Мұнай, құрамы, өңдеу әдістері және мұнай өнімдері. Химия, 10 сынып, дидактикалық материал, 1 сабақ

 Мұнай - көмірсутектер қоспасы болып табылатын, жанатын майлы сұйықтық; қызыл-қоңыр, кейде қара түске жақын, немесе әлсіз жасыл-сары, тіпті түссіз түрі де кездеседі; өзіндік иісі бар; жерде тұнбалық қабатында орналасады; пайдалы қазбалардың ең маңызды түрі.

 Негізінен алғанда көмірсутектерінен (85 % -ға дейін) тұратын бұл заттар дербес үйірімдер шоғыры түрінде жекеленеді: метанды, нафтенді және ароматты (хош иісті) тізбектер. Оның құрамында оттегі, азот, күкірт, асфальтты шайыр қосындылары да кездеседі.

 Мұнайдың түсі қызғылт, қоңыр қошқыл, кейде ол ашық сарғыш түсті, ақшыл болып та келеді. Мысалы, Әзірбайжанның Сурахана алқабында ақшыл түсті мұнай өндіріледі. Мұнай судан жеңіл, оның меншікті салмағы 0,65-0,95 г/см³. Мұнай өз бойынан электр тогын өткізбейді. Сондықтан ол электроникада изолятор (айырушы) ретінде қолданылады. Осы кезеңде мұнай құрамынан екі мыңнан астам халық шаруашылығына керекті заттар алынып отыр: бензин, керосин, лигроин, парафин, көптеген иіссу түрлері, кремдер, парфюмериялық жұмсақ майлар, дәрі-дәрмектер, пластмасса, машина дөңгелектері тағы басқа. Ол қуатты әрі арзан отын — бір тонна мұнай үш тонна көмірдің, 1,3 тонна антрациттың, 3,3 тонна шымтезектің қызуына тең.

 Қазір "Қара алтын" деп бағаланатын мұнайдың өзіндік мол тарихы бар. 1539 жылы ол тұңғыш рет Америка құрлығынан Еуропаға тасылатын тауарлардың тізіміне кіріпті. Сол жылы Венесуэладан Испанияға жөнелтілген мұнай тасымалының алғашқы легі бірнеше темір құтыға ғана құйылған жүк екен. Ол кезде дәрігерлер оны тек артрит ауруын емдеуге ғана пайдаланатын болған.

 Ертеректе «тас майы» деп аталған мұнайдың болашағы зор екенін болжаған орыс ғалымы М.В. Ломоносов, Пенсильванияда ең алғаш рет мұнай ұңғымасы бұрғыланғанға дейін жүз жыл бұрын, мұнайдың шығуы жайлы өзінің бірегей теориясын ұсынған еді. «Жер қойнауында тереңнен орналасқан шымтезекті шөгінділерден жерасты ыстығымен қою, майлы материя шығарылып, саңылаулар арқылы ағады... Бұл дегеніміз – сирек, әртүрлі сұрыпты, жанатын және құрғақ, қатты материялардың пайда болуы, бұл тас майы – мұнайдың негізі...», – деп жазады 1763 жылы М.В. Ломоносов.

 Мұнайды қыздыру кезінде мұнайға біраз ұқсайтын қарамайларды беретін көмір мен тақтатастардан шығу теориясы да орыс ғалымдары – академиктер Паллас пен Абихтікі болған еді. Алайда ол кезде олардың қорытындыларының мұнайды іздестіруде практикалық мағынасы аз еді.

 Ең жемісті болғаны өткен ғасырдың соңында Д. И. Менделеев ұсынған мұнайдың бейорганикалық шығу теориясы еді. Ұлы орыс химигінің айтуы бойынша, жер шарының орталық ядросы темір және құрамдарында көміртегі бар басқа металдардың қоспаларынан құралады. Жер қыртысындағы жарықтардан өткен сулардың әсерінен бұл ядро жеңіл көмірсуларды – ацетилен, этилен және т.б. түзеді. Жер жарықтары арқылы жоғары жер қыртысының суық бөліктеріне көтеріле бере олар мұнайдың негізгі құраушы бөліктері болып табылатын ауыр көмірсулар қоспасына айналады.

 Харичков және басқа да орыс ғалымдары мұндай әдіспен табиғи мұнайға ұқсас сұйық – жасанды мұнайды алды. Д.И. Менделеев теориясы бойынша мұнай қарқынды тау түзілу орындарында кездеседі. Мұны жиі бақылауға болады, сондықтан Д.И. Менделеев қорытындыларын барлаушылар мұнайды іздеуде көп уақыт қолданды. Мұнай өнеркәсібінің дамуы барысында, әдетте, мұнай кездесуі тау түзілу процестері қосымша фактор болып табылатын жағдайларда кездесетініне көз жетті.

 Мұнай көбінесе теңіздің түбінде, соның ішінде жағажайлық шөгінділерде жиі табылады. Сірә, теңіз өсімдіктері мен жануарлары қалдықтары судың түбіне жинақтала беруінен болар. Өйткені онда су ағысы болмайды, ол тыныштықта тұратындықтан, оған ауаның келуі қиыфндай түседі. Ауаның әсерінен бұл қалдықтар тотығар еді, ал ауа болмағандықтан, бактериялардың әсерінен бұл қалдықтар құрамы бойынша мұнайға ұқсас, бірақ оларда толығымен мұнайға айналмайтын процестер өтеді. Мұндағы түсініксіз жайт: осы қалдықтардан мұнай қалайша түзіледі? Әңгіме мынада: онда хлорофилдің, яғни өсімдіктердің жасыл түсі негізінің және басқа да екі жүз градустан жоғары температурада тұрақсыз болатын заттардың қалдықтары табылған. Ал барлық мұнайға жақын өнімдерді алатын белгілі химиялық реакциялар тек жоғары температураларда өтеді.

 Ақыры 1930 жылы ірі кеңес ғалымы – академик Н.Д. Зелинский бұл жерде катализ, яғни өздері аз өзгеріске ұшырайтын заттардың әсерінен химиялық өзгерістерді тездететін құбылыс орын алатынын дәлелдеді. Катализаторлармен өсімдіктерге, бактериялық әсердің өнімдеріне жақын орналасқан заттарға әсер етіп, ол жасанды мұнайды екі жүз градустан төмен температурада алды. Осылайша сұрақтың жауабы шешілді, бірақ түпкілікті емес: ол тәжірибесінде қолданған катализаторлар табиғатта болуы мүмкін емес, олар өте тұрақсыз еді.

 Табиғатта мұнай түзілуді іске асыратын заттарды ұзақ іздегеннен кейін химия ғылымдарының докторы, профессор Андрей Владимирович Фрост бұл, әдетте, мұнай қыртыстарын жауып тұратын кейбір сазбалшықтардың қатысымен болатынын анықтады. Өсімдіктер және жануарлар қалдықтарымен бірге тұнып, сазбалшықтар, жануарлар сүйектері мен микроағзалар кейін мұнай түзетін фактор болып табылатын материалдың негізін түзеді. Лай – бұл сазбалшық, өсімдік және басқа да қалдықтардың түр өзгерген қоспасы – бактериялардың әсерінен құмды және басқа да кеуекті тау жыныстарымен қапталады. Олар, өз кезегінде, мұнай мен су өтпейтін сазбалшық және басқа да тау жыныстарының қабаттарымен қапталып, температурасы шамамен жүз градустай қабаттарға дейін түседі. Мұнда мұнай түзілу процесі аяқталады; құрамында лай болатын мұнай біртіндеп қабаттасады да, біз мұнай кенорындарынан табатын кеуекті тау жынысына енеді.

 Мұнайдың шығуының жаңа теориясының зор тәжірибелік маңызы бар. Ол мұнайшы-геологтарды мұнайдың түзілу жағдайларын анықтау әдісімен таныстырады. Мұнай қалай пайда болатынын білетін кен барлаушылары оны іздеу орындарын тез анықтайды. Геологиялық жағдайларға байланысты мұнайдың болатын жерлерін және оның мүмкін орын ауыстыру жолдарын анықтауға болады.

 Көмірсутектермен қатар мұнай құрамында тағы басқа заттар да бар. Мырышы бар - H2S, меркаптандар, моно- және дисульфидтер, тиофендер мен тиофандар полициклдіктермен бірге т.б. (70-90% қалдық өнімдерде шоғырланады); азотты заттар – негізінен пиридин, хинолин, индол, карбазол, пиррол және порфириндер (үлкен бөлігі ауыр фракциялар мен қалдықтарда шоғырланады) гомологтары; қышқылды заттар – нафтен қышқылы, фенолдар, смолалы-асфальтты т.б. заттар (әдетте жоғары қайнайтын фракциларында кездесетін). Элементтік құрамы (%): С – 82-87, Н – 11-14.5, S – 0.01-6 (сирек – 8-ге дейін), N - 0,001—1,8, O — 0,005—0,35 (сирек – 1.2-ге дейін) және т.б. Барлығы мұнай құрамында 50-ден аса элементтер табылған. Мысалы, жоғарыдағылармен қоса V(10-5 — 10-2%), Ni(10-4-10-3%), Cl (іздерінен бастап 2•10-2%-ға дейін) т.с.с. Әр зат әр кен орнында әр мөлшерде кездесетіндіктен орташа химиялық қасиетттер жайлы тек шартты түрде ған аайтуға болады.

 Мұнай дүние жүзілік жанар-жағар май-энергетикалық балансында орасан зор үлеске ие: оның адамзат пайдаланатын қуат көздері ішінде 48% алады. Болашақта бұл көрсеткіш мұнай өндірудің қиындай беруінен, және атом және басқа қуат көздерін пайдалануының өсуінен кеми береді.

 Химия мен мұнай-химия өнеркәсіптерінің қарқынды дамуына байланысты мұнайға деген сұраныс жанар-жағар майлар үшін ғана емес, синтетикалық каучук, синтетикалық талшықтар, пластмасс, жуу құралдарын, пластификатор, бояғыштар т.б. (әлемдік өндірістің 8%-нан астамы) өндіру шикізат көздері үшін өсуде. Осыларды шығаруға бастапқы заттар ретінде көп қолданылатындар: парафиндік көміртектер – метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, және жоғарымолекулярлықтар (10-20 атомды молекулалы көміртектер), циклогексан; ароматты көміртектер – этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен.

 АҚШ Қуат Ақпарат басқармасының (EIA) есебі бойынша 2011 жылы әлем күн сайын 87.421 миллион баррель тұтынған.

 Мұнай өнімдері – көмірсутектер мен олардың туындыларының қоспасы; мұнай мен мұнай газдарынан алынатын жеке химиялық қосылыстар. Мұнай өнімдері отын, майлар, битумдар, ауыр көмірсутектер және әр түрлі мұнай өнімдері сияқты негізгі топтарға бөлінеді. Отын негізіндегі мұнай өнімдеріне көмірсутекті газдар мен бензин, лигроин, керосин, дизель отыны, мазут, т.б. жатады. Мұнайға серік газдар пайда болуы жөнінен табиғи газдарға жатады. Олардың бұлай ерекше аталуы мұнай кенімен бірге кездесуіне байланысты – олар мұнайда еріген күйде болады немесе мұнай кенінің үстін "бүркеп" жатады. Мұнай жоғары көтерілгенде, қысым кенет төмендейді, газдар сұйық мұнайдан бөлініп шығады. Ертерек кезде мұнайға серік газдар пайдаланылмайтын, мұнай өндіретін жерде оны жағып жіберетін. Қазір ондай газдарды жинап алады, өйткені олар, табиғи газ сияқты жақсы отын және бағалы химиялық шикізат болып табылады. Құрамында метанмен бірге басқа да көмірсутектер: этан, пропан, бутан, пентанның едәуір мөлшері болғандықтан, серік газды пайдалану мүмкіндігі табиғи газға қарағанда тіпті едәуір кең. Сондықтан табиғи газға қарағанда химиялық өңдеу жолымен серік газдан заттарды көп мөлшерде алуға болады. Серік газдарды тиімді пайдалану үшін оларды құрамдары жақын қоспаларға бөледі. Пентан, гексан және басқа көмірсутектердің қалыпты жағдайда сұйық күйде болатын қоспалары газды бензин түзеді(олар мұнайдан ішінара газбен бірге ұшып шығады). Одан кейін пропан мен бутанның қоспасы бөлінеді. Газды бензин мен пропанбутан қоспасын бөліп алғаннан кейін құрғақ газ қалады, оның басым көпшілігі метан мен этан қоспасынан құралады. Газды бензин құрамында өте ұшқыш сұйық көмірсутектер бар, сондықтан оны двигательдерді от алдырған кезде тез тұтандыру үшін бензинге қосады. Пропан мен бутан сұйылтылған газ түрінде, жанармай ретінде тұрмыста пайдаланылады. Құрамы жөнінде табиғи газға ұқсас құрғақ газ ацетилен, сутегі және басқа да заттар алу үшін, сол сияқты отын ретінде пайдаланылады. Мұнайға серік газдар химиялық өңдеуге арналған және жеке көмірсутектер – этан, пропан, н-бутан, т.б. бөлініп алынады. Ал олардын қанықпаған көмірсутектер алады. Мұнай – молекулалық массалары әр түрлі, қайнау температуралары да бірдей емес көмірсутектердің қоспасы болғандықтан, айдау арқылы оны жеке фракцияларға(дистиляттарға бөледі, мұнайдың құрамында С5 – Сn көмірсутектері бар және 40-200°С аралығында қайнайтын бензин құрамында С8-С14 көмірсутектері болатын 150-200°С аралығында қайнайтын лигроин, құрамында С12-С18 көмірсутектері болатын және 180-300°С аралығында қайнайтын керосин алады, бұлардан кейін газойль алынады. Бұның бәрі – ашық түсті мұнай өнімдері. Бензин ұшақ пен көліктердің поршенді двигательдері үшін жанармай ретінде қолданылады. Сол сияқты бензин майды, каучукты еріткіш ретінде, матаны тазартуға, т.б. қолданылады. Лигроин трактор үшін жанармай болады. Керосин – трактор, реактивті ұшақтар мен зымырандардың жанармайы. Ал газойльден дизель жанармайы өндіріледі. Мұнайдан ашық түсті өнімдерді бөліп алғаннан кейін қара түсті тұтқыр да қоймалжың сұйықтық қалады, ол – мазут. Қосымша айдау арқылы мазуттан автотрактор майы, авиация майы, дизель майы, т.б. жағармайлар алады. Мазутты өңдеп жағрмай алумен қатар оны химиялық әдіспен өңдеу арқылы бензинге айналдыруға болады, бу қазаны қондырғыларында сұйық отын ретінде пайдаланылады. Мұнайдың кейбір сорттарынан қатты көмірсутектер қоспасы – парафиндер алынады; Қатты және сұйық көмірсутектерді араластырып вазелин алады. Табиғи газ – жер қойнауында анаэробты органикалық заттарндың ыдырауынан пайда болған газдар қоспасы.

 Майлар – мұнайдың қалдық фракциялары мен ауыр дистилляттарын арнайы тазартудан алынады. Ауыр көмірсутектерге парафиндер, церезиндер, озокериттер және олардың майлармен қоспасы жатады. Битумдер – гудронды ауамен тотықтыру арқылы немесе гудронды тереңдетіп айдау арқылы алынған май фракцияларынан кейін қалатын жартылай қатты және сұйық күйдегі өнімдер.

 Әр түрлі мұнай өнімдеріне мұнай коксы, күйе, мұнай пиролизінің әр алуан өнімдері (бензол, толуол, ксилол, т.б.), асидолдар, деэмульгаторлар, хлорпарафиндер, т.б. жатады. Мұнай өнімдерінің сапасы физикалық және химиялық қасиеттеріне байланысты бағаланады.