Ropa naftowa i gaz ziemny – paliwa, tworzywa sztuczne i problem odpadów

Wszystko, czego uczyliśmy się o węglowodorach, ma jedno wspólne źródło. Alkany, alkeny, benzen, polietylen, benzyna i torebka z zakupami — wszystko to pochodzi z dwóch surowców wydobywanych spod ziemi.

Skąd się wzięły ropa i gaz

Miliony lat temu na dnie mórz osadzały się szczątki drobnych organizmów. Przykryte warstwami mułu i piasku, bez dostępu powietrza, pod rosnącym ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze powoli zamieniały się w mieszaninę węglowodorów.

Dlatego ropę i gaz nazywa się paliwami kopalnymi — i dlatego są surowcami nieodnawialnymi. To, co zużywamy w ciągu roku, powstawało miliony lat.

Ropa naftowa

Ropa naftowa to mieszanina ciekłych węglowodorów, głównie alkanów, z domieszką związków siarki, azotu i tlenu.

Dwie ostatnie cechy tłumaczą skalę katastrof ekologicznych. Wyciek ropy nie opada na dno ani się nie rozpuszcza — rozlewa się cienką warstwą po powierzchni wody, odcina dostęp tlenu i skleja pióra ptaków. Jedna tona ropy potrafi pokryć kilka kilometrów kwadratowych.

Destylacja frakcyjna — jak rozdziela się ropę

Ropa jest mieszaniną, więc jej składniki można rozdzielić metodą fizyczną. Wykorzystuje się to, że węglowodory o różnej długości łańcucha wrą w różnych temperaturach: im dłuższy łańcuch, tym wyższa temperatura wrzenia.

Ropę ogrzewa się i wprowadza do wysokiej kolumny destylacyjnej. Pary unoszą się do góry i ochładzają. Każda frakcja skrapla się na tej wysokości, na której temperatura odpowiada jej temperaturze wrzenia.

Zasada: im wyżej w kolumnie, tym krótsze cząsteczki i lżejsze produkty.

Destylacja nie zmienia cząsteczek — tylko je rozdziela. Żadne wiązanie nie pęka i nie powstaje, więc jest to przemiana fizyczna, nie reakcja chemiczna.

Kraking — gdy benzyny jest za mało

Z jednej baryłki ropy benzyny wychodzi mniej, niż potrzebuje rynek, za to ciężkich frakcji za dużo. Dlatego długie cząsteczki rozbija się na krótsze w wysokiej temperaturze, wobec katalizatora. Ten proces nazywa się krakingiem.

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

Zwróć uwagę: powstaje jeden alkan i jeden alken. I to jest drugi powód, dla którego kraking jest tak ważny — dostarcza etenu i propenu, czyli surowców do produkcji tworzyw sztucznych.

Liczba oktanowa, którą widać na dystrybutorze (95, 98), mówi o odporności benzyny na niekontrolowany, samoczynny zapłon w silniku. Im wyższa, tym spokojniej paliwo się spala. Nie oznacza natomiast „lepszego” ani „mocniejszego” paliwa — tankuje się tę liczbę, której wymaga silnik.

Gaz ziemny i inne paliwa gazowe

Gaz ziemny spala się najczyściej ze wszystkich paliw kopalnych — nie zostawia popiołu ani sadzy:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Metan jest bezwonny. Zapach gazu w kuchni pochodzi od celowo dodanej substancji zapachowej, dzięki której wyciek daje się wyczuć nosem.

Spalanie paliw a środowisko

Dlatego piec i piecyk gazowy potrzebują dopływu powietrza i drożnego komina. Przy ograniczonym dostępie tlenu zamiast CO₂ powstaje CO, którego nie widać i nie czuć.

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne to materiały otrzymywane z polimerów — bardzo długich cząsteczek powstających z wielu małych cząsteczek (monomerów).

Prawie wszystkie monomery pochodzą z przerobu ropy naftowej i gazu ziemnego.

Na większości opakowań znajdziesz trójkąt z cyfrą — to kod materiału: 1 to PET, 2 i 4 to odmiany polietylenu, 3 to PVC, 5 to PP, 6 to PS, 7 to pozostałe. Warto go pokazać uczniom na dowolnej butelce.

Zalety i wady

Zwróć uwagę, że trwałość pojawia się po obu stronach tabeli. Ta sama cecha, która czyni tworzywa użytecznymi, jest źródłem problemu z odpadami.

Problem odpadów

Tworzywa sztuczne nie występują w przyrodzie, więc nie ma bakterii ani grzybów, które potrafiłyby je rozłożyć. Zamiast tego rozpadają się mechanicznie na coraz mniejsze kawałki — aż do mikroplastiku, który trafia do wody, gleby i do organizmów.

Spalanie w domowym piecu to najgorsze możliwe rozwiązanie. W niskiej temperaturze powstają z tworzyw substancje silnie trujące — przy PVC między innymi chlorowodór HCl i dioksyny. Spalarnie przemysłowe pracują w znacznie wyższej temperaturze i mają systemy oczyszczania spalin; domowy piec nie ma ani jednego, ani drugiego.

Co z tym można zrobić

• Ograniczać — torba wielorazowa zamiast reklamówki, woda z kranu zamiast butelkowanej.
• Używać ponownie — słoik, pudełko, butelka z kaucją.
• Segregować — tworzywa i metale do żółtego pojemnika; butelkę warto zgnieść, bo transportuje się głównie powietrze.
• Recykling — z przetopionego PET powstaje włókno na polar i na nowe butelki, z PE — folia budowlana i meble ogrodowe.
• Tworzywa biodegradowalne — np. z kwasu polimlekowego (PLA) otrzymywanego ze skrobi kukurydzianej; rozkładają się jednak dopiero w kompostowni przemysłowej, nie na trawniku.

Przykłady krok po kroku

Przykład 1 — fizyczna czy chemiczna

Czy destylacja ropy naftowej to przemiana fizyczna, czy chemiczna? A kraking?

• Destylacja — fizyczna. Rozdzielamy mieszaninę, korzystając z różnych temperatur wrzenia. Cząsteczki pozostają takie same.
• Kraking — chemiczna. Długie cząsteczki pękają na krótsze, więc powstają nowe substancje.

Przykład 2 — która frakcja wyżej

Która frakcja skropli się wyżej w kolumnie: benzyna czy olej napędowy?

Benzyna ma krótsze cząsteczki (C₅–C₁₂), czyli niższą temperaturę wrzenia. Jej pary unoszą się wyżej, zanim się ochłodzą i skroplą.

Odpowiedź: benzyna — wyżej. Olej napędowy skrapla się niżej, w cieplejszej części kolumny.

Przykład 3 — produkty krakingu

Dokończ równanie krakingu: C₁₂H₂₆ → C₆H₁₄ + …

Liczba atomów musi się zgadzać po obu stronach.

• węgiel: 12 − 6 = 6,
• wodór: 26 − 14 = 12.

C₁₂H₂₆ → C₆H₁₄ + C₆H₁₂

Drugi produkt, C₆H₁₂, pasuje do wzoru CₙH₂ₙ — to alken (heksen).

Przykład 4 — rozpoznaj tworzywo

Na opakowaniu jest trójkąt z cyfrą 5. Co to za tworzywo i jaki był jego monomer?

Cyfra 5 oznacza polipropylen PP. Powstaje z propenu CH₂ = CH — CH₃ w reakcji polimeryzacji:

n CH₂ = CH — CH₃ → ( — CH₂ — CH(CH₃) — )ₙ

Sprawdź się

1. Dlaczego plama ropy po wycieku pozostaje na powierzchni wody?
2. Wymień trzy frakcje ropy naftowej i podaj, do czego służą.
3. Po co stosuje się kraking, skoro destylacja już rozdzieliła ropę?
4. Dlaczego nie wolno spalać tworzyw sztucznych w domowym piecu?

Rozwiązania. (1) Bo ropa nie rozpuszcza się w wodzie i ma od niej mniejszą gęstość. (2) Na przykład: benzyna — paliwo samochodowe; nafta — paliwo lotnicze; olej napędowy — silniki Diesla (można też wymienić gazy, oleje smarowe, asfalt). (3) Bo benzyny z samej destylacji jest za mało w stosunku do zapotrzebowania, a ciężkich frakcji za dużo; kraking rozbija długie cząsteczki na krótsze i przy okazji daje alkeny — surowce do produkcji tworzyw. (4) Bo w niskiej temperaturze domowego pieca powstają trujące gazy, m.in. chlorowodór i dioksyny; spalarnie przemysłowe pracują w znacznie wyższej temperaturze i oczyszczają spaliny.

Do zapamiętania

• Ropa naftowa i gaz ziemny to nieodnawialne paliwa kopalne; ropa jest mieszaniną węglowodorów, nie związkiem.
• Destylacja frakcyjna rozdziela ropę według temperatur wrzenia — to przemiana fizyczna; im wyżej w kolumnie, tym lżejsza frakcja.
• Frakcje od najlżejszej: gazy, benzyna, nafta, olej napędowy, oleje smarowe, asfalt.
• Kraking rozbija długie cząsteczki na krótsze; daje więcej benzyny i alkeny do produkcji tworzyw.
• Tworzywa sztuczne to polimery — PE, PP, PVC, PS, PET; ich zaletą i wadą jest ta sama trwałość.
• Odpady z tworzyw rozkładają się setki lat i dają mikroplastik; rozwiązaniem jest ograniczanie, ponowne użycie, segregacja i recykling — nie spalanie w piecu.