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.

R1Xl7CidnRe6W1

Schemat przedstawiający nieodnawialne i odnawialne źródła 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.

Ryj259dvsK6Jr1

Ilustracja przedstawia mapę Polski z podziałem na województwa. Oznaczono i opisano główne miasta. Na mapie przedstawiono występowanie i wydobycie surowców energetycznych.Kolorem szarym zaznaczono obszary, na których występują złoża węgla kamiennego, a kolorem brązowym obszary, na których występują złoża węgla brunatnego. Kolorem fioletowym zaznaczono obszary, na których występują złoża ropy naftowej i gazu ziemnego. Za pomocą sygnatur oznaczono miejsca ich wydobycia. Zasadniczo pokrywają się one z miejscem występowania złóż.Opisano nazwy okręgów przemysłowych.Złoża węgla kamiennego występują w województwie śląskim, tam też jest największe wydobycie. Drugim obszarem dużego występowania, ale mniejszego wydobycia złóż węgla kamiennego jest Lubelskie Zagłębie Węglowe.Złoża węgla brunatnego zlokalizowane są w wielu miejscach w województwie lubuskim, wielkopolskim, dolnośląskim i łódzkim ale wydobycie odbywa się tylko w kilku rejonach, jak Zagłębie Bełchatowskie, Konińskie i Turoszowskie.Ropa naftowa i gaz ziemny występują i są wydobywane w województwie podkarpackim, lubuskim, w środkowej części województwa wielkopolskiego, północnej części województwa zachodnio-pomorskiego oraz w północnej części województwa dolnośląskiego. Przeważa wydobycie gazu ziemnego. Na dole mapy w legendzie opisano znaki użyte na mapie.

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.

Ruz0Jrqk8XbIm1

Szungit

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.

R1TgmiUSJ2ST01

Rodzaje węgli kopalnych

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:

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 destylacjąsucha destylacjasuchą destylacją węgla kamiennego. Węgiel ogrzewa się do temperatury ok. 1000°C, bez dostępu powietrza. W tych warunkach następuje jego rozkład.

R1XOWvAtzEuIQ1

Film przedstawiający pirolizę węgla kamiennego

Film przedstawiający pirolizę węgla kamiennego

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film przedstawiający pirolizę węgla kamiennego

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.

R4YSJqSSxV3Pm1

Zastosowanie produktów destylacji węgla kamiennego

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.

R153OMNDBD7Yz1

Złoża ropy naftowej

Początków przetwórstwa ropy naftowej należy szukać w Polsce. W 1853 roku polski chemik, farmaceuta i przedsiębiorca – Ignacy ŁukasiewiczIgnacy ŁukasiewiczIgnacy Łukasiewicz – wspólnie z Janem Zehem opracowali metodę destylacji ropy naftowej (destylacja frakcyjnadestylacja frakcyjna (destylacja frakcjonowana, rektyfikacja)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.

R1aESJxqAkKZg1

Grafiki interaktywne z opisami przedstawiające kolejno: Ognisko, Pochodnia, Zmodyfikowana pochodnia, Lampka oliwna, Świeca, Lampy gazowe, Lampa oliwna, Lampa naftowa, Żarówki, Jarzeniówka, Świetlówka, Żarówki energooszczędne, Żarówka halogenowa, Żarówka LED, Makao, Szanghaj, Hong Kong, Los Angeles.

Grafiki interaktywne z opisami przedstawiające kolejno: Ognisko, Pochodnia, Zmodyfikowana pochodnia, Lampka oliwna, Świeca, Lampy gazowe, Lampa oliwna, Lampa naftowa, Żarówki, Jarzeniówka, Świetlówka, Żarówki energooszczędne, Żarówka halogenowa, Żarówka LED, Makao, Szanghaj, Hong Kong, Los Angeles.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D8z7qWhi8

5. Destylacja ropy naftowej

Destylacja ropy naftowej1

Doświadczenie 1

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 cmIndeks górny 3³,

• deflegmator,

• kamyczki wrzenie,

• termometr,

• chłodnica,

• 3 korki,

• 3 kolby stożkowe,

• 3 parowniczki porcelanowe.

Instrukcja

1. Zmontuj zestaw do destylacji składający się z: kolby destylacyjnej, deflegmatora, termometru, chłodnicy i odbieralnika.

2. Do kolby wlej ok 100 cmIndeks górny 3³ ropy naftowej i dodaj kilka kamyczków wrzennych, aby zapobiec przegrzaniu się cieczy.

3. Kolbę ogrzewaj w czaszy grzewczej.

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. Określ barwę i zapach poszczególnych frakcji.

6. Następnie przenieś po 1 cmIndeks górny 3³ każdej porcji destylatu do trzech parowniczek i za pomocą palącego się łuczywka zbadaj palność każdej z otrzymanych frakcji.

   RY5x54RVM0RvO1

   brak

   

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 frakcjefrakcjafrakcje – 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.

R7UsQ6xJRjcc01

Destylacja ropy naftowejChemik trzyma w ręce kolbę okrągłodenną z gęstą, brunatną cieczą, do której wrzuca białe nieregularne kamyczki.Kolbę łączy ze szklaną rurą z bocznym odprowadzeniem. Na końcu tej rury umieszcza termometr, którego zbiorniczek z rtęcią jest na wysokości wejścia do chłodnicy. Na końcu chłodnicy podstawiona jest stożkowa szklana kolba. Obok na stole leży korek do tej kolby i stoją dwie takie same kolby zamknięte korkami. Kolba umieszczona zostaje w czaszy grzewczej, która podłączana zostaje do gniazdka. Temperatura na termometrze podnosi się do 20 stopni celsjusza.W kolbie okrągłodennej pojawiają się pary. Na termometrze widać temp. 40 stopni celsjusza. Następnie obraz przenosi się na kolbkę stożkową, do której wolno kapie bezbarwna ciecz.Na stole laboratoryjnym są ustawione są trzy kolbki zamknięte korkami: pierwsza z bezbarwną cieczą , druga z cieczą jasnożółtą, a trzecia z cieczą o bardziej żółtej barwie. Obraz przenosi się na kolbę destylacyjną, w której widoczna jest mazista ciemna substancja. Następnie na stole widoczne są 3 porcelanowe parowniczki, do których chemik zbliża zapalone łuczywko. Najad kamerą na każdą z parowniczek. W przypadku pierwszej parowniczki pojawia się gwałtownie płomień już w momencie zbliżania łuczywa. W drugiej po chwili, a w trzeciej dopiero po dotknięciu powierzchni cieczy. Na koniec pojawia się obraz rafinerii.

Destylacja ropy naftowejChemik trzyma w ręce kolbę okrągłodenną z gęstą, brunatną cieczą, do której wrzuca białe nieregularne kamyczki.Kolbę łączy ze szklaną rurą z bocznym odprowadzeniem. Na końcu tej rury umieszcza termometr, którego zbiorniczek z rtęcią jest na wysokości wejścia do chłodnicy. Na końcu chłodnicy podstawiona jest stożkowa szklana kolba. Obok na stole leży korek do tej kolby i stoją dwie takie same kolby zamknięte korkami. Kolba umieszczona zostaje w czaszy grzewczej, która podłączana zostaje do gniazdka. Temperatura na termometrze podnosi się do 20 stopni celsjusza.W kolbie okrągłodennej pojawiają się pary. Na termometrze widać temp. 40 stopni celsjusza. Następnie obraz przenosi się na kolbkę stożkową, do której wolno kapie bezbarwna ciecz.Na stole laboratoryjnym są ustawione są trzy kolbki zamknięte korkami: pierwsza z bezbarwną cieczą , druga z cieczą jasnożółtą, a trzecia z cieczą o bardziej żółtej barwie. Obraz przenosi się na kolbę destylacyjną, w której widoczna jest mazista ciemna substancja. Następnie na stole widoczne są 3 porcelanowe parowniczki, do których chemik zbliża zapalone łuczywko. Najad kamerą na każdą z parowniczek. W przypadku pierwszej parowniczki pojawia się gwałtownie płomień już w momencie zbliżania łuczywa. W drugiej po chwili, a w trzeciej dopiero po dotknięciu powierzchni cieczy. Na koniec pojawia się obraz rafinerii.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Destylacja ropy naftowejChemik trzyma w ręce kolbę okrągłodenną z gęstą, brunatną cieczą, do której wrzuca białe nieregularne kamyczki.Kolbę łączy ze szklaną rurą z bocznym odprowadzeniem. Na końcu tej rury umieszcza termometr, którego zbiorniczek z rtęcią jest na wysokości wejścia do chłodnicy. Na końcu chłodnicy podstawiona jest stożkowa szklana kolba. Obok na stole leży korek do tej kolby i stoją dwie takie same kolby zamknięte korkami. Kolba umieszczona zostaje w czaszy grzewczej, która podłączana zostaje do gniazdka. Temperatura na termometrze podnosi się do 20 stopni celsjusza.W kolbie okrągłodennej pojawiają się pary. Na termometrze widać temp. 40 stopni celsjusza. Następnie obraz przenosi się na kolbkę stożkową, do której wolno kapie bezbarwna ciecz.Na stole laboratoryjnym są ustawione są trzy kolbki zamknięte korkami: pierwsza z bezbarwną cieczą , druga z cieczą jasnożółtą, a trzecia z cieczą o bardziej żółtej barwie. Obraz przenosi się na kolbę destylacyjną, w której widoczna jest mazista ciemna substancja. Następnie na stole widoczne są 3 porcelanowe parowniczki, do których chemik zbliża zapalone łuczywko. Najad kamerą na każdą z parowniczek. W przypadku pierwszej parowniczki pojawia się gwałtownie płomień już w momencie zbliżania łuczywa. W drugiej po chwili, a w trzeciej dopiero po dotknięciu powierzchni cieczy. Na koniec pojawia się obraz rafinerii.

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 napędowy i mazut.

Frakcje o temperaturze wrzenia powyżej 350°C poddaje się destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem, uzyskując m.in.: oleje, wazelinę, parafinę, asfalt.

R18MrPNkVbhsz1

Charakterystyka produktów otrzymywanych po destylacji ropy naftowej

Charakterystyka produktów otrzymywanych po destylacji ropy naftowej

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Charakterystyka produktów otrzymywanych po destylacji ropy naftowej

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.

RSBQ02gvXGYWz1

Zastosowanie produktów otrzymywanych z ropy naftowej

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.

R3xsEMfKI7PwV1

Znaczenie gazu ziemnego

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.

Słowniczek

Ignacy Łukasiewicz

R105TQoi6zEdp1

Ignacy Łukasiewicz

Ignacy Łukasiewicz

8.03.1822–7.01.1882

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.

Zadania