3.4. Destylacja węgla kamiennego i ropy naftowej

Jak wyglądałby dzisiejszy świat, gdyby nagle wyczerpały się zasoby węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu ziemnego? Jak bardzo współczesna cywilizacja jest uzależniona od tych kopalin, które łącznie dostarczają dziś około 85% energii? Czy są to tylko surowce energetyczne? Dlaczego nadal są one dla nas takie ważne, mimo że ich wydobywanie i produkty ich spalania stanowią zagrożenie dla środowiska, w którym żyjemy?

Już wiesz: 

  • jak zbudowane są węglowodory i jakie mają właściwości;
  • jakie są naturalne źródła węglowodorów;
  • jaka jest różnica pomiędzy spalaniem całkowitym i spalaniem niecałkowitym związków organicznych.

Nauczysz się: 

  • jakie są różne źródła naturalnych surowców energetycznych;
  • na czym polega destylacja ropy naftowej i węgla kamiennego;
  • jakie zastosowaniea mają produkty destylacji ropy naftowej i węgla kamiennego.

1. Energetyczne surowce naturalne

Postęp ludzkości zawsze bazował na surowcach naturalnych, przy czym determinowany był nimi do tego stopnia, że nazwy epok (np. epoka kamienia, brązu, żelaza) są bezpośrednio związane z nazwami tych surowców. Rozwój cywilizacyjny jest uzależniony od potrzeb energetycznych. Człowiek pierwotny potrzebował niewielkiej ilości energii, by utrzymać właściwą temperaturę ciała, przygotować pożywienie czy odstraszyć dzikie zwierzęta. Obecnie rozwój nowych technologii i transportu, wzrost komfortu życia powodują, że energia – obok żywności i powietrza – jest jedną z największych potrzeb człowieka.
Współczesna energetyka wykorzystuje głównie nieodnawialne paliwa naturalne, tj.: węgle kopalne, ropę naftową i gaz ziemny oraz pierwiastki rozszczepialne – uran i tor. Ze względu na zmniejszanie się zasobów tych paliw trwają poszukiwania alternatywnych źródeł energii.
Głównym bogactwem energetycznym Polski są węgiel kamienny i brunatny, stąd też produkcja energii elektrycznej w naszym odbywa się z wykorzystaniem węgla. Złoża gazu ziemnego i ropy naftowej są niewielkie, dlatego te surowce energetyczne w dużej mierze importujemy.

2. Węgle kopalne

Antracyt, węgiel kamienny, węgiel brunatny i torf to odmiany węgli kopalnych. Ich złoża powstawały miliony lat temu w gorącym, wilgotnym klimacie, w warunkach beztlenowych. Odmiany węgli kopalnych różnią się barwą (od lekko brunatnej do intensywnie czarnej), twardością, połyskiem, zawartością procentową pierwiastka węgla, co wynika ze stopnia uwęglenia (karbonizacji) materii organicznej.

Ciekawostka

Najstarszą geologicznie odmianą węgli kopalnych, o największej procentowej zawartości pierwiastka węgla (ponad 98%), jest szungit. Powstał w wyniku karbonizacji antracytu, ponad 2 mld lat temu. Ma czarną barwę i charakteryzuje się intensywnym połyskiem. Jego nazwa pochodzi od miejscowości Szunga w północno-zachodniej Rosji.
Każda z odmian węgli kopalnych ma znaczenie praktyczne. Torf, ze względu na zawartość humusu, jest stosowany głównie w rolnictwie i ogrodnictwie do nawożenia gleb, choć np. w Irlandii i Finlandii nadal bywa stosowany jako opał. W medycynie jest wykorzystywany do leczenia m.in. chorób reumatycznych oraz niektórych schorzeń narządów wewnętrznych (np. kąpiele borowinowe). Węgla brunatnego używa się jako źródła energii – przede wszystkim w elektrociepłowniach. Jego luźna i porowata struktura pozwala na zatrzymanie wody, dlatego po zmieleniu z powodzeniem można go wykorzystać również do pielęgnacji trawników i roślin ozdobnych czy hodowli grzybów, np. boczniaków. Antracyt jest stosowany na niewielką skalę, głównie w procesach uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, do produkcji elektrod, a także jako opał do kominka.

3. Przetwarzanie węgla kamiennego

Węgiel kamienny może być wykorzystywany jako źródło energii w formie nieprzetworzonej. Spalanie całkowite węgla jest procesem egzoenergetycznym, co pozwala używać go jako materiału opałowego oraz umożliwia jego zastosowanie w przemyśle:
C + O IndeksDolny 2 KoniecIndeksów → CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 393,5kJ
Zdecydowaną część tego surowca poddaje się procesom przeróbki, w wyniku których otrzymuje się wiele cennych substancji. Jednym z takich procesów, który przeprowadza się w koksowniach, jest pirogenizacja, zwana: pirolizą, koksowaniem, odgazowaniem czy też suchą destylacją węgla kamiennego. Węgiel ogrzewa się do temperatury ok. 1000°C, bez dostępu powietrza. W tych warunkach następuje jego rozkład.
W wyniku suchej destylacji węgla kamiennego otrzymuje się produkty stałe: koks, ciekłe: smołę węglową i wodę pogazową (amoniakalną) oraz gazowe: gaz koksowniczy (świetlny). Koks jest praktycznie czystym węglem z niewielką domieszką związków nieorganicznych. Ma porowatą strukturę. Charakteryzuje się dużą wartością opałową. Smoła węglowa jest mieszaniną wielu związków chemicznych, głównie organicznych. Ma postać czarnej, gęstej cieczy o charakterystycznym zapachu. Destylacja frakcyjna smoły węglowej pozwala pozyskać szereg związków organicznych, które są cennymi surowcami dla przemysłu chemicznego. Pozostałość po destylacji smoły węglowej to tzw. pak węglowy. Służy do otrzymywania smoły i lepiku dachowego oraz do brykietowania pyłu węglowego. Woda pogazowa to wodny roztwór amoniaku i soli amonowych. Gaz koksowniczy jest mieszaniną wodoru, metanu, tlenku węgla(II). Wszystkie produkty suchej destylacji węgla kamiennego mają szerokie zastosowanie.

Polecenie 3.4.1.

Problem 1.
Odpowiedz na pytania:
Dlaczego wodę pogazową można nazwać inaczej wodą amoniakalną?

Wskazówka

Jaka substancja powstaje po zneutralizowaniu wody pogazowej kwasem siarkowym(VI)?
Problem 2.
Który z produktów pirogenizacji węgla kamiennego ma największe znaczenie w przemyśle?

Wskazówka

Który produkt pirolizy jest mieszaniną wielu związków chemicznych?
Problem 3.
Jaki składnik gazu koksowniczego przyczynił się do zastąpienia tego paliwa gazem ziemnym?

Wskazówka

Który ze składników gazu koksowniczego charakteryzuje się szczególną toksycznością?

Ciekawostka

Na początku XX wieku opracowano metodę produkcji syntetycznych paliw płynnych z węgla poprzez jego katalityczne uwodornienie. Metoda ta okazała się jednak nieopłacalna, ze względu na dużo niższe koszty pozyskiwania benzyny z ropy naftowej. Obecnie, w obliczu wyczerpywania się złóż ropy naftowej i wzrostu ceny tego surowca, w niektórych krajach, np.: w Chinach, Republice Południowej Afryki i Australii, technologia ta cieszy się rosnącą popularnością. Dzięki tej metodzie RPA pokrywa dzisiaj jedną trzecią swojego zapotrzebowania na paliwo.
Ciekawym procesem przeróbki węgla kamiennego jest również jego zgazowanie, w wyniku którego otrzymuje się gaz syntezowy, czyli mieszaninę tlenku węgla(II) i wodoru. Gaz ten jest cennym surowcem do produkcji m.in. benzyny syntetycznej i metanolu. Obecnie jednak bardziej opłacalne jest pozyskiwanie gazu syntezowego z gazu ziemnego.

4. Czarne złoto, czyli ropa naftowa

Ropę naftową wydobywano już w starożytności. Wykorzystywano ją wówczas, bez żadnego przetwarzania, jako lek na choroby skórne i reumatyzm. Służyła także do balsamowania zwłok. Niejednokrotnie używano ropy do celów wojennych, np. w walce z wrogiem stosowano płonące strzały oraz tzw. ogień grecki (łatwopalna ciecz, zawierająca m.in. ropę naftową, smołę, siarkę, saletrę, sól kamienną, żywicę, wapno palone). Ropa, zwana także olejem skalnym, powstała prawdopodobnie w wyniku rozkładu szczątków roślinnych oraz zwierzęcych w warunkach beztlenowych, przy udziale bakterii anaerobowych. Ropa naftowa jest mieszaniną kilku tysięcy substancji chemicznych, głównie węglowodorów (stałych, ciekłych i gazowych). Zawiera również związki siarki, azotu i tlenu. Ma postać gęstej cieczy o barwie ciemnobrunatnej i ostrym zapachu. Pali się żółtym kopcącym płomieniem.

Polecenie 3.4.2.

Wyjaśnij, dlaczego płonącej ropy nie gasi się wodą. W jaki sposób można zatem ugasić taki pożar?

Wskazówka

Zwróć uwagę na to, że cząsteczki substancji wchodzących w skład ropy naftowej są niepolarne, w odróżnieniu od wody, która jest polarna. Porównaj gęstość ropy naftowej (0,82–0,95g/cm3) z gęstością wody.
Początków przetwórstwa ropy naftowej należy szukać w Polsce. W 1853 roku polski chemik, farmaceuta i przedsiębiorca – Ignacy Łukasiewicz – wspólnie z Janem Zehem opracowali metodę destylacji ropy naftowej (destylacja frakcyjna, zwana również destylacją frakcjonowaną), uzyskując w ten sposób kilka produktów, m.in. naftę. Jeszcze w tym samym roku Łukasiewicz skonstruował lampę naftową. Odkrycie to miało bezpośredni wpływ na rozwój przemysłu naftowego. Założona przez niego kopalnia ropy naftowej w Bóbrce była pierwszym takim obiektem na świecie.

Ciekawostka

Po raz pierwszy lampa naftowa została wykorzystana 31 lipca 1853 roku do przeprowadzenia operacji nocą w lwowskim szpitalu. Dzięki temu udało się uratować życie pacjenta, który nie przeżyłby do rana. Lwowski szpital po tym wydarzeniu zamontował lampy naftowe w salach i zakupił 500 kg nafty, dokonując pierwszej na świecie transakcji naftowej. Lampa naftowa była źródłem światła tańszym w eksploatacji od olejów czy też oświetlenia gazowego oraz kilkakrotnie wydajniejszym niż świeca.

5. Destylacja ropy naftowej

Doświadczenie 3.4.1.  [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Destylacja ropy naftowej

Problem badawczy:  
Jakie substancje można wyodrębnić z ropy naftowej?
Hipoteza: 
Ropa naftowa jest mieszaniną wielu substancji chemicznych.
Co będzie potrzebne: 
  • ropa naftowa,
  • łuczywo,
  • czasza grzewcza,
  • kolba okrągłodenna o pojemności 250 cm3,
  • deflegmator,
  • kamyczki wrzenie,
  • termometr,
  • chłodnica,
  • 3 korki,
  • 3 kolby stożkowe,
  • 3 parowniczki porcelanowe.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Zmontuj zestaw do destylacji składający się z: kolby destylacyjnej, deflegmatora, termometru, chłodnicy i odbieralnika.
  2. 2.
    Do kolby wlej ok 100 cm3 ropy naftowej i dodaj kilka kamyczków wrzennych, aby zapobiec przegrzaniu się cieczy.
  3. 3.
    Kolbę ogrzewaj w czaszy grzewczej.
  4. 4.
    Poszczególne produkty destylacji ropy naftowej (frakcje) zbieraj do kolb stożkowych, w przedziałach temperatur: 40–180°C, 180–250°C i od 250–350°C, zamykając kolby korkiem.
  5. 5.
    Określ barwę i zapach poszczególnych frakcji.
  6. 6.
    Następnie przenieś po 1 cm3 każdej porcji destylatu do trzech parowniczek i za pomocą palącego się łuczywka zbadaj palność każdej z otrzymanych frakcji.
Podsumowanie: 
Podczas destylacji frakcyjnej ciecz w kolbie wrze, pary skraplają się w chłodnicy i spływają do odbieralników. Metoda ta pozwala na rozdzielenie składników ropy naftowej na poszczególne frakcje – destylaty mają inną temperaturę wrzenia i charakterystyczne zapachy. Różnią się barwą (od bezbarwnej, poprzez jasnożółtą, aż do brunatnej) oraz gęstością (gęstość poszczególnych frakcji jest coraz większa). Wszystkie próbki są palne, przy czym im wyższa temperatura wrzenia, tym trudniej następuje zapłon.

6. Znaczenie produktów pozyskiwanych z ropy naftowej

Ropa naftowa jest bez wątpienia jednym z najważniejszych surowców wykorzystywanych przez człowieka ze względu na duże znaczenie poszczególnych składników, jakie można z niej pozyskiwać. Stąd też rafinerie ropy naftowej pracują w tzw. procesie ciągłym. Na szczycie kolumny destylacyjnej odbierane są gazy rafineryjne, czyli mieszanina czterech pierwszych alkanów. Ponadto otrzymuje się cztery frakcje: benzynę, naftę, olej napędowymazut.
Frakcje o temperaturze wrzenia powyżej 350°C poddaje się destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem, uzyskując m.in.: oleje, wazelinę, parafinę, asfalt.

Polecenie 3.4.3.

Odpowiedź na pytania:
  • Dlaczego podczas destylacji ropy naftowej do ogrzewania kolby nie używa się otwartego źródła ciepła?
  • Z czego wynikają różnice we właściwościach poszczególnych frakcji ropy naftowej?
  • Z której frakcji będzie można otrzymać pentadekan?

Wskazówka

Na opakowaniu ropy naftowej umieszcza się taki sam piktogram jak na rozpuszczalniku do farb. Od czego zależy stan skupienia węglowodorów? Ile atomów węgla w cząsteczce zawiera pentadekan?
Dziś nikt nie ma wątpliwości, że ropa naftowa odgrywa ogromną rolę w funkcjonowaniu współczesnego świata. Jest tak cenna, że dostęp do terenów, na których występuje, często bywa przyczyną konfliktów zbrojnych. Produkty pochodzące z przerobu tego surowca otaczają nas na co dzień, począwszy od środków transportu, które poruszają się po asfaltowych drogach lub w przestworzach, po oleje, smary, smołę, tworzywa sztuczne, leki, gumę, kosmetyki, zabawki, materiały wybuchowe, odzież i inne wyroby codziennego użytku.

Ciekawostka

Współczesny świat nie jest w stanie na razie funkcjonować bez ropy. Wykorzystuje się ją niemal wszędzie, np.: do produkcji telefonu komórkowego zużywa się 16 litrów ropy naftowej, telewizora – 300 litrów, komputera – 600, jednego samochodu – aż 8 tys. litrów ropy.

7. Gaz ziemny

Gaz ziemny to tzw. błękitne paliwo, które może występować samodzielnie lub obok pokładów ropy naftowej. Jest to mieszanina lekkich węglowodorów, której głównym składnikiem jest metan. Zawiera również inne węglowodory, a także azot, tlenek węgla(IV) oraz bardzo często siarkowodór i hel. Ze względu na dwa ostatnie składniki gaz ziemny po wydobyciu wymaga oczyszczenia, ponieważ w innym wypadku powstający tlenek siarki(IV) powodowałby niebezpieczne zanieczyszczenia środowiska. Po odsiarczeniu cechuje go duża wydajność energetyczna, niska emisja gazów cieplarnianych, a także brak niebezpiecznych odpadów. Znaczenie tego surowca energetycznego, uważanego za najczystsze źródło energii, cały czas wzrasta.

Ciekawostka

Gaz łupkowy to rodzaj gazu ziemnego, który można otrzymać ze skał łupkowych – drobnoziarnistych skał osadowych, charakteryzujących się dużą zawartością materii organicznej i małą przepuszczalnością. Gaz ten ma skład zbliżony do tego, który pozyskuje się ze źródeł konwencjonalnych, choć jego zaletą jest to, że nie zawiera siarkowodoru. Problem tkwi w pozyskiwaniu tego surowca. Wydobywanie gazu z łupków wiąże się bowiem z koniecznością wytworzenia szczelin w skale tak, aby gaz ten mógł w kontrolowany sposób przenikać do otworu wiertniczego.

Podsumowanie

  • Do naturalnych paliw kopalnych zaliczamy: węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, ropę naftową i gaz ziemny.
  • W wyniku ogrzewania węgla kamiennego w temperaturze ok. 1000°C bez dostępu powietrza (proces pirogenizacji) powstają: koks, smoła węglowa, woda pogazowa i gaz koksowniczy.
  • Destylacja frakcyjna ropy naftowej, pod ciśnieniem normalnym, pozwala pozyskać: gazy rafineryjne, benzynę, olej napędowy i mazut.
  • Destylacja mazutu pod zmniejszonym ciśnieniem prowadzi do uzyskania m.in.: olejów, asfaltu naftowego, smoły, wazeliny, parafiny.

Praca domowa

Polecenie 3.4.4.

Problem 1.
Jakie zagrożenia dla środowiska przyrodniczego stanowi eksploatacja węgla kamiennego i brunatnego oraz wydobycie i transport ropy naftowej?
Problem 2.
Standardową jednostką objętości w przemyśle naftowym jest baryłka. Jedna baryłka to 42 galony amerykańskie. Wiedząc, że 1 galon to 3,785 litra, oblicz, ile litrów ropy naftowej mieści się w baryłce. Wynik podaj z dokładnością do liczb całkowitych.
Problem 3.
W Europie produkcję ropy naftowej określa się w tonach. Przeliczanie baryłek na tony zależy od gatunku ropy. Gęstość ropy typu brent, która pochodzi z pól naftowych na Morzu Północnym, wynosi ok. 0,835 g/dm3. Oblicz, ile kilogramów waży 1 bryłka tej ropy. Ile baryłek ropy naftowej przypada wówczas na 1 tonę? Wyniki podaj z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Słowniczek

Definicja

destylacja –
metoda rozdzielania składników ciekłej mieszaniny, wykorzystująca różnice w ich temperaturach wrzenia; proces destylacji polega na odparowywaniu kolejnych składników mieszaniny, a następnie skraplaniu ich par w wyniku oziębienia

Definicja

destylacja frakcyjna (destylacja frakcjonowana, rektyfikacja) –
metoda rozdzielania składników mieszaniny wieloskładnikowej na frakcje

Definicja

frakcja –
mieszanina substancji o zbliżonych temperaturach wrzenia, mieszczących się w określonym przedziale wartości

Biogram 

Ignacy Łukasiewicz
Data urodzenia 
08.03.1822
Miejsce urodzenia 
Zaduszniki
Data śmierci 
07.01.1882
Miejsce śmierci 
Chorkówka
Aptekarz, konstruktor lampy naftowej i twórca przemysłu naftowego w Polsce. Jako pierwszy człowiek na świecie przeprowadził destylację ropy naftowej i założył pierwszą kopalnię ropy naftowej.

Definicja

sucha destylacja –
proces polegający na termicznym odgazowaniu paliw stałych bez dostępu powietrza

Zadania

Zadanie 3.4.1.

Zadanie 3.4.2.

Zadanie 3.4.3.

Zadanie 3.4.4.

Zadanie 3.4.5.

Zadanie 3.4.6.