Uhlí, ropa a zemní plyn

Chemický průmysl produkuje širokou řadu látek, se kterými se setkáváme každý a celý den, počínaje vlákny a textiliemi, přes hygienické přípravky, složky potravin či léky, až po barvy, pokročilé materiály či parfémy. I velmi komplikované molekuly jsou stavěny ze základních stavebních kamenů, jejichž zdrojem je příroda. Některé látky jsou získávány ze přírody živé (např. z bylin vonné silice, z bakterií biotechnologická léčiva atp.), avšak objemově největším zdrojem surovin je příroda neživá. Vedle těžby nejrůznějších hornin a rud (pyrit, síra, chilský ledek, ...) jsou nejdůležitějšími zdroji tzv. fosilní paliva, která vznikla přeměnou odumřelých těl především prvohorních rostlin (období karbonu), od čehož se odvozuje i jejich název; nejdůležitějšími zástupci jsou uhlí, ropa a zemní plyn. V minulosti převládal význam uhlí, a to jak po palivové, tak po surovinové stránce (zejména kvůli snazší dostupnosti). Ale s rozvojem technologií se stala dostupná ropa a zemní plyn, až jejich význam převládl a dal vzniknout novému oboru zvanému petrochemie.

(nahoru)

1. Uhlí

Uhlí je hořlavá hornina složená převážně z elementárního uhlíku, která vznikla přeměnou biologických materiálů, jako třeba prvohorních přesliček či plavuní (období karbon získalo svůj název právě kvůli datování vzniku uhlí) za vysokých teplot a tlaků. Vedle čistého uhlíku je složeno z mnoha organických látek o nejrůznějších molekulových hmotnostech, z dalších prvků v něm nalezneme vodík H, kyslík O, dusík N a síru S. Kromě toho uhlí obsahuje minerální látky (prokazuje to popel zbylý po jeho shoření). Rozlišujeme uhlí černé (geologicky starší) a hnědé. Obsah uhlíku v černém uhlí je okolo 80 %, zatímco u hnědého se pohybuje okolo 70 %. Při samovolné přeměně hnědého uhlí v černé (prouhelňování) se uvolňuje methan CH₄, též zvaný důlní plyn, který byl příčinou mnoha důlních neštěstí.

Obr.: Černé a hnědé uhlí

Uhlí se těží a jako surovina může být buď přímo páleno jako zdroj energie (např. uhelné elektrárny, domácí kotle) či dále zpracováno. Jedním ze způsobů zpracování je zahřívání při vysokých teplotách bez přístupu vzduchu - pyrolýza, též zvaná zvaná karbonizace. Hlavními produkty karbonizace jsou koks (téměř čistý uhlík), uhelný dehet a karbonizační plyn. Koks je důležitou surovinou pro výrobu železa Fe (jeho redukcí ze železných rud), dříve sloužil i k výrobě karbidu (acetylidu) vápenatého CaC₂ (redukcí oxidu vápenatého CaO – páleného vápna).

Obr.: Koks

Dehet obecně je hustá černá kapalina nepříjemného zápachu. Jedná se vždy o směs stovek až tisíců organických sloučenin, které se z něj získávají různými separačními metodami (např. destilací), přičemž složení dehtu ovlivňuje jeho zdroj (např. černouhelný dehet má jiné složení než ropný dehet ap.). Význam uhelného dehtu však kvůli rozvoji petrochemického průmysl výrazně poklesl, přesto zůstává nezastupitelným zdrojem některých vybraných látek. Dehet je přítomen mimo jiné také v cigaretovém kouři.

Obr.: Dehet

Karbonizační (koksárenský) plyn se zpracovává (odstraněním amoniaku NH₃, benzenu C₆H₆, naftalenu C₁₀H₈ aj.) na svítiplyn. Ten se dříve využíval pro svícení (odtud odvozen jeho název, plynové osvětlení využívala mnohá města v 19. a 20. století) či pro vaření (plynové sporáky). Dalšími složkami svítiplynu jsou vodík H₂ (60 %), methan CH₄ (25 %) a další uhlovodíky, dusík N₂, kyslík O₂ a oxid uhličitý CO₂. Kvůli přítomnosti jedovatého oxidu uhelnatého CO ve svítiplynu (cca 5 %) byl nahrazen zemním plynem. Na otravu svítiplynem zemřel například český herec Jiří Šlitr. Dnes se stále koksárenský plyn využívá v chemických provozech buď jako palivo, nebo se dále zpracovává na řadu základních chemických látek (methanol, methylamin, ethylen a další).

Obr.: Přibližné složení svítiplynu

Význam uhlí, jakožto zdroje chemických surovin, v posledních desetiletích kvůli rozvoji petrochemického průmyslu pomalu upadá.

(nahoru)

2. Ropa

Dnes je majoritním energetickým a surovinovým zdrojem ropa. Je to tmavá olejovitá kapalina, obsahující směsici alkanů, cykloalkanů, arenů a případně i různých derivátů uhlovodíků. Roční spotřeba ropy se pohybuje v miliardách tun.

Obr.: Ropa

Ropa vznikla nejspíše obdobně jako zemní plyn či uhlí, rozkladem těl rostlin a živočichů pod zemským povrchem a bez přístupu vzduchu. Tento proces trval za vysokých tlaků několik set milionů let. Tato tekutina se těží z podzemních ložisek, a to jak na souši, tak pod mořskou hladinou. Pomocí podmořských ropných vrtů je přiváděna do ropných plošin, odkud se transportuje lodní přepravou (cisternou – tankerem). Na pevnině se pro přesun ropy využívá potrubí – ropovodů. Ropa je ve svých podzemních ložiskách často doprovázena zemním plynem.

Obr.: Ropná plošina

Vytěžená ropa se zpracovává frakční destilací. Na základě rozdílů v teplotách varu se tak oddělují jednotlivé složky:

Uhlovodíkové plyny je označení pro směs propanu C₃H₈ a butanů C₄H₁₀ (tj. butanu a isobutanu). Tyto plyny se používají jako náplň do zapalovačů, přenosných ohřívačů, k topení, jako pohonné látky či chemické suroviny. Benzínová frakce obsahuje tzv. primární beznín, který je zdrojem pro výrobu paliva do pístových zážehových motorů. Před jeho použitím se však musí nechat ,,reformovat‘‘, přičemž se řetězce nerozvětvené či málo rozvětvené přeměňují na rozvětvené či dochází také k zacyklení řetězců, čímž se zvyšuje tzv. oktanové číslo. To vyjadřuje vliv benzínu na ,,klepání‘‘ motoru. Tato hodnota byla historicky stanovena jako poměr mezi heptanem C₇H₁₆, kterému byla určena hodnota 0, a 2,2,4-trimethylpentanem C₈H₁₈, jenž má stanovenou hodnotu 100. Zatímco heptan způsobuje silné detonace motoru, 2,2,4-trimethylpentan (isooktan) takřka žádné. Proto platí, že čím je oktanové číslo vyšší, tím je benzín kvalitnější. Dříve se oktanové číslo reformovaného benzínu zvyšovalo ještě přidáním tetraethylolova (C₂H₅)Pb, avšak kvůli jeho toxicitě je používání v západním světě zcela zakázáno. V současnosti se tedy setkáváme s bezolovnatými benzíny (olovnaté benzíny jsou ale stále běžné např. v Indii nebo Číně), což na druhou stranu vede k potřebě hledání nových aditiv. Benzín je tak dnes složité směs mnoha látek, kde ke zvyšování oktanového čísla přispívají např. aromáty (benzín obsahuje až 40 % aromátů) nebo např. methyl(tercbutyl)ether. Ten je spolu s ethanolem tzv. biosložkou benzínu, která měla sloužit ke zvýšení podílu obnovitelných zdrojů ve fosilních palivech. V současnosti se vede odborná diskuse o skutečném přínosu tohoto opatření. Kromě využití v automobilovém průmyslu se benzín používá jako rozpouštědlo. Benzín s teplotou varu pod 60 °C se nazývá petrolether. Petrolejová frakce zahrnuje vznik paliva pro turbínové motory. Produktem je petrolej, který se dříve používal za účelem svícení (petrolejové lampy) či pro odstraňování drobných nečistot. Význam petrolejové frakce spočívá ale především v použití v leteckém půmyslu (palivo kerosen) a v krakování. Je to děj, při kterém dochází za vysokých teplot, bez přístupu vzduchu a často s použitím katalyzátoru k ,,trhání‘‘ dlouhých řetězců na menší. Produkty krakování jsou využívány buď jako benzín, nebo jako základní sloučeniny pro polymerní průmysl, jako třeba jednoduché alkeny ethylen C₂H₄ či propylen C₃H₆. Ethylen patří mezi nejvýznamnější organické sloučeniny, neboť jeho reakcemi lze připravit celou škálu dalších organických látek. Obě sloučeniny jsou rovněž nejdůležitějšími monomery v polymerním průmyslu (viz kapitola Polymery).

Obr.: Láhve s petrolejem

Plynový olej (motorová nafta) se užívá jako palivo pro dopravní prostředky spalující na naftu (pístové vznětové dieselové motory) či k výrobě mazacích olejů. Naftu lze obdobně jako petrolejovou frakci krakovat na benzín a nejrůznější alkeny. Zbytkem frakční destilace ropy je mazut, který je stále bohatou směsí látek. Lze jej použít jako palivo, případně dále zpracovat frakční destilací za sníženého tlaku. Tím se získávají různé topné a mazací oleje, přičemž zbytkem po vakuové destilaci je asfalt, který se využívá třeba jako podklad pro stavbu pozemních komunikací (silniční vozovky aj.).

(nahoru)

3. Zemní plyn

V podzemních ložiskách může ropu doprovázet zemní plyn, avšak jsou známá i čistě plynová ložiska. Jedná se o směs plynů, převážně methanu CH₄, ale i nižších alkanů (ethanu C₂H₆, propanu C₃H₈, butanu a isobutanu C₄H₁₀), oxidu uhličitého CO₂, dusíku N₂ a případně i helia He (zemní plyn je takřka jediným zdrojem helia na Zemi).

Obr.: Molekuly methanu, ethanu, propanu, butanu a oxidu uhličitého

Zemní plyn je často pro svoji výhřevnost využíván jako palivo a zdroj energie, jelikož není na rozdíl od svítiplynu jedovatý, nalezl použití i v domácnostech (plynové sporáky, průtokové ohřívače vody, …).

Obr.: Spalování zemního plynu v plynovém sporáku a nádrž naplněná zemním plynem

Při vysokých teplotách a za přítomnosti katalyzátoru lze methan (jako hlavní složku zemního plynu) rozkládat vodní párou na syntézní (vodní) plyn, čili směs plynného oxidu uhelného CO a vodíku H₂:

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Ze syntézního (vodního) plynu se dále vyrábí například methanol CH₃OH či vodík H₂ a posléze amoniak NH₃. Vodík vzniká katalytickým proháněním vodní páry přes oxid uhelnatý:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Zemní plyn slouží mimo jiné také pro výrobu sazí, acetylenu C₂H₂, kyanovodíku HCN či sulfanu H₂S (sirovodíku).

(nahoru)