Қазақша рефераттар

Сутек

Сутектің табиғатта таралуы

Табиғатта сутек бос күйінде де, қосылыс күйінде де кездеседі. Жалпы әлемді алсақ, сутек — ең көп таралған элемент. Күн бетін, жұлдыздарды және тұмандықтарды спектроскоп арқылы, ал жұлдызаралық кеңістікті радиотелескоптың көмегімен зерттегенде, олардың барлығында да сутектің өте көп екені анықталады.

Жер атмосферасының жоғарғы қабаттарында сутек бос күйінде өте аз мөлшерде ғана ұшырасады. Сондай-ақ ол жанартау газдарының құрамында, мұнай ұңғымаларынан (скважиналардан) шығатын газ қоспаларында да болады. Егер қосылыстар құрамындағы сутекті есепке алмасақ, сутек Жердегі өте сирек элементтердің бірі болар еді.

Қосылыстарда көп кездесуі

  • Судың массасының шамамен 11%-ы сутек үлесіне келеді.
  • Саз балшықта сутек мөлшері шамамен 1,5%.
  • Атмосфера, гидросфера және литосфераның жалпы массасының шамамен 1%-ы — сутек.

Ескерту

Оттек өсімдіктер мен жануарлар денесінде, табиғи газдарда және кейбір минералдарда химиялық байланысқан түрде болады. Ал сутек көбіне қосылыстар құрамында «жасырын» күйде кездесетіндіктен, оның Жердегі маңызын толық түсіну үшін байланысты күйдегі мөлшерін де есепке алу қажет.

Сутекті алудың көздері және жалпы қағидасы

Сутекті алудың сарқылмас қоры — су. Өндірісте бұл мақсатта суды көбіне таза күйінде, кейде қышқыл немесе сілті ерітіндісі түрінде қолданады. Қазіргі кезде сутек табиғи газдардан да кеңінен алынады.

Ғылыми негізіне қарай сутек алудың тәсілдері химиялық, физикалық және электрохимиялық болып үшке бөлінеді.

Неге судан сутек бөлу қиын?

Су молекуласындағы сутек оттекпен өте берік байланысқан: судың бір молін (бу күйінде) ыдырату үшін 242,6 кДж энергия қажет. Сондықтан сутекті бөліп алу үшін сумен әрекеттесетін заттың оттекке «бейімділігі» (оттекпен қосылғыштығы) жоғары болуы керек.

Мұндай заттарға белсенді металдар және оң зарядтылығы соларға жуық көміртек сияқты кейбір бейметалдар жатады. Судағы сутек электронсыз H+ ионына жақын күйде болады, сондықтан оң зарядтылығы жоғары элементтер электрон беріп, оны бейтарап атомға айналдырады. Судағы сутекті бөлудің химиялық негізі — осы.

Химиялық тәсілдер

1) Су газы және «конверсия» тәсілі

Техникада, әсіресе аммиак синтезінде, сутек алудың көп қолданылатын химиялық әдістерінің бірі — конверсия тәсілі. Өте қызған (шамамен 1000°С) көмір қабаты арқылы су буын өткізгенде мына реакция жүреді:

C + H2O → CO + H2

Түзілген көміртек оксиді де, сутек те жанғыш; олардың қоспасы су газы деп аталады және отын ретінде қолданылады.

Су газындағы сутекті бөліп алу үшін су газына су буын қосып, қоспаны қыздырылған темір оксиді катализаторының үстінен өткізеді:

CO + H2O → H2 + CO2

Бұл кезең су газының конверсиясы деп аталады; темір оксиді реакцияда тек катализатор қызметін атқарады.

Түзілген көмірқышқыл газын сутектен бөлу салыстырмалы түрде оңай: газдар қоспасын қатты қысып (шамамен 2×103 кПа) сумен жуады — CO2 жақсырақ ериді.

Процестің шарттары

  • Төмен температурада конверсия өте баяу жүреді.
  • Өте жоғары температурада тепе-теңдік кері ығысады, сондықтан температураны әдетте 450–500°С шамасына көтереді.
  • Тепе-теңдікті қажетті бағытқа ығыстыру үшін су буын артық мөлшерде береді.

Конверсия арқылы сутек алу — ең арзан жолдардың бірі. Кейде су газының орнына құрамында көміртек оксиді бар басқа газ қоспаларын, мысалы генератор газын, қолданады.

2) Темір–бу тәсілі

Химиялық тәсілдердің тағы бірі — темір–бу тәсілі. Бұл ертеден белгілі болғанымен, қазір өндірістік маңызы төмендеген. Мұнда шамамен 700°С-қа дейін қыздырылған темір, темір(II) оксиді және су буы әрекеттеседі:

H2O + Fe → FeO + H2   ΔH° = −37,2 кДж/моль

H2O + 3FeO → Fe3O4 + H2   ΔH° = −69,8 кДж/моль

Бұл реакцияларда су буының тек шамамен жартысы ғана сутекке айналады. Пайда болған темір тотығын су газымен әрекеттестіргенде, жоғарыдағы реакциялар кері жүріп, темір қайта алынады да циклге қайта қосылады:

Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O

Бұл тәсілдің кемшіліктері: процестің үзілісті жүруі, су буы мен су газының артық шығыны, сондай-ақ алынатын сутектің жеткілікті тазалықта болмауы. Сондықтан экономикалық тұрғыдан тиімділігі төмен.

3) Сутекті метаннан алу

Соңғы 10–15 жылда кең қолданылған бағыттардың бірі — сутекті метаннан алу. АҚШ-та аммиак синтезіне қажет сутектің шамамен 70%-ы метаннан өндіріледі. Табиғи газ қоры мол аймақтарда бұл әдіс ерекше маңызды: кейбір табиғи газдарда метан 90–99%, ал кокс газында 25–30% болады. Метан көмірді шала кокстеу кезінде және мұнай өндірісінің ілеспе газдарында да кездеседі.

Метандағы сутекті алудың негізгі жолдары

1) Метанды крекингілеу (қыздырып айыру)

CH4 → C + 2H2   ΔH° = 70,7 кДж/моль

Процесс отқа төзімді қыш қалыппен толтырылған пештерде жүргізіледі және екі сатыдан тұрады: алдымен метан-ауа қоспасын тұтандырып пешті 1100°С-қа дейін қыздырады; кейін пешке тек метан жіберіліп, эндотермиялық реакция жүреді. Пеш 900°С-қа дейін суығанда қайта қыздыру қайталанады. Нәтижесінде сутекпен бірге күйе түзіледі; кейде бұл процесс сутек емес, күйе алу үшін жүргізіледі.

2) Метан мен су буының әрекеттесуі

CH4 + H2O → CO + 3H2   ΔH° = 205,8 кДж/моль

3) Метанның CO2-пен (немесе CO2 + бу) әрекеттесуі

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2   ΔH° = 251,4 кДж/моль

3CH4 + CO2 + 2H2O → 4CO + 8H2   ΔH° = 663,5 кДж/моль

4) Метанның оттекпен әрекеттесуі

CH4 + O2 → 2CO + 4H2   ΔH° = −67,3 кДж/моль

Бірінші тәсілден басқа бағыттардың барлығында сутекпен бірге едәуір мөлшерде көміртек оксиді түзіледі. Сутек шығымын арттыру үшін алынған газ қоспалары кейін конверсия сатысынан өткізіледі.

Тазарту қажеттілігі

Метан крекингінен алынған сутек құрамында метан, CO және CO2, сондай-ақ ацетилен, этилен, нафталин сияқты қоспалар болуы мүмкін. Сондықтан өндірісте сутекті мақсатқа сай қолдану үшін оны міндетті түрде тазартады.

Физикалық тәсіл: кокс газын терең салқындату

Сутекті алудың физикалық тәсілдерінің бірі — кокс газын қатты салқындату. Тас көмірді 900–1200°С-та құрғақ айдағанда, құрамында сутегі 60%-ке дейін жететін газ қоспасы түзіледі.

Осы қоспадан сутекті ажырату үшін газды −190°С-қа дейін терең салқындатады. Мұндай жағдайда сутектен басқа газдардың басым бөлігі сұйылады, ал сутек газ күйінде қалып, бөлініп алынады.