Węglowodory w przyrodzie

Paliwa kopalne są pozostałością po roślinach i zwierzętach żyjących na Ziemi miliony lat temu. Z drzew oraz innych roślin powstały złoża węgla, podczas gdy gaz ziemny i ropa naftowa powstały ze szczątków drobnych organizmów roślinnych i zwierzęcych które przed milionami lat żyły w morzach i jeziorach. Obumarłe, opadały na dno, gdzie były częściowo rozkładane przez żyjące tam bakterie i zasypywane kolejnymi warstwami sedymentujacego materiału. Wiele szczątków przykryły gliny, które w trakcie milionów lat pod wpływem wysokiego ciśnienia przekształciły się w skałę zwaną łupkiem. Ciśnienie i temperatura spowodowały także transformację szczątków organicznych w ropę naftową i gaz ziemny (składający się głównie z metanu). Działające wciąż ciśnienie wypchnęło ze skały gaz i ropę, które zaczęły wędrówkę ku górze przez przepuszczalne (porowate) warstwy skalne. Większość ropy i gazu została jednak uwięziona pod warstwami nieprzepuszczalnymi. Większość z najbogatszych złóż ropy zalega na dużych głębokościach i ich eksploatacja wymaga dużych nakładów finansowych, związanych z głębokimi odwiertami. Już Chińczycy ok. 320 p.n.e. rozpoczęli wiercenia w poszukiwaniu ropy, jednak nigdy nie wiercili zbyt głęboko. W czasach nowożytnych pierwszy udany odwiert w poszukiwaniu ropy wykonał w Pensylwanii w 1859r. Edwin Drake. Był to otwór o głębokości ok.30m. To przedsięwzięcie można uznać za początek nowożytnej historii przemysłu przetwórstwa ropy naftowej. Złoża ropy naftowej znajdują się na wszystkich kontynentach, często pod dnem morskim, w szelfach kontynentalnych blisko brzegu. Niektóre pola roponośne są wykorzystywane, inne wciąż jeszcze czekają na odkrycie i eksploatację. Szacuje się, że rezerwy ropy naftowej wystarczą na mniej więcej 40 lat. Jeśli wydobycie utrzyma się na poziomie z roku 1988. szacunki opierały się na dwóch danych – szacunkowej zasobności znanych złóż, których eksploatacja możliwa jest przy zastosowaniu obecnie znanych technologii oraz wysokości średniego światowego wydobycia w danym roku. Oczywiście liczby te mogą się zmieniać, w zależności od wykorzystywanych technologii.
Przed rokiem 1970 W. Brytania była niemal całkowicie uzależniona od importu ropy, odkrycie złóż ropy pod dnem Morza Północnego w 1969r. całkowicie zmieniło tę sytuację ,czyniąc ten kraj jednym z głównych producentów ropy na świecie. Największe złoża ropy znajdują się w krajach arabskich Bliskiego Wschodu i stanowią ok.65% znanych rezerw ropy naftowej. Pod koniec lat 80 Iran, Irak, Kuwejt i Zjednoczone Emiraty Arabskie posiadały udokumentowane złożą ropy, które przy poziomie wydobycia z 1988r. wystarczyło by na 100 lat. Na początku 1989r. rezerwy Arabii Saudyjskiej (ok.25% światowych zasobów) szacowano na 90 lat. Dzięki odkryciu nowych złóż w 1990r. czas ten przedłużył się o 50 lat.
Pod koniec lat 80 czołowym producentem ropy był ZSRR, dostarczający około 18% światowego wydobycia ropy naftowej. Z 15 republik największy udział w wydobyciu miały: Rosja, Azerbejdżan, Kazachstan, Kirgizja, Tadżykistan, Turkmenia, Ukraina i Uzbekistan. Stany Zjednoczone, zajmując drugie miejsce, dostarczyły wraz z Kanadą w 1990 roku 16% ropy. Kolejne miejsca zajmowały Arabia Saudyjska, Iran, Meksyk, Chiny, Wenezuela, Irak i Wielka Brytania. Poziom wydobycia zależy od popytu na światowych rynkach np. recesja we wczesnych latach 90 spowodowała spadek zapotrzebowania na ropę, a co za tym idzie zmniejszenie wydobycia. W Polsce od wielu lat eksploatowane są złoża w Karpatach fliszowych, pewne ilości ropy naftowej uzyskano w zapadlisku przedkarpackim oraz z obszaru Ziemi Lubuskiej.

Do połowy XIX wieku ropa naftowa miała bardzo nieliczne zastosowania. W 1853r. nasz rodak Ignacy Łukasiewicz opracował metodę otrzymywania z ropy naftowej i skonstruował lampę naftową. W rok później uruchomił w Bóbrce pod Krosnem pierwszą w świecie kopalnie ropy naftowej. W latach 90 XIX w. znaczenie ropy znacznie wzrosło, gdyż stała się ona surowcem do produkcji paliw do silników spalinowych. Wiele różnych substancji, włączając w to benzynę i naftę, otrzymuje się z ropy naftowej w trakcie procesu destylacji frakcyjnej, czyli rektyfikacji. Ropa naftowa jest ogrzewana, a ulatniające się pary są rozdzielane według temp. wrzenia i skraplane w specjalnych zbiornikach. Powstałe produkty, zwane destylatami, są podstawą do dalszej obróbki w wyniku której otrzymujemy chemikalia, tworzywa sztuczne, detergenty, gumy, środki znieczulające i owadobójcze, materiały wybuchowe, gumę do żucia, woski, barwniki, kosmetyki, konserwanty, sztuczny jedwab, kleje, lekarstwa oraz farby.
Zasoby ropy na pewno kiedyś się wyczerpią zwłaszcza że proces jej powstawania jest niezwykle wolny, dlatego już teraz należy poszukać alternatywnych źródeł energii. Zanim jednak będzie można na wielką skalę pozyskiwać energię z innych źródeł, należy bardzo racjonalnie gospodarować zasobami najważniejszego obecnie źródła energii – ropy naftowej.

Węgiel jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na kuli ziemskiej. Po pierwsze jest skałą pochodzenia organicznego czyli powstałą ze szczątków organizmów żywych. Po drugie, w przeciwieństwie do innych skał pali się, wydzielając dużo ciepła.
Większość złóż węgla formowała się od 360 do 286 milionów lat temu i właśnie z tego powodu ten okres w dziejach Ziemi został nazwany karbonem. Węgiel powstał na bagnistych obszarach które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Drzewa z tamtego okresu w bardzo małym stopniu przypominały jednak te, które spotykamy współcześnie. Do największych należały gigantyczne paprocie, skrzypy i widłaki. Szczątki obumarłych roślin opadały na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii, rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniają się w torf. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną na złożach torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku milimetrów do kilku metrów.
Węgiel jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. Specjaliści obliczyli, że przy obecnym zużyciu znane ludziom złoża powinny wystarczyć na ponad 200 lat. Jednocześnie szacuje się że nasza planeta kryje zasoby piętnastokrotnie większe od dotychczas poznanych. Spośród obecnie dostępnych, ⅔ światowych zasobów węgla znajduje się na obszarze trzech krajów – w Stanach Zjednoczonych 30%, w Rosji i byłych republikach radzieckich 25%, oraz w Chinach 10%. Wśród największych potentatów w wydobyciu węgla należy wymienić również Australię, Kanadę, Niemcy, Indie, Polskę, Republikę Południowej Afryki oraz W. Brytanię. W Ameryce Południowej węgiel wydobywa się jedynie w czterech krajach – w Argentynie, Brazylii, Chile i w Kolumbii. Eksploatacja tych złóż jest bardzo utrudniona, ponieważ większość z nich znajduje się głęboko pod ziemią, na obszarach porośniętych przez lasy tropikalne. Spośród 52 krajów afrykańskich, jedynie w 8 wydobywa się węgiel. Najwięcej w RPA i Zimbabwe, resztę w Algierii, Maroku, Mozambiku, Nigerii, Tanzanii i Zairze.
Koks jest produkowany w procesie suchej destylacji, inaczej koksowania węgla. Polega on między innymi na prażeniu węgla bez dostępu tlenu celem usunięcia zawartego w nim gazu i smoły. Powstający w tym procesie gaz koksowniczy jest cennym, wysokokalorycznym paliwem. Cennym surowcem jest także smoła. Zawiera ona przeszło 200 związków chemicznych, z których znaczna część ma duże znaczenie w takich procesach technologicznych jak produkcja tłuszczów, mydeł, barwników, lekarstw, aromatów, rozpuszczalników, tworzyw sztucznych, materiałów wybuchowych, środków owadobójczych i innych.

Zanieczyszczenie atmosfery jest często widoczne gołym okiem. Nieobcy jest nam widok dymiących kominów oraz sadzy wydobywającej się z rur wydechowych ciężarówek. Dym jest mieszaniną wielu związków chemicznych. Jego toksyczność wzrasta przy słonecznej pogodzie w skutek zachodzenia reakcji zapoczątkowanych przez promienie słoneczne. W rezultacie tworzy się smog posiadający nieprzyjemny zapach i powodujący łzawienie. Słynna londyńska mgłą była kiedyś efektem smogu. Ogrzewanie wielomilionowego miasta mnóstwem piecyków węglowych instalowanych w każdym mieszkaniu powodowało w zimie ogromną emisję dymu, który w niesprzyjających warunkach atmosferycznych zalegał nad miastem całymi tygodniami. Smog występuje między innymi w Zagłębiu Ruhry na Górnym Śląsku i w przemysłowych północnych Czechach. Efektem zatrucia atmosfery jest wzrost zachorowalności na astmę i bronchit. Związki chemiczne powodujące skażenia atmosfery pojawiają się w łańcuchu pokarmowym, gdyż są pochłaniane przez komórki roślin rosnących na skażonych terenach. Żywność też nie jest od tego wolna, występuje w niej przykładowo ołów który mimo że zjadany w śladowych ilościach ma niszczący wpływ na układ nerwowy człowieka. Ołów jest emitowany do atmosfery przez pojazdy, gdyż czteroetylek ołowiu był do niedawna stosowany jako główny dodatek do benzyn, zwiększający ich odporność na spalanie eksplozyjne tzw. liczbę oktanową. Dziś redukcję emisji ołowiu osiągnięto w niektórych krajach przez zachęcanie kierowców do używania benzyny bezołowiowej. Wprowadzono także normy regulujące maksymalną emisję innych trujących związków przez samochody. Zmusiło to wytwórców do montowania w autach katalizatorów, w których zachodzi utlenienie tlenków węgla i azotu do stosunkowo nieszkodliwych związków. W walce z zanieczyszczeniem powietrza władze lokalne decydują się często na instalowanie systemu monitorującego skażenie. Mierzy się stężenie metali ciężkich, tlenków azotu, dwutlenku siarki(główny sprawca skażenia atmosfery) oraz czadu czyli tlenku węgla.
Innym problemem są katastrofy wielkich tankowców, powodujące bardzo poważne zatrucie wielu setek kilometrów plaż oraz wszelkich akwenów morskich. Straty w populacji ptaków morskich po awarii tankowca u wybrzeży Alaski w 1989r. udało się zniwelować dopiero po 7 latach. Ale mimo stosunkowej szybkiej odbudowy populacji niektórych dużych, silnych gatunków, liczebność innych wciąż jest bardzo mała w porównaniu do sytuacji przed tragedii. Szczególnie zła jest sytuacja uchatki kalifornijskiej, której liczebność w tym rejonie malała jeszcze przed katastrofą. Tendencja ta utrzymuje się w dalszym ciągu, skutkiem spadku liczebności ryb stanowiące główne pożywienie tych ssaków. Skażenie wód morskich ropą zdarza się również przy czyszczeniu tankowców, wypadkach na morskich platformach wydobywczych. Kiedyś przy usuwaniu skutków katastrofalnych wycieków ropy naftowej powszechnie używano detergentów, powodujących rozbicie oleistej powłoki. Dziś wiadomo, że ich stosowanie może potęgować szkody wyrządzoną przez samą ropę, dlatego w pewnych sytuacjach pozwala się na naturalne rozproszenie i zneutralizowanie ropy.