Naturalne źródła węglowodorów

Węglowodory

Węglowodory są to związki węgla z wodorem. Najogólniej dzielimy je na dwie duże grupy: węglowodory łańcuchowe (alifatyczne) - w nich atomy węgla łączą się w łańcuchy otwarte, oraz węglowodory pierścieniowe (alicykliczne). Stanowią one jedną z największych grup związków organicznych. Najbardziej użytecznymi węglowodorami w przyrodzie są ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

Naturalne źródła węglowodorów

Źródłem węglowodorów jest przede wszystkim ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny. Węglowodory gazowe powstają z gazu ziemnego, a węglowodory ciekłe i stałe - głównie z ropy naftowej. Znajdują one zastosowanie m.in. jako paliwa silnikowe, do celów opałowych oraz jako podstawowy surowiec w przemyśle organicznym.

a) Ropa naftowa

Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów. Występuje ona głównie na obszarach krajów byłego Związku Radzieckiego, USA, Wenezueli, Bliskiego Wschodu, Nigerii, Rumunii i kilku innych państw. W Polsce niewielkie złoża roponośne znajdują się w okolicach Sanoka, Jasła, Krosna i Gorlic. Pochodzenie ropy naftowej próbowały tłumaczyć dwie teorie, mianowicie Mendelejewa - tzw. węglikowa, i polskiego chemika - Radziszewskiego, tłumacząca powstanie ropy naftowej jako wynik rozkładu w głębi skorupy ziemskiej (pod wpływem ogromnego ciśnienia i bez dostępu powietrza) fauny i flory, bujnie rozwiniętej we wcześniejszych epokach geologicznych.

Skład chemiczny ropy naftowej waha się w szerokich granicach w zależności od miejsca jej wydobycia. Na przykład ropy rosyjskie zawierają głównie węglowodory o budowie pierścieniowej, którym odpowiada wzór ogólny CnH2n; ropa pensylwańska zawiera prawie wyłącznie węglowodory nasycone. W ropach naftowych oprócz węglowodorów występują różne substancje, zawierające w swoim składzie tlen, siarkę i azot. Prawie zawsze pokładom ropy naftowej towarzyszy gaz ziemny.

Ropę naftową poddaje się destylacji frakcjonowanej, umożliwiającej rozdzielenie jej na poszczególne frakcje węglowodorowe, różniące się temperaturami wrzenia. W tym procesie uzyskuje się: benzynę (40-180C), naftę (180-280C), oleje napędowe (280-350C) oraz mazut (powyżej 350C), który podlega dalszej obróbce. Z mazutu otrzymujemy oleje smarowe i asfalt.

b) Gaz ziemny

Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów nasyconych występujących w temperaturze pokojowej w stanie gazowym. Zdecydowaną przewagę w tej mieszaninie stanowi metan (zawartość metanu w gazie dochodzi do 95% i więcej). Wykorzystywany jest jako tanie paliwo oraz cenny surowiec chemiczny.

W skład gazu ziemnego poza metanem wchodzą w niewielkich ilościach najbliższe jego homologi (etan, propan, butan) oraz niewielkie ilości azotu i helu. Towarzyszy zazwyczaj złożom ropy naftowej i jest wydobywany razem z nią. Znane są takie złoża, w których gaz występuje samodzielnie. Gaz ziemny znajduje się w złożu pod wysokim ciśnieniem, toteż po wywierceniu otworu sięgającego złoża i obudowaniu go rurami, gaz wypływa pod własnym ciśnieniem. Gaz wydobywany ze złoża wymaga zawsze oczyszczenia. Niektóre gatunki gazu ziemnego zawierają domieszkę siarkowodoru i innych związków siarki. Są to składniki bardzo niepożądane, ponieważ w wyniku spalania dają dwutlenek siarki, który dostając się do środowiska powoduje bardzo groźne w skutkach skażenie środowiska.

Gaz ziemny jest nie tylko cennym i tanim paliwem, ale odgrywa doniosłą rolę jako surowiec dla przemysłu chemicznego. Wykorzystuje się go głównie do otrzymywania acetylenu (węglowodór nienasycony o składzie chemicznym C2H2), wodoru i czystej sadzy.

c) Węgiel kamienny

Bardzo cennym źródłem - zarówno węglowodorów, jak i innych bardziej złożonych substancji organicznych - jest węgiel kamienny. Węgiel jest produktem przemiany roślinnych substancji organicznych na dużych głębokościach, czyli pod ogromnym ciśnieniem, w wysokiej temperaturze i bez dostępu powietrza.

Podstawowy proces przerobu węgla polega na jego prażeniu w temperaturze 1000-1200C bez dostępu powietrza nazywamy koksowaniem. Proces ten przeprowadza się w specjalnych piecach koksowniczych uzyskując koks, smołę pogazową, wodę pogazową (amoniakalną) i gaz koksowniczy.

Gaz koksowniczy zawiera 50-60% wodoru, 25-35% metanu, niewielkie ilości etanu i etylenu, tlenek węgla i inne gazy. Gaz ten zużywa się częściowo jako paliwo, a częściowo poddaje się dalszej obróbce chemicznej. Ma on wysoką wartość opałową. Część produkowanego gazu zużywa sama koksownia do ogrzewania baterii koksowniczych, a nadwyżki przekazuje się do celów opałowych lub jako surowiec dla przemysłu chemicznego.

Woda pogazowa stanowi mieszaninę zawierającą amoniak, sole amonowe, pirydynę, fenole i inne związki. Jest surowcem do otrzymywania amoniaku i siarczanu amonu.

Smoła węglowa ma największe znaczenie z punktu widzenia przemysłu chemicznego. Znajduje się w niej wiele różnorodnych związków organicznych - głównie tak zwanych węglowodorów aromatycznych, odgrywających ogromną rolę jako surowce chemiczne. Dlatego też smołę węglową poddaje się destylacji frakcyjnej; poszczególne frakcje poddaje się dalszej obróbce i wykorzystuje do produkcji leków, barwników, tworzyw sztucznych, rozpuszczalników itd. Pozostałość po destylacji smoły węglowej, nazywana pakiem, używa się do budowy nawierzchni dróg lub poddaje przeróbce na koks pakowy, wykorzystywany do produkcji elektrod.

Koks jest praktycznie czystym węglem z niewielką domieszką związków nieorganicznych (popiołu). Charakteryzuje się specyficzną, porowatą strukturą i wysoką wytrzymałością mechaniczną. Głównym odbiorcą koksu jest hutnictwo żelaza, ponieważ stanowi on składnik wsadu wielkopiecowego.

Przemysł chemiczny wyrósł na podłożu surowców otrzymywanych z węgla. Jednak później rola węgla malała, ponieważ podstawowymi surowcami tego przemysłu stały się gaz ziemny i ropa naftowa. Zadecydowały o tym czynniki ekonomiczne i technologiczne. Obecnie zapotrzebowanie na energię i surowce jest duże. Pokrywa się je wykorzystaniem wszystkich trzech podstawowych surowców energochemicznych, czyli gazu ziemnego, ropy naftowej i węgla kamiennego.

Co w przyszłości?

Zasoby paliw kopalnych wkrótce się wyczerpią - to jedna z niewielu rzeczy, co do których wszyscy uczeni się zgadzają. Gdyby człowiek został pozbawiony tych złóż już dziś, cofnąłby się pewnie do epoki kamienia gładzonego.

Chcąc temu zapobiec, opracowano kilka alternatywnych - odnawialnych źródeł energii:
• Energia słoneczna - za pomocą ogniw fotoelektrycznych przekształcić ją można w elektryczną. Jest to jednak energia bardzo droga (drogie są baterie słoneczne i specjalne kolektory energii)
• Energia wiatru - jej plusami są: całkowity brak zanieczyszczeń i odnawialność. Niestety wiatr, jak to wiatr, wieje nie zawsze i nie wszędzie, dlatego turbiny wirnikowe muszą być ustawione w odpowiednim miejscu.
• Energia pływów morskich - wydajna tylko przy fali wyższej niż 5m. Konieczne jest także odpowiednie ukształtowanie dna. Dotychczas powstała tylko jedna taka elektrownia, we Francji. Oprócz szukania nowych źródeł energii uczeni stale badają możliwość lepszego i ekonomiczniejszego wykorzystania paliw kopalnych.