|
 |
|
imam ih više.
Kako su nastala fosilna goriva?
Kako uporabljujemo fosilna goriva?
Koji darivati nafte?
Možete li mi nešto reći o kemijskim svojstvima i ekologiji
|
|
Ime i prezime:
VIKTOR BOGDAN
viktor.bogdan@os.hinet.hr
|
 |
 |
Imamo dosta pitanja tipa sve o fosilnim gorivima pa sam odlučio napisati nešto više o njima. Svima koje ovo područje više zanima preporučujem da pogledaju naše stare odgovore i različite druge izvore poput stručnih časopisa (Priroda, Kemija u industriji), enciklopedije, udžbenike, Internet...
Da ne duljim, idemo redom, ugljen, nafta i zemni plin.
Ugljen
Ugljen je smeđa do crna čvrsta tvar koja nastaje pougljenjivanjem biljnih ostataka u tlu pri uvjetima visokog tlaka i temperature i bez prisutnosti kisika. Danas iskopan ugljen star je između 200 i 300 milijuna godina. Tada su postojala prostrana močvarna područja s bujnom vegetacijom (klima je bila toplija nego danas). U takvom okolišu (voda niskog pH vrlo siromašna kisikom) mikroorganizmi vrlo polagano razgrađuju organsku tvar. Gomilaju se celuloza i lignin, netopljivi sastojci biljaka koji su u inače teško razgradivi, nastaje treset. Očuvanju tih ostataka pogodovalo je povremeno poplavljivanje tih biljnih zajednica (podizanje morske razine) tijekom kojih je taložen mineralni sediment. Ugljen se obično nalazi u 'sendvič' slojevima ugljen – sedimentne stijene – ugljen – sedimentne stijene... Svaki sloj taloži se tijekom tisuća godina. U ugljenu nema životinjskih ostataka jer uvjeti ne podržavaju mineralizaciju životinjskih leševa. Osim površinskim taloženjem, slojevi treseta (preteča ugljena) dospjeli su dublje pod površinu Zemlje raznim geološkim procesima gdje su djelovanjem visoke temperature i tlaka pougljenili.
Prvo nestaju karakteristične molekule (celuloza) uz smanjivanje sadržaja kisika i vodika. Povećava se udio aromatskog ugljika (ugljika u aromatskim strukturama). Na kraju se gube hlapljive komponente poput vode, ugljikova monoksida i dioksida, lakih ugljikovodika... S vremenom, naravno, ako uvjeti dopuštaju, ugljen evoluira od lignita koji je po strukturi još sličan drvetu do antracita, rijetkog, ali najboljeg ugljena po energijskim osobinama.
Od lignita do antracita raste sadržaj ugljika, povećava se tvrdoća i smanjuje reaktivnost. Reaktivnost je povezana s površinom (reakcije se zbivaju na površini, što je površina veća to su reakcije brže). Ugljen je općenito vrlo porozan i ima veliku površinu, ali antracit je najkompaktniji s najmanjom površinom jer je 'preživio' najveće temperature i tlakove.
Tablica 1. Sastav pojedinih vrsta ugljena i energijske vrijednosti za sirovi (vlažan) i suhi ugljen.
Molekulska struktura ugljena je dosta istraživana (u pitanju su veliki novci), no još je dosta nejasnoća. Čitav komad ugljena, pa ni njegov neznatni djelić, ne može se prikazati jednom formulom, ipak, nešto čemu vjerojatno nalikuje 'molekula ugljena' ili njezin fragment, prikazano je na slici 1. Antracit bi imao više kondenziranih aromatskih sustava, a lošije vrste ugljena su bogatije heteroatomskim skupinama (kisik, dušik, sumpor) i alifatskim bočnim ograncima. Kad smo već kod toga, da spomenem da sadržaj sumpora jako utječe na kvalitetu ugljena, samim tim i na cijenu. Više sumpora znači i više štetnih produkata gorenja (oksidi sumpora).
Slika 1. Dvodimenzijski dijagram jedne od mogućih molekulskih vrsta iz ugljena.
I nešto o upotrebi ugljena. Osim izravno kao gorivo, od ugljena se može dobiti i niz korisnih produkata. Zagrijavanjem ugljena nastaje sintetički plin, bogat metanom i energijom (ΔH približno -20 000 kJ/m3). Vodeni plin nastaje reakcijom ugljena i pregrijane vodene pare. Produkt je smjesa ugljikova monoksida, ugljikova dioksida i vodene pare. Točan sastav ovisi o uvjetima dobivanja. Iz vodenog plina može se dobiti vodik ili sintetizirati čitav niz važnih industrijskih spojeva (amonijak, metanol, metan...), čak i benzin (vidi odgovor 603).
Nafta
Nafta je tekuća smjesa ugljikovodika, ponekad vode i još nekih tvari, ali ugljikovodika ima uvijek više od 50 % (obično oko 95 %). Frakcijskom destilacijom odvajaju se spojevi bliskog vrelišta (ne moraju imati sličnu strukturu), a za većinu primjena to je dovoljno. Pojedini spojevi, ako je potrebno, npr. za sinteze, mogu se izolirati dodatnim destilacijama ili nekim drugim postupcima.
Tablica 2. Osnovne frakcije dobivene frakcijskom destilacijom nafte u rafinerijama.
Vrsta spojeva varira. Nafta iz nekih nalazišta bogata je lako hlapljivim spojevima, iz drugih je bogata aromatskim, a negdje ima dosta nezasićenih ugljikovodika itd. Benzin je najdragocjenija frakcija nafte (o tome više u odgovoru broj 603).
Između znanstvenika pobornika dviju teorija o postanku nafte još se vode žučne rasprave. Jedni (većina) zagovaraju bioorgansko podrijetlo. Po njima nafta potječe od morskih organizama, uglavnom planktonskih cijanobakterija (modrozelene alge) i algi, čiji su se ostaci taložili na morsko dno gdje su bili pokriveni sedimentom. Zbivale su se reakcije slične reakcijama kod nastanka ugljena; prvo djelomična razgradnja od strane mikroorganzama, a onda kemijske promjene pri visokom tlakom i temperaturi.
Druga teorija isključuje organizme. Duboko pod površinom (ponovo visok tlak i temperatura) reakcijom vode s mineralnim tvarima (karbonatima), nastaju ugljikovodici. Nafta je vjerojatno dijelom jednog i dijelom drugog podrijetla, a udio mehanizama se razlikuje od mjesta do mjesta. U svakom slučaju u nafti se mogu pronaći ostaci mikroorganizama – molekule koje ih izgrađuju. To, međutim, nije direktni dokaz da je nafta nastala od njih jer mikroorganizmi mogu dospjeti u naftu i sasvim slučajno, neki se čak naftom hrane ili love i 'jedu' ove prethodne.
Frakcije nafte koriste se izravno ili nakon dodatne obrade, od plina do asfalta. Nafta je dragocjenija kao izvor različitih organskih spojeva za kemijsku industriju. Danas se traže nadomjestci za benzin kako bi se veći dio lakih frakcija nafte mogao upotrijebiti u druge svrhe (alkohol, benzin iz ugljena, biodizel).
Prirodni plin (zemni plin)
Jedna je teorija o postanku ugljena, dvije o postanku nafte, a za prirodni plin imamo ih čak tri. I sve tri vjerojatno vrijede.
Prva. Zemni plin nastao je od ugljikovodika nafte kada je izložena višim tlakovima i temperaturama nego što normalno je. Istina je da zemni plin često prati naftu u nalazištima.
Druga. Plin može nastati reakcijom vode i minerala (kako je već opisano za naftu).
Treća. Metanogeni mikroorganizmi, prokarioti, slični bakterijama) ugljikov dioksid ili neke jednostavne organske spojeve poput acetata reduciraju do metana. Čini se da od njih potječe glavnina prirodnog plina i metanova hidrata (pomalo čudan spoj vode i metana kojeg u velikim količinama ima na oceanskom dnu). Sigurno je da (Archaea proizvode većinu metana koji se nalazi u zraku.
Metan je glavni sastojak prirodnog plina. U zemnom plinu ima i vodene pare, a ponekad i spojeva sumpora koji daju neugodan miris. Ponekad se spojevi sumpora i dodaja iz sigurnosnih razloga jer ostali sastojci nemaju mirisa.
Tablica 3. Prosječni sastav zemnog plina.
Zemni plin se koristimo većinom kao gorivo (ΔH oko -40 000 kJ/m3) i mnogo manje u sintetskoj kemijskoj industriji. Plin iz nekih nalazišta, sadrži veće koncentracije helija (helij nastaje radioaktivnim raspadom elemenata u stijenama) i to je jedini komercijalno isplativ izvor helija.
|
|
|
Odgovorio:
Kristijan A. Kovač
kkovac@chem.pmf.hr
<-- Povratak
|
|
|
Postavite
pitanje iz bilo kojeg područja kemije i
e-škola će osigurati da dobijete odgovor od kompetentnog znanstvenika. |
  |
|
