XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование физических свойств нефти
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность: актуальность нашего исследования состоит в том, что по своей ценности нефть соизмерима с золотом. Привычно называя нефть «чёрным золотом», мы не всегда задумываемся, верно ли это определение. В самом деле, нефть - важнейшее полезное ископаемое. Это настоящая кладовая природы. Многие вещи, которые окружают нас каждый день, сделаны на основе нефтепродуктов. Перед нами возникла проблема, а можно ли самому изучить физические свойства нефти, проделав ряд опытов.
Цель:изучить физические свойства нефти.
Объект исследования: нефть.
Предмет исследования: физические свойства нефти.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
-
собрать литературу по данной теме;
-
подобрать методы исследования;
-
изучить историю возникновения и использования нефти,
-
узнать, в каких областях применяется нефть;
-
провести опыты, объясняющие физические свойства нефти;
-
сделать выводы.
Исследование было выполнено с применением следующих методов:
-
работа с интернет-источниками;
-
работа с литературой;
-
анализ;
-
сравнение;
-
опыты и наблюдения;
-
обобщение и анализ собранной информации.
Приступая к исследованию, мы выдвинули следующую гипотезу: если изучить физические свойства нефти, то можно узнать, что нефть обладает свойствами, применяется в самых неожиданных и необычных, на первый взгляд, вещах.
Практическая значимость нашего исследования в целом состоит в самостоятельном исследовании физических свойств нефти.
Теоретическая часть
1.1. Связь с историей и наукой
Происхождение нефти.
Нефть известна человеку с древнейших времен. Люди уже давно обратили внимание на черную жидкость, сочившуюся из-под земли. Есть данные, что уже 6500 лет назад люди, жившие на территории современного Ирака, добавляли нефть в строительный и цементирующий материал при строительстве домов, чтобы защитить свои жилища от проникновения влаги. Древние египтяне собирали нефть с поверхности воды и использовали ее в строительстве и для освещения. Нефть также использовалась для герметизации лодок и как составная часть мумифицирующего вещества. Не везде нефть собирали только с поверхности. В Китае более 2000 лет назад при помощи стволов бамбука с металлическим наконечником бурили небольшие скважины. Изначально скважины предназначались для добычи соленой воды, из которой извлекалась соль. Но при бурении на большую глубину из скважин добывали нефть и газ. Хотя, как мы видим, нефть была известна с древнейших времен, она находила довольно ограниченное применение.Современная история нефти начинается с 1853 года, когда польский химик Игнатий Лукасевич изобрел безопасную и удобную в обращении керосиновую лампу. Он же по данным некоторых источников открыл способ извлекать из нефти керосин в промышленных масштабах и основал в 1856 году нефтеперегонный завод в окрестностях польского города Ulaszowice. В 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Нефть позволяла получать более дешевый керосин и в большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся для освещения, породил спрос.Было положено начало нефтедобывающей промышленности. По данным некоторых источников: первая в мире нефтяная скважина была пробурена в 1847 году в районе города Баку на берегу Каспийского моря. Вскоре после этого в Баку, входящем в то время в состав Российской империи, было пробурено столько нефтяных скважин, его стали называть
Черный город.
1.2. Определение понятий
1.2.1. Нефть
Работая со словарем С.И. Ожегова, мы узнали, что нефть - это минеральное жидкое маслянистое горючее вещество, употребляемое в качестве топлива, а также как сырьё для получения различных продуктов (керосина, бензина).
В универсальной интернет-энциклопедии «Википедия» говорится, что нефть -природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений. Относится к каустобиолитам (ископаемое топливо). 2)
1.2.2.Физические свойства нефти
Нефть - жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти).
Средняя молекулярная масса 220- 400 г/моль (редко 450- 470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см'; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831— 0,860 - средней, выше 0,860 — тяжёлой.
Нефть - легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от - 35(31 до +121 °С (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях нерастворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.
Основные физические свойства нефти:
-
вязкость — свойство текучих веществ оказывать сопротивление при перемещении (средние значения 40 - 60 мм/с);
-
плотность — отношение массы к объёму (как правило, варьируется от 0,83 до 0,96);
-
молекулярная масса (в среднем 220 - 400 г/моль);
-
t° застывания (-62... +35 °C);
-
t° вспышки (-35...+121 °C).
-
Иные физические свойства:
-
тепловые свойства;
-
электрические свойства;
-
оптические свойства
1.2.3. Химический состав нефти
Прежде чем, рассматривать химию и состав нефти, стоит упомянуть о её происхождении.
Всего существует две теории, как появилась нефть:
Что касается состава, то нефть содержит в себе более 1000 различных веществ, преимущественно (90%) углеводородов. В связи с этим, какой-либо единой формулы нефти не существует. Остальные 10% занимают:
-
сера (до 5%);
-
азот;
-
кислород;
-
допускается незначительное количество магния, железа, алюминия, меди и иных химических элементов.
Что касается углеводородной части, то она включает в себя примерно 83-87% углеродов, остальные 11-14% занимает водород.
12.3.При постепенном нагревании нефти можно последовательно выделять продукты , у которых температура кипения будет все выше и выше. Соединения, киплие в определённых интервалах температур, объединяются в группы - фракции.
Фракции после разгонки сырой нефти
Таблица 1:
1.2.4.Единица измерения нефти
В мировой практике объёмы добычи нефти измеряются в баррелях. В России же, так исторически сложилось, для измерения добычи применяются массовые единицы. До 2017 года были пуды, а сейчас тонны.
1.2.5. Добыча нефти
Как добывают нефть кратко можно представить следующим образом:
Геологоразведка. Происходит определение координат и границ месторождения, состав и количество нефти. Определяется рентабельность разработки найденного месторождения разными способами добычи - фонтанным, компрессорным или насосным.
Бурение. В каждом методе бурят скважину толщиной от 10 до 100 сантиметров разной глубины.
Разработка. Самый простой и дешевый способ - фонтанный. Доступен в отдельных месторождениях только на начальном этапе разработки, когда давление в скважине высокое. Компрессорный - подразумевает закачку в резервуар газа или воздуха, в результате чего увеличивается давление и нефть выходит. Преимуществом такого метода
Органическая (биогенная) — нефть образовалась из остатков древних живых организмов (планктон, водоросли) за десятки или сотни миллионов лет под действием давления и температуры. Эта теория считается доминирующей и позволяет более точно прогнозировать появление месторождений.
Неорганическая (абиогенная) — образование произошло в результате химической реакции при огромном давлении и температуре из неорганических веществ. Данной теории придерживался Д.И. Менделеев, к сожалению, гипотеза не нашла практического применения и уступила биогенной.
является простота в управлении и отсутствие деталей в установке подверженных быстрому износу. Недостаток - высокая стоимость оборудования. Насосный - самый распространенный. Подбирается насос необходимый для разработки в конкретном месте, даже в море. В России 855 добывают подобным способом.
Таблица 2
Практическая часть
В ходе проведения исследования мы изучили некоторые физические свойства нефти.
Нами были проведены лабораторные опыты.
Опыт 1. Цель - определить цвет нефти.
Возьмем пробирку с нефтью и слегка наклоним ее. Нефть видно, и она растекается.
Вывод: нефть желто-коричневого цвета.
Цвет нефти варьирует от светло-коричневого до тёмно-коричневого, но чаще всего, это жидкость тёмного цвета.
Опыт 2. Цель - определить прозрачность нефти.
Возьмём 2 пробирки. В одну нальём воду, в другую - нефть. В обе пробирки положить палочки. В пробирке с водой мы видим палочку, а в пробирке с нефтью - нет.
Вывод: вода прозрачная, а нефть - нет.
Опыт 3. Цель - определить, имеет ли нефть запах.
Возьмём 2 пробирки. В одну нальём воду, в другую - нефть. Понюхали воду и нефть, закрыв глаза. Запах нефти- резкий.
Вывод: нефть имеет запах.
Опыт 4. Цель - определить текучесть нефти.
Возьмём 2 пробирки. В одну нальём нефть. Перельём нефть из одной пробирки в другую.
Видим, что нефть льется, потому что жидкая. Чем тяжелее нефть, тем она менее текучая и подвижная.
Вывод: нефть жидкая
Опыт 5. Цель - определить маслянистость нефти
Возьмем палочку и аккуратно опустим в ёмкость с нефтью. Приподнимем палочку, дадим стечь нефти, а потом прикоснемся к листу бумаги. На бумаге остался маслянистый след.
Вывод: нефть маслянистая.
Опыт 6. Цель - определить смешиваемость и растворяемость нефти.
В емкость с водой добавить нефть и размешать. Нефть легче воды, не тонет, не растворяется в воде, по воде расплываются пятна.
Вывод: частички нефти расположены дальше друг от друга, чем у воды и поэтому нефть не смешивается с водой. Нефть легче и образовывает на поверхности воды тонкую плёнку, через которую не проникают воздух и свет. Это может стать причиной гибели живых организмов после разлива нефти.
В энциклопедии мы прочитали, что нефть и её продукты являются хорошим растворителем для ряда веществ: йода, серы, каучука, многих смол и растительных и животных жиров.
Опыт 7. Цель - определить горючесть нефти.
Возьмем небольшое количество нефти и подожжем- нефть горит.
Вывод: нефть горюча.
Опыт 8. Цель - определить испаряемость нефти. Испарение - процесс перехода жидкости у поверхности на открытом воздухе из жидкого состояния в парообразное.
Нальём нефть в ёмкости, одну из них плотно закроем, вторую оставим закрытой. Через некоторое время мы увидим, что из открытой ёмкости нефть испаряется.
Вывод: нефть имеет свойство испаряться. При этом нефть теряет наиболее лёгкие фракции.
Нефть нужно хранить в закрытых резервуарах.
Опыт 9. Цель - определить застывание нефти.
Нальём нефть в пробирку, плотно закроем и поместим в морозильную камеру. Через некоторое время нефть загустеет и почти замерзнет.
Вывод: нефть имеет свойство застывать при определённой температуре.
Обычно нефти в природе встречаются в жидком состоянии. Однако некоторые нефти загустевают при незначительном охлаждении. Температура застывания нефти зависит от ее состава. Чем больше в ней твердых парафинов, тем выше ее температура застывания.
Смолистые вещества оказывают противоположное влияние — с повышением их содержания температура застывания понижается.
Опыт 10. Выделение бензина из нефти
Самым интересным опытом стал эксперимент по выделению бензина из нефти. Я с помощью родителей провел его в домашних условиях.
Мы взяли нефть, налили ее в колбу и стали нагревать на огне. Под действием высокой температуры из нее выделяются пары бензина (легкие углеводороды). Проходя через холодильник, в роли которого выступает вода, пары охлаждаются и в виде жидкости поступают в другую (пустую) колбу.
Чтобы проверить, что выпарилась не вода, мы перелили полученную жидкость в блюдце и подожгли. Жидкость горит, эксперимент удался.
Таким образом, экспериментальным путём мы изучили некоторые свойства нефти.
3.Для чего используется нефть
Нефть используется людьми уже более 6000 лет.
Энергетическое сырье. Химическое сырье. Попутное извлечение редких элементов: германия, ванадия, урансодержащих, рения, скандия, бериллия, серебра, галлия.
Наиболее известно в широких кругах применение нефти в качестве топлива: бензин,керосин, дизельное топливо, мазут, смазочные материалы.
Тем не менее, топливо — далеко не единственное применение нефти. Как уже упоминалось, продукты переработки нефти широко используются в производстве повсюду:
-
полиэтилен (пакеты, трубы, плёнки и т.д.);
-
полипропилен (детали для автомобилей, ковры, посуда, бытовая техника, медицинские инструменты и иное);
-
полистирол (утеплитель для жилых помещений, упаковки, пластмассовые бочки и т.д.);
-
поливинилхлорид (пластиковые окна, подвесные потолки и иное);
-
синтетический каучук (резина, обувь, одежда и т.д.).
Нефть применяется в различных отраслях:
Создание лекарственных препаратов. Всем известные - салициловая кислота, аспирин, антибиотики, средства против аллергии и вирусов.Текстильное производство. Является составным элементом синтетических тканей, таких как акрил, нейлон, лайкра, полиэстер из которых шьют обувь, сумки. Нижнее белье, одежду.
Косметология - лаки для ногтей, карандаши для глаз и бровей, ароматы.
И также производные нефтяные продукты применяют для изготовления бижутерии и красителей.
Заключение:
Нефть - это полезное ископаемое органического происхождения, природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений. Внешне нефть представляет собой легковоспламеняющуюся жидкость, цвет которой может быть черным, бурокоричневым, светло-коричневым, грязно-желтым, темно-коричневым, светлым жёлто-зелёным либо насыщенно-зелёным.
Встречается нефть и совсем без цвета. Нефть имеет специфический запах, который может быть различным и варьируется от легкого приятного до тяжёлого и очень неприятного.
Цвет и запах нефти обуславливаются наличием в ней азотосодержащих, серосодержащих и кислородсодержащих примесей и компонентов, ароматических углеводородов. Нефть легче воды, практически не растворима в ней. Но при определенных условиях может образовывать с водой стойкие эмульсии. Растворяется в органических растворителях.
Состав углеводородов, входящих в нефть, влияют на ее свойства: начиная от того, что она бывает прозрачной и текучей как вода, и, заканчивая тем, что она бывает черной, очень вязкой и малоподвижной, не вытекающей из сосуда.
Мы изучили физические свойства нефти и сделали ряд выводов.
В процессе проведения опытов, мы выявили основное, самое главное свойство нефти - горючесть. Именно, благодаря этому свойству одну из главных групп нефтепродуктов, получаемых при переработке нефти, составляют топлива.
Из нефтяного сырья производят и многие другие вещи: игрушки из пластмассы, резиновые мячи разных размеров, резиновые сапожки, камера для велосипеда, свечи, лак для ногтей, стиральный порошок, нитки, ткань контактные линзы, зубную пасту, гитарные струны, приманки, удочки, спасательные жилеты, рыбацкие лодки, контейнеры для перевозки рыбы и многое другое.
Таким образом, нефть не только топливо, но и основа многих совершенно необходимых человеку вещей. И потребность в них продолжает расти.
Если вдруг источники нефти неожиданно бы иссякли, мировая цивилизация оказалась бы на краю катастрофы. Прежде всего остановился бы транспорт: автомобили, самолёты, корабли, стал бы невозможен запуск ракет в космос. Прекратилось бы производство пластмасс, строительных материалов, тканей, красителей, моющих средств, медицинских препаратов.
Из всего разнообразия полезных ископаемых пока нет таких, которые могли бы заменить нефть.
Список литературы:
1)Я познаю мир. География: дет. энциклопедия. - М.: АСТ: Астрель: Транзиткнига,2006 - 382.
2)Ожегов С.И. Толковый словарь русского языка, М.: ООО «А ТЕМП», 2008.стр.810
3)Энциклопедический словарь оного химика/Сост. Э 68 В. А. Крицман, В. В.
Станцо.— 2-е изд., испр.— М.: Педагогика, 1990.— 320 с.: ил. Словарь ...
[Электронный ресурс] Режим доступа: Википедия - Загл. с экрана
4) Интернет-ресурс: http://doseng.org/ Интересные факты о нефти
5) Интернет-ресурс: http://potomy.ru/Потому.py. Детская энциклопедия/ «Что такое нефть?»;
Фотографии: