ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВЫМ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ПРИНЦИПА ЕЕ ДРОБНОЙ ПЕРЕГОНКИ
творческая работа учащихся по химии (10 класс) по теме

СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 38 С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВЫМ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ПРИНЦИПА ЕЕ ДРОБНОЙ ПЕРЕГОНКИ

ШАРОНОВА ДАРЬЯ, 10 «А» КЛАСС

МАРЫЧЕВА НИНА КОНСТАНТИНОВНА, УЧИТЕЛЬ ХИМИИ

2007 Г., САРАНСК, МОРДОВИЯ (ул. Веселовского, д. 59, кв. 34; 733239)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ……………………………………………………………3

I Происхождение нефти…………………………………………….7

1.1. Три точки зрения……………………………………………….7

1.2.  Гипотеза Д.И.Менделеева………………………………………18

II Переработка нефти…………………………………………………29

Заключение……………………………………………………………33

Список использованной литературы………………………………...35

ВВЕДЕНИЕ

История науки создается выдающимися трудами талантливых ученых, способствующих более полному познанию мира и законов его существования. В истории химии остались имена таких русских ученых, как М.В.Ломоносов, Н.Н.Зинин, С.В.Лебедев, В.В.Марковников, Н.Н.Семенов, А.М.Бутлеров и, безусловно, Д.И.Менделеев, чье 175-летие со дня рождения будет отмечаться 27 января 2009 года.

Гений – явление довольно редкое, поэтому привлекает преимущественное внимание современников и потомков. Меня неслучайно заинтересовала личность Д.И.Менделеева, масштабы которой не ограничиваются интересом к химии. Его образ – образ подлинного ученого, образованнейшего и культурнейшего человека своего времени является для меня символом благородного служения науке, и как следствие – России и русскому народу. Я делаю лишь первые шаги в мир химии, поэтому мне кажется логичным проникновение в него через знакомство с биографиями таких великих исследователей, как Д.И.Менделеев. Его жизнь, его труд, сделанные им открытия вселяют в меня гордость за то, что я являюсь его согражданином и говорю  на том же языке, на котором говорил он.  

Периодический закон и периодическая система стали важнейшим вкладом Д.И.Менделеева в развитие естествознания. Но они составляют лишь часть огромного творческого наследия ученого, собранного в 25 томов, представляющих собой подлинную энциклопедию знаний.

Д.И.Менделеев в своей студенческой диссертации «Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу», посвященной изучению близости кристаллических форм различных веществ в зависимости от содержания сходных по свойствам элементов, привел в систему разрозненные сведения об изоморфизме, что сыграло определенную роль в развитии геохимии. Он открыл критическую температуру кипения, выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии; в докторской диссертации «О соединении спирта с водой» разработал гидратную теорию растворов, поэтому справедливо считается выдающимся физико-химиком; провел глубокие исследования свойств разреженных газов, продемонстрировав способности  физика-экспериментатора. Д.И.Менделеев разработал процесс приготовления бездымного пороха; изучал метеорологию, совершенствовал технику измерений, воздухоплавание. Его увлечение аэронавтикой стало продолжением работы по изучению атмосферы земли. В 1875 году он опубликовал статью «О температуре верхних слоев земной атмосферы», в которой предложил исследовать верхние слои атмосферы при помощи аэростата с герметичной кабиной для наблюдателя. Когда ему представилась фантастическая  возможность наблюдать солнечное затмение с аэростата, самостоятельно им управляя, ученый ею с радостью воспользовался. Будучи управляющим Главной палаты мер и весов, много сделал для развития метрологии. За научные заслуги Д.И.Менделеев был избран членом более 50 академий и научных обществ разных стран мира.

В основу химии Д.И.Менделеев положил открытый им принцип периодической системы элементов, давший возможность предвидеть существование новых, еще неизвестных элементов (галлий, германий) и с точностью предсказать их свойства. Периодическая система Д.И.Менделеева стала путеводной картой при изучении неорганической химии. Периодический закон явился фундаментом, на котором Д.И.Менделеев создал свою книгу “Основы химии” (1869-1871), о которой писал: «…любимое дитя мое. В них – мой образ, мой опыт педагога и мои задушевные научные мысли». По богатству и смелости научной мысли, оригинальности освещения материала, влиянии на развитие и преподавание химии этот труд не имел равного в мировой литературе. Книга Д.И.Менделеева издавалась десятки раз на разных языках мира.

В научной деятельности ученый видел, по его словам, свою «первую службу Родине». Вторая служба – педагогическая деятельность, которую он начал старшим учителем географии Симферопольской гимназии и продолжил в качестве преподавателя в лучших учебных заведениях Петербурга. Его лекции отличались высоким научным содержанием, оригинальностью и широтой подхода к изложению фактического материала. Они оживлялись частыми отступлениями в области других наук -  физики, астрономии, биологии, геологии. Их регулярно посещали не только студенты-естественники физико-математического факультета университета, но и многие студенты других факультетов. «Из тысяч моих учеников много теперь повсюду видных деятелей, и, встречая их, всегда слышал, что доброе в них семя полагал, а не простую отбывал повинность», - писал ученый.

Любовь студенчества к Д.И.Менделееву объясняется, на мой взгляд, не только его научной состоятельностью, но и многогранностью его личности. С восторгом и удивлением я узнала о том, что он  увлекался литературой, живописью и музыкой; был знаком с Н.В.Гоголем, И.Е.Репиным, И.И.Шишкиным, А.А.Блоком; читал А.Дюма, Ж.Верна, Ф.Купера, У.Коллинза, Майна Рида и др. Его хобби – мастерить из кожи и материи разные вещи, переплетать книги, наклеивать в альбомы своей же работы сделанные им семейные фотографии. Когда в 1895 году Д.И.Менделеев временно ослеп, то продолжал изготовлять чемоданы.

Многогранной и полезной была «третья служба Родине» - на ниве промышленности и сельского хозяйства, проблемы которых рассматриваются им в докторской диссертации «Стекло и стеклянное производство» и в работах «Уральская железная промышленность в 1899 г.» и «Учение о промышленности».  Д.И.Менделеев детально изучал способы добычи нефти и дал много ценных рекомендаций по их усовершенствованию, предложил теорию неорганического происхождения нефти, до сих пор имеющую приверженцев. Его работы, касающиеся вопроса происхождения нефти, остаются актуальными и по настоящий день, несмотря на более чем столетие, прошедшее с момента их появления, и активнейшее развитие нефтяной промышленности сегодня. Все это определяет научную новизну исследования, направленного на анализ истории изучения Д.И.Менделеевым проблемы переработки нефти и принципа ее дробной перегонки.

I. Происхождение нефти

В процессе изучения курса химии в общеобразовательной школе мы познакомились с работой Д.И.Менделеева, посвященной классификации химических элементов и открытых им периодическому закону химических элементов и периодической системе химических элементов. Это побудило меня обратиться и к другим трудам ученого,  анализ которых привел к следующему наблюдению: в настоящее время существует 3 точки зрения на происхождение нефти и способы ее переработки.

1.1. Три точки зрения

Существует три точки зрения по поводу происхождения нефти: органическая (биогенная), неорганическая (абиогенная) и космическая.

Органическая теория. Одним из наиболее сложных природных процессов является превращение органического вещества – продукта жизнедеятельности флоры и фауны, которое завершает свой путь преобразования погребенным либо в водоемах, либо в осадочных породах.

Остатки различных организмов, продукты их жизнедеятельности состоят из белков, углеводов, жиров и т.д.  Углеводороды же встречаются крайне редко и в незначительных количествах. По мере погружения осадков общая направленность процессов преобразования органического вещества состоит в накоплении веществ, устойчивых к действию бактерий. Активная деятельность микроорганизмов проявляется в интенсификации биохимических процессов и усреднении состава органического вещества осадков, которое и может явиться исходным материалом образования нефти. Всё это является основным положением органической теории происхождения нефти. Одним из её основателей считается М.В.Ломоносов. Значительный вклад в её становление внесли Н.Д.Зелинский и И.М.Губкин.

Основные процессы преобразования погребенного в осадочных породах органического вещества  происходят после погружения (либо в процессе погружения) на значительные глубины, где под воздействием теплоты, давления и каталитического действия горных пород органическое вещество превращается в углеводороды нефти. Поэтому-то и сам процесс преобразования рассеянного органического вещества в этих условиях принято называть термокаталитическим.

Немецкие ученые Г.Гефер и К.Энглер в 1888 году поставили опыты по перегонке рыбьего жира при температуре 400◦C и давлении порядка 1МПа. Им удалось получить и предельные углеводороды, и парафин, и смазочные масла, в состав которых входили алкены, нафтены и арены.

Позднее, в 1919 году, академик Н.Д.Зелинский провел похожий опыт, но исходным материалом послужил органический ил растительного происхождения – сапропель – из озера Балхан. При его переработке  удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, а также метан. Академик И.М.Губкин в своей книге «Учение о нефти», впервые увидевшей свет в 1932 г., наиболее обстоятельно и  полно подвел научный итог тогдашней истории нефтяного и газового дела.

В качестве исходного вещества для образования нефти И.М.Губкин рассматривал ил растительно-животного происхождения. В прибрежной полосе моря, где жизнь особенно активна, происходит накапливание этих органических остатков. Через какое-то время они перекрываются более молодыми отложениями,  которые предохраняют ил от окисления. Дальнейшие процессы идут уже без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий.

 По мере погружения пласта, обогащённого органическими остатками, под воздействием последующего наноса и тектонических перемещений в глубину, в нём возрастают температуры и давления. Эти процессы, которые впоследствии получили название катагенеза, и приводят в конце концов к преобразованию органики в нефть.

Взгляды Р.М.Губкина на образование нефти лежат в основе современной гипотезы её органического происхождения.  В наше время многие её положения расширены и дополнены. Так,  например,  долгое время считалось, что первоначальное накопление органических веществ обязательно должно идти в океане. Но, видимо, нефть может формироваться и в континентальной обстановке, ведь в болотах, озерах, реках достаточно органического вещества.

Детально рассмотрен и сам процесс формирования нефтяных месторождений. Выделяют пять основных стадий осадконакопления и преобразования органических остатков в нефть.

Первая стадия: в осадок, образующийся в море или в пресном водоеме, вносятся органические вещества с небольшим количеством углеводородов нефтяного ряда, синтезированных живыми организмами.

Вторая стадия: накопленный на дне осадок преобразуется, уплотняется,  частично обезвоживается. При этом часть вещества разлагается с выделением диоксида углерода, сероводорода, аммиака и метена. Словом, получается картина, частенько наблюдаемая на болотах.

Третья стадия: биохимические процессы постепенно затихают. Сравнительно небольшая температура  земных недр на данной глубине (порядка 50◦С) определяет и низкую скорость реакций. Концентрация битумов и нефтяных углеводородов возрастает слабо, в составе газовых компонентов преобладает диоксид углерода.

Четвертая стадия: осадок погружается на глубину 3-4 километра, окружающие температуры возрастают до 150◦С, происходит отгонка нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества в пласт. Попав в проницаемые породы-коллекторы, нефть начинает новую жизнь, образует промышленные залежи.

И наконец, пятая стадия: на глубине 4,5 километра и более при температурах свыше 180◦С органическое вещество прекращает выделение нефти и продолжает генерировать лишь газ.

Кроме температуры и давления в природных процессах принимает участие и электричество. Член-корреспондент АН СССР А.А.Воробьев выдвинул предложение, что в развитии нашей планеты немалую роль сыграли именно электрические процессы. По его мнению, горные породы обладают гораздо большими диэлектрическими свойствами, чем атмосфера. А если так, то грозы могут бушевать не только над, но и под землей!

В результате сильных электрических разрядов возникают частицы плазмы, которые обладают высокой химической активностью. Это обстоятельство, в свою очередь, создаёт предпосылки для протекания таких реакций, которые невозможны при обычных условиях. По мнению А.А.Воробьева, метан, выделяющийся из органических соединений, при воздействии подземного электрического разряда может подвергнуться частичному дегидрированию, то есть потерять некоторую долю водорода. В результате образуются свободные углеводородные радикалы  СН, СН2 и СН3. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен и другие углеводороды, входящие в состав нефти.

Одним из основных механизмов электризации горных пород, согласно рассуждениям Воробьева, является трение в месте контакта горных пород при взаимном перемещении в ходе тектонических процессов. Таким образом, процессы трещинообразования в земной коре могут способствовать  превращению механической энергии в электрическую.

Эти весьма неожиданные рассуждения нашли подтверждение в геологической практике! Ещё в 1933 году было отмечено, что формы облаков в зонах разломов земной коры резко отличаются от облаков в тех местах, где трещин нет. Современные геофизические приборы указывают, что в приземленном слое воздуха над зонами разломов земной коры  увеличена электропроводимость.

Расскажем об одной интересной гипотезе. В соответствии с ней, нефть образуется также из органических остатков, затянутых вместе с океаническими осадками в зону, где происходил подвиг океанической плиты под континентальную. Говоря другими словами, существуют тектонические процессы, которые позволяют органическим веществам оказываться на весьма больших глубинах. При этом механизм затягивания осадков  в зону подвига жестких плит аналогичен механизму попадания жидких смазочных масел в зазоры между трущимися деталями в различных технических устройствах и машинах.

    Дальше образовавшаяся нефть может подвергаться различным воздействиям. Например, под тяжестью литосферного выступа наползающей с материка плиты углеводороды могут быть «выжаты» из осадочных пород и активно мигрировать в сторону от надвига. Этим эффектом «горячего утюга» может быть объяснено формирование больших залежей нефти на сравнительно небольшой площади, как в районе Персидского залива.

В результате затягивания органических веществ в мантию, их последующей обработки и выброса образовавшихся углеводородов геотермальными водами в верхние слои земной коры их обнаруживают в вулканических газах во время извержений.

Такая теория, учитывающая глобальную тектонику  плит земной коры, оказалась весьма продуктивной  и с практической точки зрения. В США, к примеру, в последние годы начали бурить  в так называемых поднаддвиговых зонах  Скалистых гор. И здесь были обнаружены как нефтяные, так и газовые месторождения. А ведь по старым, классическим меркам, их здесь быть не должно.

Неорганическая теория

В 1866 г. французский химик М.Берто высказал предположение, что нефть образовалась в недрах Земли из минеральных веществ. В подтверждение своей точки зрения он провел несколько экспериментов, искусственно синтезировав углеводороды из неорганических веществ.

Неорганическая теория происхождения нефти выкристаллизовывалась постепенно и к тому моменту неорганики накопили достаточно экспериментальных фактов и рассуждений. И последующие годы добавляли в их копилку новые сведения.

 В 1877-1878 годах французские ученые, воздействуя соляной кислотой на зеркальный чугун и водяными парами на железо при белом калении, получили водород и значительное количество углеводородов, которые даже по запаху напоминали нефть.

В 50-е годы ХХ века Н.А.Кудрявцев собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным и газовым месторождениям мира.

Прежде всего, Н.А.Кудрявцев обратил внимание на то, что многие месторождения нефти и газа обнаруживаются под зонами глубинных разломов земной коры. Сама по себе такая мысль не была новой: на это  обстоятельство обратил внимание еще Д.И.Менделеев. Но Н.А.Кудрявцев намного расширил географию применения таких выводов, глубже обосновал их.

Например, на севере Сибири,  в районе так называемого Мархининского вала, очень часто встречаются выходы нефти на поверхность. На глубину двух километров все горные породы буквально пропитаны нефтью. В то же время, как показал анализ, количество углерода, образовавшегося одновременно с породой, чрезвычайно невелико – всего 0,02-0,4%. Но по мере удаления от вала количество пород богатых органическими соединениям возрастает, а вот количество нефти резко уменьшается. На основании этих и других данных Н.А.Кудрявцев утверждает, что нефтегазоносность Мархининского вала скорее всего связана не с органическим веществом, а с глубинным разломом, который и поставляет нефть из недр планеты.

Подобные же образования имеются в других регионах мира. Скажем, в штате Вайоминг (США) жители издавна отапливают дома кусками асфальта, который они берут в трещинах горных пород соседних Медных гор. Но сами по себе граниты, из которых состоят эти горы, не могут накапливать нефть и газ. Эти полезные ископаемые могут поступить только из земных глубин по образовавшимся трещинам.

Более того, найдены следы нефти в кимберлитовых трубках – тех самых, в которых природа осуществила синтез алмазов. Такие каналы взрывного разлома земной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы, могут оказаться вполне подходящим местом  и для образования нефти и газа.

Обобщив эти и множество других фактов, Кудрявцев создал свою магматическую гипотезу происхождения нефти. В мантии Земли под давлением  и при высокой температуре из углерода и водорода  образуются углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3. Они движутся в веществе мантии от области высокого к области низкого давления. А так как  в зоне разломов перепад давлений особенно ощутим, углеводороды и направляются в первую очередь именно сюда. Поднимаясь в слои земной коры, углеводороды в менее нагретых зонах реагируют друг с другом   и с водородом, образуя нефть. Затем образовавшаяся жидкость может перемещаться как вертикально, так и горизонтально по имеющимся в породе трещинам, скапливаясь в ловушках.

Исходя из этих теоретических представлений, Кудрявцев советовал искать нефть не только в верхних слоях, но и глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается, и глубина бурения с каждым годом возрастает.

Космическая теория

Геолог В.Д.Соколов в 1989 г. высказал предположение, что,  когда вся наша планета еще представляла собой газовый сгусток, в составе этого газа присутствовали и углеводороды. (Помните, что в атмосфере некоторых планет были обнаружены соединения углерода и водорода.)  По мере охлаждения раскаленного газа и перехода его в жидкую фазу, углеводороды постепенно растворялись в жидкой магме. Когда же из жидкой магмы пород стала образовываться твердая земная кора, она, согласно законам физики, уже не могла удержать в себе углеводороды. Они стали выделяться по трещинам в земной коре, поднимаясь в верхние ее слои, сгущаясь и образуя здесь скопления нефти и газа.

Комическое неорганическое происхождение нефти раскрывается в работах В.Д.Соколова, который полагал, что углеводороды нефти образовались из рассеянных неорганических компонентов в космическом пространстве и попали в состав земного вещества на стадии формирования нашей планеты. Эта точка зрения отвечает  «холодному» начальному состоянию земли. Возможными аргументами в пользу космического прошлого нефти могут быть данные астрофизики о наличии углеводородсодержащих  радикалов на звездах и данные геохимических исследований органических соединений в метеоритах.

Присутствие  углеводородсодержащих веществ в неземном пространстве установлено спектроскопическими наблюдениями. По интенсивности полос поглощения удалось не только качественно, но и количественно оценить наличие тех или иных веществ и в околоземном пространстве, и за пределами Солнечной системы.

В областях межзвездного пространства температура достигает порядка 10000◦С. При этих условиях возможно существование не молекул, а только радикалов: CH, CN, OH, NH, что и зафиксировано приборами. В газовых туманностях  температура почти земная – ниже 1000◦С, где углеводороды вполне вероятны, хотя фактического подтверждения пока нет.

Спектроскопические наблюдения показали, что в атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна имеются метан и аммиак.  Косвенные данные говорят, что  планеты Уран и Нептун полностью состоят из метана,  аммиака, углекислого газа. Не исключено присутствие более сложных молекул, в составе которых находятся углерод, водород, азот и кислород.

В головах и хвостах комет обнаружили радикалы, куда входят те же элементы. Космическое пространство  содержит в достаточном количестве эти элементы, которые либо под воздействием высоких температур, либо под действием радиоактивного излучения образуют радикалы. При снижении температуры радикалы соединяются в молекулы, что, вероятно, и  происходит в космосе.

Астрофизические наблюдения и прямые космические исследования показали, что на планетах земной группы (Венера, Марс, Луна) отсутствуют углеводородсодержащие соединения.  

Исследования метеоритов, т.е. обломков тел, находящихся на границе планет земной группы с зоной планет-гигантов, показали присутствие в них органических соединений: углеводородов, аминокислот, гетероциклических соединений. Следует отметить одну особенность выделенных из метеоритного вещества парафинов: они состоят  из нормальных углеводородов.  Своего рода сенсацией явилось открытие у углеводородов метеоритного происхождения оптической активности. Приведенные данные, казалось бы, говорили в пользу возможного образования углеводородов Земли из соединений, содержащихся в составе обломков родительских космических тел. Это органическое вещество в недрах Земли могло претерпеть изменения, превратившие его в нефть.

Уже в наше время обе гипотезы – вулканическая и космическая – были объединены в единое целое новосибирским исследователем В.Сальниковым. Он использовал предположение, что некогда у Земли кроме Луны был еще один спутник. Эта планета, имевшая в своем составе большое количество углеводородов, находясь на чересчур низкой орбите, постепенно тормозилась о верхние слои атмосферы и, в конце  концов, упала на Землю, как  это происходит с искусственными спутниками. Резкий толчок Земли активизировал вулканическую и горообразовательную деятельность. Миллиарды тонн вулканического пепла, мощнейшие грязевые потоки завалили принесенные из космоса углеводороды, похоронили их в глубоких недрах, где под действием высоких температур и давлений они превратились в нефть и газ.

В качестве обоснования для своих выводов В.Сальников указывает на необычное расположение месторождений нефти и газа. Соединив между  собой крупные зоны обнаруженных месторождений, он получил систему параллельных синусоидальных  линий, которая, по его мнению, весьма напоминает проекции траекторий искусственных спутников Земли.

Итак, на сегодняшний день налицо две точки зрения на природу происхождения нефти. Одна – биогенная. Согласно ей нефть образовалась из остатков животных или растений. Вторая теория – абиогенная, которая включает в себя космическую и неорганическую теории. Подробно разработал ее Д.И.Менделеев, предположивший, что нефть природе может синтезироваться из неорганических соединений.

И хотя большинство геологов придерживается  все-таки биогенной теории, отзвуки этих споров не затихли и по сей день. Уж слишком велика цена истины в данном случае. Если правы сторонники биогенной теории, то верно и опасение, что запасы нефти, возникшие давным-давно, вскоре могут подойти к концу. Если же правда на стороне их оппонентов, то вероятно, эти опасения напрасны. Ведь землетрясения и сейчас приводят к образованию разломов земной коры, воды на планете достаточно, ядро ее, по некоторым данным, состоит из чистого железа… словом, все это позволяет надеяться, что нефть образуется в недрах и сегодня, а значит, нечего опасаться, что завтра она может кончиться.

В литературе часто встречаются слова «теория происхождения нефти».  Приведенные данные дают нам право говорить о гипотезе, а не о завершенной теории.  Спор ведь еще не окончен, и как знать, сможем ли мы стать свидетелями его завершения. Трудно поставить точку и быть категоричным в оценке позиций спорящих. Ведь предмет спора отдален от нас на миллионы лет и на сотни километров земных глубин. И все это доносит до нас лишь последствия  событий, но не их причину. В Древней Греции на центральной площади Афин стояли большие солнечные часы.  Скороды определяли по ним время, а потом бежали по городу и сообщали его за мелкую монету. И чем дальше скороход удалялся от часов, тем меньше была вера его сообщениям. Не окажемся ли мы в этом споре в роли скорохода, пытаясь реконструировать события, отмеренные масштабами геологического времени?

Практика поиска нефти сделала большие успехи. И они в своей основе получены без теоретического прогноза о вероятных зонах генерации нефти. Сложилась в известной степени парадоксальная ситуация: нефтяники-поисковики не располагают обоснованными научными прогнозами, где и как образовалась нефть. Поиск нефти основан на том, где, в каких местах существуют благоприятные условия для формирования ловушек нефти – коллекторов. А ведь зная причины образования, можно вести направленный поиск.  За постановкой вопроса – откуда же пошла нефть – стоят конкретные практические дела – где искать нефть. Поэтому-то продолжают спорить ученые о прошлом нефти, скрытом толщей земной коры и завесой миллионов лет.

1.2.  Гипотеза Д.И. Менделеева

Впервые Д.И.Менделеев заинтересовался вопросами добычи и переработки нефти в 1863 г., когда по приглашению нефтепромышленника В.А.Кокорева посетил город Баку и дал  несколько советов по транспортировке нефти от мест добычи к местам переработки и по перевозке нефтепродуктов по Волге.

Возникшая в результате научных разысканий и эмпирического опыта гипотеза Д.И.Менделеева (1877) о неорганическом происхождении нефти из карбидов тяжелых металлов с течением времени не подтвердилась. Он отверг обоснованную С.Аррениусом (1887) теорию электролитической диссоциации и электронную теорию строения атома (1903).  Открытый Рамзаем инертный газ аргон (1894) принял за аллотропное видоизменение азота N3. До конца жизни был твердо уверен в неизменяемости атомов, считая, что взаимопревращаемость элементов подрывает периодический закон.

Время и объективные процессы, влияющие на развитие науки, показали ошибочность некоторых взглядов Д.И.Менделеева. На мой взгляд, это обычное явление в области знаний о закономерностях развития природы, поскольку сказать «последнее слово» в науке практически невозможно, она развивается столько, столько есть жизнь и человек. Ежедневно открываются новые явления, появляются новые исследователи, оперирующие богатейшим багажом знаний и использующие в работе более совершенные приборы и препараты. Поэтому мы,  находясь на высоте современного развития науки, должны быть благодарны первопроходцам, давшим импульс дальнейшему изучению той или иной научной проблемы.

Отложив свои прежние занятия, в 1870 году Менделеев обратился к научным и прикладным проблемам изучения нефти.

Следует сказать, что техника добычи и перевозки нефти в Баку в 1860-1870-х гг. была не крайне низком уровне. Нефтепромышленник В.Н. Рагозин отмечал, что до конца 1872 года, т.е. до отмены откупа, нефтяные колодцы, из которых черпали нефть кожаными мешками с помощью верёвок, находились «в том же виде, как завещали их потомству персидские владыки и Бакинские ханы. Научное знание не прикасалось к ним». К «научному знанию» приступил Менделеев, и, прежде всего, к причине образования нефти. Впервые свою гипотезу о происхождении нефти он изложил 16 января 1876 года на заседании Русского химического общества и Физического общества в Санкт-Петербурге. Менделеев проанализировал, в каких пластах земли могла образоваться нефть, при этом утверждал, что «выходы нефти на поверхность показывают стремление её к поднятию по пластам земли, что зависит… от того, что нефть легче воды, всюду находящейся. Следовательно, место образования нефти должно лежать ниже тех мест, где она содержится…  трудно допустить образование нефти из организмов по той причины, что тогда бы вместе с нефтью должно было бы происходить много угля».

Из сообщения Менделеева следует, что он допускает скопление внутри Земли металлов, особенно железа. Это заключение он сделал, опираясь на гипотезу французского астронома, математика и физика П.С.Лапласа (1749-1827) о происхождении Земли, руководствуясь приложением закона основателя химической атомистики, английского ученого Дж. Дальтона (1766-1844) к парообразному состоянию «составных начал земного шара и рассматривая плотность Земли и плотность паров простых тел». И далее Менделеев утверждал, что, «предполагая притом существование углеродистых металлов, можно объяснить не только образование нефти, но и все особенности её распределения в тех местах, где пласты земли при подъёме кряжа гор должны были надломиться с внутренней стороны. Через такой надлом должна была проникать к углеродистым металлам вода. Она при высокой температуре и давлении с углеродистым металлом должна была дать окислы и предельные углеводороды, которые в парах восходили до таких слоёв, где сгущались и пропитывали рыхлые пески, способные удержать много маслообразных веществ».

Менделеев представлял процесс образования нефти как продукта неорганической природы, при этом он полагал, что дальнейшие детальные исследования могут подтвердить или не подтвердить существование и минеральной, и органической идей о происхождении нефти. В то время предполагали, что нефть образована из остатков животных и растительных организмов.

Весной 1876 г. Д.И.Менделеев был командирован Министерством финансов на промышленную выставку в Филадельфию (США), чтобы основательно изучить имеющие место методы добычи и переработки нефти в штате Пенсильвания. Вернувшись из двухмесячной командировки, Д.И.Менделеев написал объемный труд «Нефтяная промышленность в североамериканском штате Пенсильвания и на Кавказе». Он посвящен в большей мере методам добычи нефти, и в связи с этим в нем дан подробный экономический анализ состояния нефтяной промышленности в Америке, и при сопоставлении данных с европейским рынком нефтепродуктов сделано заключение, благоприятное для Бакинской нефтяной промышленности.

И в этой работе он посчитал необходимым поднять вопрос о происхождении нефти, возможно в разных нефтяных районах имеющий отличия, например, связь между месторождениями нефти и вулканами. Главное, от чего отталкивается ученый, – это факт, что нефть не образуется на поверхности Земли (тогда она испарилась бы, оставив остаток смолы) и на дне вод (она всплыла бы на поверхность воды и соприкасалась с атмосферой). Таким образом, нефть можно искать только в глубине Земли. В чем же причина ее появления там? Менделеев наблюдал нефть под микроскопом, но не обнаружил в ней «следов органических тканей».

Причины образования, по мнению Менделеева, важны потому, что они дают возможность знать, где искать нефть. Довольно подробно Менделеев изложил сведения об элементах, составляющих Землю, применив совокупность знаний из разных наук. Вопрос о расположении веществ «в земной атмосфере» можно решить законом,  установленным Дальтоном, «для смешения паров и газов» (закон парциальных давлений) и данным об изменении температуры атмосферы на разных высотах. Менделеев  учитывал также вывод Дальтона: «Всякий газ или пар в смеси с другими распределяется так, как распределялся бы он один». «Из этого, несомненно, следует, - продолжает Менделеев, - что в верхних слоях атмосферы должны преобладать газы, которых плотность d мала, а в нижних слоях должны преобладать те газы, которых плотность D велика».

Д.И.Менделеев рассматривает причины охлаждения газов и другие явления, связанные с изменением физического состояния вещества, и, ссылаясь на французского химика А.Сент-Клер Девиля  (1818-1881), осуществившего в 1857 г. классические исследования в области термической диссоциации, принимает во внимание, что к процессам изменения химического состояния приложимы те же закономерности,  что и к изменению физического состояния. «С охлаждением начинаются химические соединения», – писал Д.И.Менделеев.

Сформулировав положения, определяющие образование химических соединений, Д.И.Менделеев сделал вывод, что в центре Земли происходит скопление простых веществ с большой плотностью пара, другими словами, веществ, образованных из элементов с большим атомным весом и таким же молекулярным (у Д.И.Менделеева «частичным») весом. Подтверждается это явление тем, что более легкие элементы (с атомными весами от 1 до 40) от водорода до кальция находятся на поверхности Земли (хотя, конечно, Менделеев указывает на то, что по закону Дальтона возможно, что внутрь Земли могут попасть легкие элементы, а на поверхность – тяжелые).

Рассуждения Д.И.Менделеева весьма обстоятельны с научной точки зрения. Они приводят к выводу о том, что больше всего в Земле находится железа: «Возможно допустить, что внутри Земли железо содержится, хотя отчасти, в виде неокисленном и в соединении с углеродом. А тогда происхождение нефти в глубинах будет весьма легко объяснимо». Объяснение состоит в том, что камни метеоритов, представлявшие, как и Земля, часть Солнечной системы, «произошли из начальной массы Солнца». Эти камни, как правило, представляют железо, а могут содержать и «углеродистое железо». Они находятся в недрах Земли, в которой от разных причин появляются трещины. Вода проникает глубоко в земные недра, железо (или другой металл) соединяется с кислородом воды, образуется оксид, выделяется водород – «частью свободный, а частью соединенный с углеродом, т.е. углерод, бывший в соединение с металлом, дает углеводород – вещество летучее - это нефть».

По мнению Д.И.Менделеева углеводороды нефти могли образоваться следующим образом:

               2FeC + 3H2O → Fe2O3 + C2H6

Но откуда же могло появиться столь значительное количество карбида железа? Ведь это нестойкое соединение, и в природных условиях высока вероятность его окисления. Образование карбида железа могло произойти на определенном этапе охлаждения Земли в интервале 1800 – 1900◦С. При температуре 1000-1500◦С карбид железа взаимодействует с парами воды, что приводит к образованию углеводородов. Но в этих условиях углеводороды нестойки и распадаются на углерод и водород, т.е. получается система: Fe, H2.C, CO, CO2. При более низких температурах эта система вновь трансформируется в карбид железа, который в более мягких условиях с водой генерирует углеводороды. Последние в газообразном состоянии поднимаются к поверхности, где при охлаждении и собираются в пористой породе осадочного слоя в залежь.

  Процесс образование залежей карбида железа может быть представлен и более простой схемой, при которой железо взаимодействует с графитом при высоких температурах и недостатке кислорода. Как известно, имеется несколько типов карбидов железа (FeC, Fe2C, Fe3C и т.д.), которые могут быть источниками образования углеводородов.

В состав газовой смеси, образующейся при разложении карбидов, входят оксид углерода (II) и водород. И в природном горючем газе имеются водород и оксид углерода (II); в газах вулканического происхождения также отмечено их присутствие.

Водород мог получиться при взаимодействии оксидов железа, рассеянных в значительном количестве в породах, с водой:

 6FeO + 2H2O → 2 Fe3O4 + 2H2

 Н.Д.Зелинский полагал, что водород выделяется при действии γ-излучения на воду.

Как известно, синтез углеводородов при взаимодействии углерода (II) и водорода рассматривается как промышленный метод получения углеводородов:

CO + 3H2 → CH4 + H2O

6CO + 4H2 → C3H8 + 3CO2 

И так, и этот путь синтеза углеводородов в принципе возможен в глубинах Земли. Но можно представить еще более простую схему неорганического синтеза углеводородов:

(n + m/2)C + mH2O → CnH2m + m/2CO2

Приведенные  схемы синтезов углеводородов из неорганического материала по своей сути не могут вызвать возражений, хотя их осуществление требует либо наличия специальных катализаторов, либо достаточно высоких температур и давлений. В последнем случае сохранность углеводородов от термического разложения обеспечивается миграцией в холодные слои осадочного слоя. Таким образом, неорганическое происхождение нефти объясняется исходным материалом, которым глубинные слои Земли должны располагать в избытке, а условие образования залежей нефти – поступлением нефти в коллектор. Ими могут быть глубинные разломы.

Это гипотеза Д.И.Менделеева о минеральном, или неорганическом, происхождении нефти.

Большое значение придавал Д.И. Менделеев знанию природы нефти, не соглашаясь с практиками, которым «нет дела до теории». «Геологам необходима руководящая идея для плодотворного бурения скважин», - настаивал Менделеев. «если практики-нефтепромышленники хотят соблюсти истинную экономию труда и капитала, они должны ясно понять ту выгоду, которую они могут получить от знакомства с теорией дела», - писал он .

В начале 1880-х гг. ясных представлений о составе нефти, в частности Бакинской, которая привлекала наиболее пристальное внимание Менделеева, не существовало. Было известно, что в ее состав входят парафины (предельные углеводороды). Анализы показывали, что большую массу нефти составляли углеводороды, отвечающие формуле CnH2n.

Ученые России довольно интенсивно исследовали кавказскую нефть.  В конце 70-х гг. прошлого века А.А. Летний впервые доказал, что при пропускании нефти накальные железные трубы с углем образуются ароматические углеводороды: бензол, толуол, нафталин, антрацен, фенантрен. Кстати, производство бензола и его производных было тогда очень важным для возрождавшейся в России промышленности красок.

В XIX в. уже довольно успешно развивался органический синтез, в связи с чем ряд углеводородов, содержавшихся в нефти, были ранее получены в лабораториях на Западе и в России вне исследований нефти. Например, толуол впервые был открыт в 1838г. во Франции при приготовлении светильного газа из сосновой смолы, а в 1841 г. там же выделен из толуанского бальзама. В 1864 г. толуол был синтезирован в Германии по реакции:

C6H5Br+CH3I+2Na→C6H5CH3+NaBr+NaI

Ф.Р.Вреден, петербургский химик-органик, нагревая бензол и его гомологи с HI и  P, получил углеводороды  CnH2n  и, основываясь на близости удельных весов некоторых фракций нефти и гексагидробензола, гексагидротолуола гексагидроксилола, высказал мнение об их тождестве.

Это мнение было подтверждено опытами Ф.Ф. Бейльштейна и А.А. Курбатова в 1881г.  анализами Бакинской нефти.

В начале 1880-х гг. исследованиями кавказской нефти занимались В.В.Марковников и  В.Н. Оглобин. Эти исследования привели к открытию класса алициклических углеводородов, которые В.В. Марковников назвал нафтенами (полиметиленовые углеводороды). Исследователи установили различия в химическом составе американской (пенсильванской) и кавказской нефтей.

    Менделеев получил недостаточно чистые циклогексан и его изомер метилциклопентан, идентифицировать и выделить которые из нефти удалось значительно позднее.

Таким образом, в России проводилось интенсивное исследование нефти, сопровождавшееся дискуссиями, в которых принимали участие такие выдающиеся химики, как Д.И. Менделеев, В.В. Марковников, М.И. Коновалов и др.

Д.И. Менделеев посвятил нефтяному делу немало статей, детально освещая различные вопросы, однако он постоянно занимался решением нефтяной проблемы в России в целом. Одним из таких вопрос была гипотеза о происхождении нефти, она подтверждалась экспериментально: действием кислот на богатый углеродом чугун Менделеев получил жидкие углеводороды, по составу и сходные с нефтью.

Некоторые ученые поддержали гипотезу Менделеева, противостоящую гипотезе об органическом происхождении нефти. В 1914 г. Н.М. Кижнер подтвердил, что нигде нет запаса ископаемых белков или жиров. В середине нашего столетия Н.А. Кудрявцев и ряд других ученых выступили в поддержку гипотезы Менделеева. В то же время существует теория происхождения нефти из органических остатков под воздействием анаэробных бактерий, способных жить в почве, воде, донных отложениях в отсутствие атмосферного кислорода.

А.Е. Чичибабин писал, что вопрос о происхождении нефти еще нельзя считать окончательным решенным. Присутствие в нефти веществ растительного и животного происхождения можно объяснить тем, что нефть, образовавшаяся вначале неорганическим путем, как полагал Д.И. Менделеев, могла в дальнейшем растворять органические вещества.

Многие идеи Д.И. Менделеева не потерял своей значимости и теперь, особенно те, которые касаются бережного отношения к природным запасам нефти. Он считал необходимым привлечением в нефтяную промышленность иностранного капитала, поскольку в России ощущался недостаток средств для организации новых производств. С необыкновенной энергией ученый боролся за развитие отечественной нефтяной промышленности.

II. Переработка нефти

Основным (первичным) процессом переработки нефти (после стабилизации, обезвоживания и обессоливания) является ее перегонка, в результате которой, в зависимости от поставленной цели, отбирают следующие нефтепродукты: бензин авиационный  или автомобильный или их компоненты; лигроин; реактивное и газотурбинное топливо; керосин, дизельное топливо; мазут. К вторичным процессам переработки нефти, связанным с изменением структуры  углеводородов, входящих в ее состав, относятся: крекинг, риформинг, гидроформинг, платформинг, алкилирование, ароматизация нефтепродуктов, изомеризация, полимеризация, гидрогенизация деструктивная, пиролиз, коксование. Нефтепродукты, полученные при первичных или вторичных процессах переработки нефти, подвергают очистке. Для дальнейшего повышения качества полученных нефтепродуктов к ним добавляют различные присадки.

    Д.И. Менделеев проводил исследования углеводородов нефти в основном в 1880-1885гг. В 1881 г. на заводе в Константинове вблизи Ярославля он наблюдал многократные разгонки Бакинских бензинов, выражая результаты каждой из них графически. Получить индивидуальные углеводороды из-за несовершенства приборов не было возможности, но графические изображения привели Менделеева к выводу, что углеводороды каждого класса – парафины, нафтены, ароматические углеводороды и т.д. – отличаются друг от друга изменением удельного веса в зависимости от температуры. Касаясь химических свойств, Менделеев считал углеводороды  нефти весьма лабильными, поэтому проводили их разделение без какой-либо предварительной обработки посредством химических реагентов и растворителей.

В 1881 г. Д.И.Менделеев делает в своей записной книжке следующую запись: «Провести через раскаленные трубы 300-400◦», которая показывает, что он пришел к выводу о возможности термической обработки нефти, идее, приведшей затем к разработке технологами России термического крекинга нефти. Заинтересовавшись вопросом о действии жара на тяжелые масла нефти еще в 1877 г., Д.И.Менделеев затем предложил использовать серную кислоту для очистки солярового масла, нейтрализацию щелочным раствором и осветление очищенного солярового масла пропусканием его через раздробленный кирпич, обработанный известью. Для очистки он также предлагал использовать пемзу и уголь.

Побывав в 1867 г. на всемирной промышленной выставке в Париже, Менделеев  опубликовал описание действовавших в то время некоторых химических производств, в том числе работу, одна из глав которой называется «Производство керосина, парафина и других осветительных материалов минерального происхождения». В этой работе он указывает на основное препятствие в развитии нефтяной промышленности в России – нефтяной откуп, т.е. предоставление частным лицам права на сбор налогов, купленного у государства, который следовало отменить. (Нефтяной откуп был отменён в 1873 г.).

Заботясь о техническом прогрессе в нефтяном промысле, Д.И. Менделеев указывал на необходимость расширения добычи и переработки нефти и удешевления основного в то время нефтепродукта – керосина.

Д.И. Менделеева был убежден, что развитию и подъему нефтяной промышленности должна способствовать наука, поэтому он проводил целую серию исследований – экспериментальных, технических и экономических. С ними связана рационализация переработки нефти и использования нефтепродуктов, тогда не находивших сбыта, например тяжелых смазочных масел. Ученый поставил цель использовать соляровое масло, которое было дешевле керосина, для освещения регионов, где крестьянское население пользовалось лучиной. Он предлагал выпускать в продажу осветительные керосиновые лампы. По этому вопросу, а также по вопросу введения акциза (дополнительного налога) на нефть, считая, что акциз на нефть неприемлем, он полемизировал с Бакинского заводчиком Л.Э. Нобелем, племянником А.Б. Нобеля, учредителя Нобелевской премий. Л.Э. Нобель отстаивал интересы нефтезаводчиков, что и вызывало резкую критику со стороны Д.И. Менделеева.

Основным (первичным) процессом переработки нефти (после стабилизации, обезвоживания и обессоливания) является ее перегонка, в результате которой, в зависимости от поставленной цели, отбирают следующие нефтепродукты: бензин авиационный  или автомобильный или их компоненты; лигроин; реактивное и газотурбинное топливо; керосин, дизельное топливо; мазут. К вторичным процессам переработки нефти, связанным с изменением структуры углеводородов, входящих в ее состав, относятся: крекинг, риформинг, гидроформинг, платформинг, алкилирование, ароматизация нефтепродуктов, изомеризация, полимеризация, гидрогенизация деструктивная, пиролиз, коксование. Нефтепродукты, полученные при первичных или вторичных  процессах переработки нефти, подвергают очистке. Для дальнейшего повышения качества полученных нефтепродуктов к ним добавляют различные присадки.

Казалось, получили конечные продукты из нефти и все. Но нет, возможен обратный процесс. Например, из резины (шины) можно получить нефть.

Идея венгерского инженера Э. Брезнаи, который искал новые способы утилизации изношенных автомобильных шин, заключалась в том, чтобы разлагать резину без доступа воздуха. А для этого он предложил окунуть измельченные покрышки в расплавленный чугун – прямо в доменную печь. При высокой температуре резина разлагается, образуются углеводородные газы и твердый остаток, который может частично заменить кокс – служить и топливом и восстановителем. Стальной корд плавится и смешивается с чугуном. А в газопромышленной воде скруббера в достаточно значительных количествах собирается органическая жидкость, близкая по составу к нефти.

Оригинальная идея в течение трех лет проверялась на крупном металлургическом комбинате. Домна, подпитываемая покрышками, работала вполне приемлемо. Правда, пока не удалось до конца решить все технические вопросы, например, - как выделить органику из газопромывной воды. Но главное доказано: из старых покрышек в домне можно выплавлять нефть.    

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Д.И.Менделеев внес огромный вклад в развитие органической и неорганической химии как науки. Помимо исследовательской деятельности он активно занимался практическим делом, направляя свои знания на преобразование промышленности и сельского хозяйства. Созданная им теория образования нефти утверждает ее неиссякаемость, что сделает ненужным поиск новых источников материальных благ и энергии. Даже сегодня эта теория имеет своих единомышленников.

Однажды Д.И.Менделеев заметил: «Нефть не топливо. Топить можно и ассигнациями». И эти слова стали хрестоматийными. В начале ХХ века, еще при жизни ученого, начался перевод кораблей военно-морского флота крупнейших держав с угольного топлива на нефтяное. К началу первой мировой войны (1914 г.) он практически завершился в большинстве стран, в том числе и в России. Это увеличило мощность силовых установок, работавших на судах, на одну треть без строительства новых кораблей.

В наши дни в промышленно развитых странах вся добываемая и покупаемая нефть идет на переработку. Но при этом около 90 % всей массы нефтепродуктов – топлива и масла, и только 10% – сырье для нефтехимии. Таким образом, Д.И.Менделеев прав: нефть не только топливо, но и  основа многих совершенно необходимых человеку топлив. Добыча и потребление нефти – важный показатель промышленного развития государств, организация ее переработки отражает уровень химической науки и технологии.

На одном из геологических конгрессов Д.И.Менделеев сказал: «Вдаваясь в глубь Земли, приходится вдаваться в глубь знаний». Ранее этому высказыванию не придавали особого значения, и лишь в современном мире оно стало актуальным. Действительно, постигнуть законы природы, проникнуть в мир неизведанного и таинственного, понять принципы жизни земной и подземной невозможно без развития научных знаний и без их применения в промышленности. Земля – уникальная структура, всегда живая, всегда готовая рождать, самовосстанавливающаяся, своего рода «вечный двигатель». Земля – это Жизнь. Если следовать логике этого рассуждения, то гипотеза Д.И.Менделеева вполне может быть небезосновательной, т.к. все, что рождено землей и в земле, питается ее соками, наделено ее силой и, значит, будет существовать столько, сколько будет существовать мир.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макареня, А.А. Люди науки. Д.И.Менделеев / А.А.Макареня, Ю.В.Рысев. – М.: Просвещение, 1988. – 128 с.

2. Озимок, Н.М. Нефть, выплавляемая в домне / Н.М.Озимок // Химия и жизнь. – 1980. - № 9. – С. 14.

3. Табер, А.М. Нефть – прошлое, настоящее, будущее / А.М.Табер. – М.: Просвещение, 1987. – 128 с.

4. Чернова, Н.М. Основы экологии. Учебник 10 – 11 кл. / Н.М.Чернова, В.М.Голушин. – М.: Дрофа, 2006. – с.

5. Шептунова, З.И. Д.И.Менделеев: гипотеза о происхождении нефти / З.И.Шептунова // Химия в школе. – 1998. - № 4. – С. 89 – 93.

6. Летопись жизни и деятельности Д.И. Менделеева. Л. 1984. 

Анкета-заявка участника ежегодного Всероссийского конкурса

исследовательских работ обучающихся

общеобразовательных учреждений

(посвященного 175-летию со дня рождения Д.И.Менделеева)

Название работы, подаваемой на конкурс  История изучения Д.И.Менделеевым проблемы переработки нефти и принципа ее дробной перегонки

Фамилия, имя, отчество автора Шаронова Дарья Марковна

Год, месяц, день рождения 20 февраля 1992 г. Место учебы: школа № 38 класс 10 «А»

полный адрес школы индекс  430013 город Саранск  область  -       село –

телефон                     федеральный телефонный код города  8342   факс

E-mail                                                                )

Домашний адрес автора 430034, г. Саранск, ул. Веселовского, д. 59, кв. 34; (8342) 733239

Фамилия, имя, отчество руководителя работы Марычева Нина Константиновна

Должность

Место работы

Телефон для связи                                       e-mail

Адрес МОУ СОШ  город  Саранск         область                       Н.П.

Индекс  430013   улица Миронова   дом № 8

e-mail

e-mail городского, областного органа управления образованием

федеральный телефонный код   8342   телефон                           факс

ФИО  руководителя органа управления образованием региона, города

Участие в региональном, городском конкурсе

Возможность участия в финале  Всероссийского конкурса ПОДТВЕРЖДАЮ

Подпись директора МОУ СОШ

Дата заполнения