Energetyczne surowce naturalne

Postęp ludzkości zawsze bazował na surowcach naturalnych. Mało tego – determinowały one nasze życie do tego stopnia, że nazwy epok (np. epoka kamienia, brązu, żelaza) są bezpośrednio związane z ich nazwami. 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.

RZavoLeu6uFFk

Schemat przedstawiający podział źródeł energii na nieodnawialne i odnawialne. Do każdego ze źródeł zamieszczono przykładowe zdjęcie. Do nieodnawialnych źródeł energii należą: ropa naftowa — zdjęcie kopalni, gaz ziemny — palniki gazowe, paliwo jądrowe — dymiące kominy fabryki, węgiel kamienny i brunatny — stosy węgla, łupki bitumiczne — zdjęcie łupek oraz torf — zdjęcie gleby torfowej. Źródła odnawialne to: promieniowanie słoneczne — baterie słoneczne, wiatr — wiatraki, woda — elektrownia wodna, ciepło geotermalne — pompy geotermalne, biomasa — brykiet drzewny, biopaliwo — zdjęcie stosu trocin pod daszkiem.

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 jej do celów wojennych – w walce z wrogiem stosowano płonące strzały oraz tzw. ogień grecki (łatwopalna ciecz, zawierająca między innymi 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.

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.

RHZhk4mMZmmr1

Na mapie przedstawiono zasoby ropy naftowej na koniec dwa tysiące dwunastego roku (w miliardach baryłek). Bliski Wschód: osiemset osiem, Ameryka Centralna i Południowa: trzysta dwadzieścia osiem, Ameryka Północna: dwieście dwadzieścia, Europa i Eurazja: sto czterdzieści jeden, Afryka: sto trzydzieści, Azja i Pacyfik: czterdzieści dwa.

Początków przetwórstwa ropy naftowej należy szukać w Polsce. W $1853 \text{r}.$ polski chemik, farmaceuta i przedsiębiorca Ignacy ŁukasiewiczIgnacy ŁukasiewiczIgnacy Łukasiewicz wspólnie z Janem Zehem opracowali metodę destylacji ropy naftowej (destylacja frakcyjna, zwana również destylacją frakcjonowaną), uzyskując w ten sposób kilka produktów, między innymi 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 $1853 \text{r}.$ 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 $500 \text{kg}$ 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.

Historia rozwoju oświetlenia

Historia rozwoju oświetlenia

RtsU1XmmVZJ6G

Na zdjęciu przedstawiono ognisko. Na dole podpis: Ogień to jeden z najważniejszych wynalazków ludzkości. początkowo rozniecano go, pocierając o siebie dwa kawałki drewna, potem uderzano o siebie dwa krzemienie lub krzemieniem o żelazo.

RhSXqOMokTmmi

Zdjęcie przedstawia zapaloną pochodnie. Kawałek materiału zawinięty na jednym z końców kija, polany substancją ropopochodną i podpalony. Na dole zdjęcia podpis: Obserwując, jak palą się różne gatunki drzew, człowiek pierwotny zauważył, że najjaśniej świeciły nasycone żywicą gałęzie drzew iglastych. Zaczęto z nich wytwarzać łuczywa, a wkrótce łuczywo próbowano obkładać sitowiem lub łatwopalnym włóknem i tak powstały pochodnie.

R1JSWahdEI7fJ

Zdjęcie przedstawiające kilkanaście zapalonych pochodni. Na dole podpis: W późniejszym okresie pochodnie polewano smołą drzewną, olejem lub inną substancją łatwopalną. Taką formę oświetlenia czasami stosowano nawet w dziewiętnastym wieku.

R7thtqU7Jvh7Q

Zdjęcie przedstawia ceramiczne naczynie w kolorze pomarańczowym. Na dole podpis: Około pięciu tysięcy lat temu zaczynają się pojawiać pierwsze ceramiczne naczynia na olej, tak zwane lampki oliwne, które w późniejszych wiekach wykonywane były z brązu (stopu miedzi z cyną) lub żelaza. Nazywano je kagankami. Istotny wpływ na jakość światła miał knot. Początkowo wytwarzano go z mchu, a około dwóch tysięcy lat przed naszą erą knoty tkano bądź wyplatano z włókien lnu lub konopi.

R1dMj9eL6yiFm

Na zdjęciu przedstawiono świeczkę z zapalonym knotem. Na dole opis: Pierwsze świece woskowe (z wosku pszczelego) pojawiły się prawdopodobnie w drugim wieku przed naszą erą u Etrusków. W dziesiątym wieku otrzymano świecę z łoju zwierzęcego, zwaną łojówką, która była tańsza od świecy woskowej, ale dawała słabsze światło. W tysiąc osiemset dwudziestym piątym roku wyprodukowano świecę stearynową (wytwarzaną z mieszaniny kwasu stearynowego i palmitynowego).

RLO9dVQXQjUWB

Na zdjęciu przedstawiono lampę oliwną ze szklanym kloszem. Lampa składa się z trzech elementów: szklanego zbiornika na olej, metalowego pokrętła umożliwiającego regulację wysokości knota, klosz. Na dole opis: Wraz z upowszechnieniem się destylacji ropy naftowej na rynku pojawiły się świece produkowane z parafiny. Od szesnastego do osiemnastego wieku udoskonalono lampę oliwną, wprowadzając szklany kominek nad płomieniem, palnik z knotem taśmowym oraz mechanizm tłoczący paliwo do palnika.

R1dtWtIRqv3uS

Na zdjęciu przedstawiono lampę gazową. Lampa składa się z dwóch szklanych naczyń połączonym elementem wykonanym z metalu. Lampa osadzona jest na małym drewnianym pudełku z szufladami. Na dole podpis: W tysiąc siedemset dziewięćdziesiątym drugim roku powstała pierwsza lampa gazowa, w której zastosowano gaz koksowniczy, otrzymywany podczas suchej destylacji węgla. Lampy gazowe używane były głównie do oświetlania ulic. Na przełomie dziewiętnastego i dwudziestego wieku zaczęły rozpowszechniać się lampy karbidowe, tak zwane karbidówki, w których paliwem był acetylen (produkt reakcji karbidu z wodą).

R1CI4KAodOhwo

Na zdjęciu przedstawiono lampę naftową. Na dole opis: W tysiąc osiemset pięćdziesiątym trzecim roku polski chemik, farmaceuta, przemysłowiec — Ignacy Łukasiewicz skonstruował pierwszą lampę naftową, która była efektem prac nad destylacją ropy naftowe. Ten typ oświetlenia był bardziej wydajny od świec, tańszy niż oleje i wygodniejszy w użyciu. W tysiąc osiemset pięćdziesiątym czwartym roku w Gorlicach została zapalona pierwsza na świecie uliczna lampa naftowa.

R1XrK0aVsscVo

Na zdjęciu przedstawiono dwie żarówki elektryczne. Na dole podpis: dwudziesty pierwszy października tysiąc osiemset siedemdziesiątego dziewiątego roku rozbłysła wyposażona w węglowy żarnik elektryczna żarówka skonstruowana przez genialnego samouka Thomasa Edisona. Trzy lata po tym odkryciu zbudowano w Nowym Jorku pierwszą na świecie elektrownię, która zapewniła prąd do zasilania dziesięciu tysięcy żarówek. W dwudziestym wieku żarówka była cały czas udoskonalana.

R1FEo9gOyNWRY

Na zdjęciu przedstawiono żarówkę elektryczną z wolframowym żarnikiem. Na dole podpis: proste włókno węglowe zastąpiono spiralnym włóknem wolframowym, a do szklanej bańki, w której początkowo była próżnia (żarówka próżniowa) wprowadzono mieszaninę gazu szlachetnego (głownie $\text{Ar}$, $\text{Kr}$, $\text{Xe}$) z azotem (żarówka gazowana).

R4Iqh8cXkcFfN

Na zdjęciu przedstawiono lampę neonową, wygiętą na kształt słowa NEON. Lampa świeci się na niebiesko. Na dole podpis: W tysiąc dziewięćset dziesiątym roku we Francji skonstruowano lampę neonową (tak zwaną jarzeniówkę). Dzisiaj jarzeniówki są stosowane w technice oświetleniowej jako neony reklamowe.

R13zPE5ZwOZ67

Zdjęcie przedstawia cztery lampy świetlówki o różnych konstrukcjach i długościach. Na dole opis: W tysiąc dziewięćset trzydziestym ósmym roku w USA i Rosji powstały pierwsze świetlówki — lampy świecące w wyniku zjawiska luminescencji (źródłem fal świetlnych jest związek chemiczny wzbudzony przez promieniowanie ultrafioletowe). Ze względu na obecność par rtęci mogą być niebezpieczne pod stłuczeniu.

RabOMNfWGdZzB

Zdęcie przedstawia świetlówkę kompaktową. Na dole opis: Modyfikacją świetlówek prostych są świetlówki kompaktowe (błędnie nazywane żarówkami energooszczędnymi) mające kształt litery U lub spirali. Mogą one zastępować tradycyjne żarówki. Ponieważ żarówki te zawierają niewielkie ilości oparów rtęci, dlatego nie można wyrzucać ich do kosza na odpady.

R1IskBcIePhcQ

Zdjęcie przedstawia żarówkę halogenową znajdującą się w lampce na biurko. Na dole opis: w tysiąc dziewięćset pięćdziesiątym dziewiątym roku skonstruowano pierwszą żarówkę halogenową, która oprócz gazu obojętnego zawiera halogen, najczęściej jod. Takie żarówki mają wiele zalet, między innymi mają niewielkie rozmiary, dają mocne, jasne światło i wykazują mniejszy pobór energii niż żarówki tradycyjne.

R1MpumvYaxAe1

Zdjęcie przedstawia żarówkę typu led. Na dole podpis: w tysiąc dziewięćset sześćdziesiątym drugim roku w General Electric Company powstała pierwsza żarówka typu LED, ale dopiero w roku tysiąc dziewięćset siedemdziesiątym drugim skonstruowano żarówkę LED świecącą światłem żółtym. Obecnie tradycyjne żarówki są zastępowane oświetleniem ledowym. Pozwalają one efektywnie wykorzystać energię i mają znacznie większą trwałość, sięgającą nawet do stu tysięcy godzin pracy.

Destylacja ropy naftowej

Destylacja ropy naftowej1

Doświadczenie 1

RvEGtj0H6mpZ9

Problem badawczy:. Spośród podanych poniżej hipotez wybierz jedną, a następnie ją zweryfikuj. Hipoteza 1: Hipoteza 2: Twój wybór: (Wybierz: Hipoteza 1., Hipoteza 2.). Co będzie potrzebne: ;. Instrukcja: 1.

R1LgvEgphkHmO

Zestaw do destylacji ropy naftowej. Zestaw zbudowany jest z czaszy grzewczej, w której znajduje się kolba okrągłodenna. Do wylotu kolby przyłączony został deflegmator (urządzenie mające postać szklanej rurki z dziurkami, w której następuje częściowe skroplenie par opuszczających kolbę destylacyjną). Do boku deflegmatora przyłączona jest chłodnica (szklana rurka posiadająca na obu brzegach wlot i wylot wody, służąca do schłodzenia i częściowego skroplenia par opuszczających kolbę destylacyjną). Na drugim końcu chłodnicy znajduje się odbieralnik kondensatu w postaci szklanej kolby płaskodennej.

Przeprowadzono doświadczenie zgodnie z opisem.

Problem badawczy:

Jakie substancje można wyodrębnić z ropy naftowej?

Hipoteza:

Ropa naftowa jest mieszaniną wielu substancji chemicznych.

Co było potrzebne:

• ropa naftowa;

• łuczywo;

• czasza grzewcza;

• kolba okrągłodenna o pojemności $250 {\text{cm}}^3$;

• deflegmator;

• kamyczki wrzenne;

• termometr;

• chłodnica;

• trzy korki;

• trzy kolby stożkowe;

• trzy parowniczki porcelanowe.

Przebieg doświadczenia:

Zmontowano zestaw do destylacji składający się z kolby destylacyjnej, deflegmatora, termometru, chłodnicy i odbieralnika. Następnie do kolby wlano około $100 {\text{cm}}^3$ ropy naftowej i dodano kilka kamyczków wrzennych, aby zapobiec przegrzaniu się cieczy. Kolbę ogrzano w czaszy grzewczej. Poszczególne produkty destylacji ropy naftowej (frakcje) zebrano do kolb stożkowych, w przedziałach temperatur: $40—180°\text{C}$, $180—250°\text{C}$ i od $250—350°\text{C}$, każdą z kolb zamknięto korkiem. Następnie przeniesiono po $1 {\text{cm}}^3$ każdej porcji destylatu do trzech parowniczek i za pomocą palącego się łuczywka zbadano palność każdej z otrzymanych frakcji.

Obserwacje:

Podczas destylacji frakcyjnej ciecz w kolbie wrze, pary skraplają się w chłodnicy i spływają do odbieralników. Temperatura zmienia się w trakcje procesu.

Wnioski:

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.

RpFB1Y2JwgBj2

Na filmie ukazano destylację ropy naftowej, a także porównano palność otrzymanych frakcji.

Na filmie ukazano destylację ropy naftowej, a także porównano palność otrzymanych frakcji.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RpFB1Y2JwgBj2

Na filmie ukazano destylację ropy naftowej, a także porównano palność otrzymanych frakcji.

1

Polecenie 3

RxccyrmwG2NzZ

Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Obserwacje: Pamiętaj, że obserwacje to wszystkie zmiany, jakie jesteśmy w stanie zauważyć za pomocą zmysłów (wzroku, słuchu, dotyku oraz węchu).
Wnioski: Co wynika z obserwowanych przez Ciebie zmian? Nawiąż w swojej odpowiedzi do sformułowanego pytania w problemie badawczym.

Pokaż odpowiedź

Obserwacje: Podczas destylacji frakcyjnej ciecz w kolbie wrze, pary skraplają się w chłodnicy i spływają do odbieralników. Temperatura zmienia się w trakcje procesu.
Wnioski: Metoda ta pozwala na rozdzielenie składników ropy naftowej na poszczególne frakcje – destylaty mają inną temperaturę wrzenia i charakterystyczne zapachy. Różnią się między sobą barwą (od bezbarwnej, poprzez jasnożółtą, aż do brunatnej). Wszystkie próbki są palne, przy czym im wyższa temperatura wrzenia, tym trudniej następuje zapłon.

1

Polecenie 3

Wyjaśnij, na czym polega proces destylacji ropy naftowej.

R1D6OOXxTWMWO

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż odpowiedź

Destylacja ropy naftowej to proces, który pozwala na oddzielenie od siebie poszczególnych frakcji ropy, różniących się między sobą temperaturą wrzenia.

Pokaż odpowiedź

Destylacja ropy naftowej polega na podgrzaniu jej do wysokiej temperatury w rafineriach. Następnie zawarte w niej węglowodory przekształcają się w różne gazy, z których każdy skrapla się. Następnie ropa zostaje podzielona na frakcje.

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, tak zwanym, 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 $350°\text{C}$ poddaje się destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem, uzyskując między innymi oleje, wazelinę, parafinę oraz asfalt.

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.

R17m7EogWDGtT

Na schemacie przedstawiono produkty destylacji ropy naftowej, wraz z ich temperaturami wrzenia. Są to: gazy rafineryjne — sto pięćdziesiąt stopni Celsjusza, benzyna — dwieście stopni Celsjusza, nafta — trzysta stopni Celsjusza, olej napędowy — trzysta siedemdziesiąt stopni Celsjusza, mazut — czterysta stopni Celsjusza. Przedstawiono również zastosowanie tych produktów w przemyśle petrochemicznym, motoryzacyjnym, chemicznym, medycznym, kosmetyce.

Słownik

Podsumowanie

Do naturalnych paliw kopalnych zaliczamy: węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, ropę naftową i gaz ziemny.

W wyniku ogrzewania węgla kamiennego w temperaturze około 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 między innymi olejów, asfaltu naftowego, smoły, wazeliny czy parafiny.