеводородов образует газовый бензин (вариант 1), который является ценным сырьем для нефтехимии.

Таким образом, фракции 1, 2 и 3 могут быть выделены из попутного нефтяного газа в процессе его переработки на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ).

Газойль (вариант 4) — это фракция, получаемая при прямой перегонке (ректификации) нефти. Газойль состоит из более тяжелых углеводородов (в основном от $C_{15}$ до $C_{25}$) и выкипает в диапазоне температур примерно от 200–250 °C до 350–400 °C. Эти углеводороды значительно тяжелее компонентов попутного нефтяного газа. Газойль является продуктом переработки нефти, а не попутного газа.

Следовательно, газойль не может быть выделен из попутного нефтяного газа.

Ответ: 4) газойль