Bài học

Than, dầu mỏ, khí thiên nhiên

Mục tiêu bài học

Bài này giúp em kể được than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên hình thành từ đâu, thành phần chính là gì, và so sánh được nhiệt trị của cả ba — để từ đó biết chọn loại nhiên liệu nào phù hợp cho một mục đích cụ thể.

Kiến thức cần nhớ

Em đã biết carbon là một nguyên tố phi kim (học ở chương carbon và hợp chất của carbon, lớp 9) và CO₂ là sản phẩm khi đốt cháy chất chứa carbon. Bài này dùng lại nền đó để tìm hiểu ba loại nhiên liệu chứa carbon quan trọng nhất trong đời sống.

Khởi động

Bếp gas ở nhà dùng khí, nhà máy nhiệt điện đốt than, ô tô chạy bằng xăng/dầu (chế biến từ dầu mỏ). Cả ba đều gọi là "nhiên liệu hoá thạch" — vì sao lại có tên gọi đó, và vì sao chúng lại có thành phần, trạng thái khác nhau đến vậy?

Nguồn gốc và thành phần của ba loại nhiên liệu hoá thạch

Nhiên liệu hoá thạch hình thành từ xác sinh vật bị vùi lấp hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao trong lòng đất, biến đổi dần thành các hợp chất giàu năng lượng:

Than đá: hình thành từ xác thực vật (rừng cổ đại) bị nén chặt qua hàng trăm triệu năm. Thành phần chủ yếu là carbon (C), cùng một lượng nhỏ hydrogen, oxygen, lưu huỳnh. Than là chất rắn.
Dầu mỏ: hình thành từ xác sinh vật biển (chủ yếu là sinh vật phù du) tích tụ dưới đáy biển cổ. Thành phần là hỗn hợp rất nhiều hợp chất hydrocarbon (hợp chất chỉ chứa carbon và hydrogen) ở thể lỏng, cùng một lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh, nitrogen.
Khí thiên nhiên: thường đi kèm mỏ dầu hoặc mỏ than, thành phần chủ yếu là khí methane (CH₄) — hydrocarbon đơn giản nhất, ở thể khí.

Vì cả ba đều hình thành qua thời gian địa chất rất dài, chúng được xếp vào nhóm tài nguyên không tái tạo: khai thác nhanh hơn tốc độ tự nhiên tái tạo hàng triệu lần.

Nhiên liệu hoá thạch hình thành từ xác sinh vật bị vùi lấp hàng triệu năm dưới áp suất và nhiệt độ cao trong lòng đất, biến đổi dần thành các hợp chất giàu năng lượng: - Than đá: hình thành từ xác thực vật (rừng cổ đại) bị nén chặt qua hàng trăm triệu năm. Thành phần chủ yếu là carbon (C), cùng một lượng nhỏ hydrogen, oxygen, lưu huỳnh. Than là chất rắn. - Dầu mỏ: hình thành từ xác sinh vật biển (chủ yếu là sinh vật phù du) tích tụ dưới đáy biển cổ. Thành phần là hỗn hợp rất nhiều hợp chất hydrocarbon (hợp chất chỉ chứa carbon và hydrogen) ở thể lỏng, cùng một lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh, nitrogen. - Khí thiên nhiên: thường đi kèm mỏ dầu hoặc mỏ than, thành phần chủ yếu là khí methane (CH₄) — hydrocarbon đơn giản nhất, ở thể khí. Vì cả ba đều hình thành qua thời gian địa chất rất dài, chúng được xếp vào nhóm tài nguyên không tái tạo: khai thác nhanh hơn tốc độ tự nhiên tái tạo hàng triệu lần.

So sánh nhiệt trị trung bình của than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên (MJ/kg).

Nhiệt trị là năng lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu, đơn vị thường dùng là megajoule trên kilôgam (MJ/kg). Nhìn vào biểu đồ, khí thiên nhiên có nhiệt trị cao nhất, tiếp theo là dầu mỏ, thấp nhất là than đá. Đó là vì khí thiên nhiên (chủ yếu là CH₄) có tỉ lệ hydrogen trên carbon cao hơn — mà hydrogen khi cháy toả nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị khối lượng so với carbon. Nhiệt trị cao cũng đi kèm việc đốt cháy sạch hơn, ít khói bụi và ít khí thải CO₂ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng thu được, nên khí thiên nhiên thường được coi là nhiên liệu hoá thạch "sạch" hơn than đá.

Ví dụ

So sánh nhiệt trị để chọn nhiên liệu

1
Một nhà máy cần một nguồn nhiệt lớn để nung vật liệu. Với cùng khối lượng nhiên liệu chuyên chở, nhà máy nên ưu tiên loại nào trong ba loại: than đá (27 MJ/kg), dầu mỏ (42 MJ/kg), khí thiên nhiên (50 MJ/kg) nếu chỉ xét về năng lượng thu được?
2
Nhiệt trị càng cao thì cùng một khối lượng nhiên liệu càng toả ra nhiều năng lượng khi đốt cháy hoàn toàn.
3
50 MJ/kg (khí thiên nhiên) > 42 MJ/kg (dầu mỏ) > 27 MJ/kg (than đá).
4
Nếu chỉ xét năng lượng trên một đơn vị khối lượng, khí thiên nhiên là lựa chọn tối ưu nhất — cùng khối lượng vận chuyển sẽ thu được nhiều nhiệt năng nhất.

Ví dụ

Bài toán đa yếu tố: chọn nhiên liệu đun nước sinh hoạt

1
Một hộ gia đình ở vùng núi có sẵn than đá giá rẻ nhưng không có đường ống dẫn khí thiên nhiên; giá bình gas hoá lỏng (chế biến từ dầu mỏ) đắt hơn than nhưng đốt sạch, ít khói. Hãy phân tích nên chọn nhiên liệu nào để đun nước sinh hoạt hằng ngày trong nhà, giải thích dựa trên nhiệt trị và điều kiện thực tế.
2
Dầu mỏ (42 MJ/kg) cho nhiều nhiệt năng hơn than đá (27 MJ/kg) trên mỗi kg — nghĩa là cần ít nhiên liệu hơn để đun sôi cùng một lượng nước.
3
Than đá khi đốt trong nhà sinh nhiều khói, bụi than, khí CO nếu cháy không hoàn toàn — gây hại sức khoẻ khi dùng trong không gian kín. Gas hoá lỏng cháy sạch hơn nhiều, an toàn hơn cho sinh hoạt trong nhà dù giá thành cao hơn.
4
Với mục đích đun nước sinh hoạt trong nhà, nên ưu tiên gas hoá lỏng dù giá cao hơn, vì lợi ích về an toàn sức khoẻ và tiện dụng vượt trội so với phần chênh lệch chi phí — đây là ví dụ cho thấy "nhiên liệu tốt nhất" không chỉ phụ thuộc vào nhiệt trị mà còn vào bối cảnh sử dụng.

Lỗi thường gặp

Một số em nghĩ khí thiên nhiên không phải nhiên liệu hoá thạch (nhầm với biogas), hoặc cho rằng nó khác hẳn than đá về bản chất. Thực ra cả ba — than, dầu mỏ, khí thiên nhiên — đều là nhiên liệu hoá thạch, chỉ khác nguồn gốc sinh vật và trạng thái vật lý. Một lỗi khác là nhầm đơn vị nhiệt trị MJ/kg với đơn vị công suất (W) — nhiệt trị là năng lượng trên khối lượng, không phải tốc độ toả nhiệt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Than đá (rắn, chủ yếu carbon, từ thực vật cổ), dầu mỏ (lỏng, hỗn hợp hydrocarbon, từ sinh vật biển), khí thiên nhiên (khí, chủ yếu CH₄) là ba nhiên liệu hoá thạch chính. Nhiệt trị tăng dần từ than đá → dầu mỏ → khí thiên nhiên, và khí thiên nhiên cũng cháy sạch nhất.

Biết thành phần và nhiệt trị thôi thì chưa đủ. Bài sau sẽ viết phương trình đốt cháy các nhiên liệu này, tính lượng CO₂, H₂O sinh ra, và lý giải vì sao đốt cháy thiếu oxygen lại nguy hiểm.