Парафиновые углеводороды (алканы) нефти. Структура и содержание. Физические и химические свойства.

Содержание Парафиновые углеводороды (алканы) нефти. 3 Алканы нефти 5 Физические свойства алканов 10 Химические свойства алканов 13 Использованная литература 21 Содержание

В случае дегидроциклизации гексана основным продуктом является бензол. Метан при высокой температуре в присутствии катализатора реагирует с водяным паром и оксидом углерода (IV) с образованием синтез-газа, который используют для получения моторных топлив и метилового спирта.: CH4 + H2O →CO + 3H2, CH4 + CO2 →2CO + 2H2. Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. В общем виде реакцию горения алканов идет по схеме: СnН2n+2 +(1,5n+0,5)O2 → nCO2 + (n+1)H2O. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q (46 000 - 50 000 кДж/кг) C5H12 + 8O2 → 5CO2 + 6H2O. Реакция горения алканов протекают в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Реакция сгорания может протекать не до полного сгорания, и чтобы несгоревшие алканы не попадали в атмосферу, разработана схема каталитического дожигания топлива в выхлопных трубах. При дожигании происходит сгорание СО и превращение оксидов азота в безвредный азот. Важным показателем топлива является октановое число, которое оценивают по содержанию в топливе изооктана (2,2,4-триметилпентана) в смеси с н-гептаном. Этот показатель характеризует химические свойства алканов, так как изооктан трудно окисляется и не образует перекисных соединений, склонных к взрывному распаду, при сгорании топлива. Газообразные алканы образуют с воздухом взрывчатые смеси, это возможно в шахтах, и даже в жилых домах при утечке бытового газа, при содержание газа в воздухе более 5%. При высоких температурах происходит разложение (пиролиз) алканов: CH4 → C + 2H2 (1000° C) 2CH4 → C2H2 + 3H2 (1500° C) C2H6 → C2H4 + H2. 500° С в присутствии никелевого катализатора (Ni). Пиролитическое разложение алканов происходит при крекинге нефти. Крекинг нефти является промышленным способом получения алканов по общей схеме: . Крекингом является процесс термического разложения углеводородов, в основе которого лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием соединений с более короткой цепью. Разложение алканов с расщеплением и С—Н-связей имеет промышленное значение, т.к. крекинг нефтяных фракций позволяет получать продукты более пригодные для использования в качестве топлив. Крекинг проводят несколькими путями, которые выбирают в зависимости от свойств нефти и типа получаемого продукта. Крекинг проводят по двум схемам: термический крекинг, при котором главными продуктами являются алкены, и каталитический крекинг, основной целью которого является получение алканов с высокими октановыми числами. В ходе каталитического крекинга одновременно образуется небольшое количество алкенов. Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Термический крекинг проводят при нагревании без доступа воздуха, а каталитический крекинг проводят в условиях умеренного нагревания и в присутствии катализатора. Термический крекинг осуществляют при температуре 450–700 oС, при этом происходит разрыв связей С–С, а более прочные связи С–Н сохраняются и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов: C6H14 C2H6 + C4H8 Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов, например: С6Н12 → СН3-СН2* + СН2-СН2-СН2-СН3* В этом случае в гексане происходит разрыв углеродной связи с образованием радикалов этана и бутана, свободные радикалы которых активны. В дальнейшем протекает процесс отщепления водорода и может образоваться алкан (этан) и алкен (бутен) за счет образования π–связи при спаривании двух электронов у соседних атомов): Рис. Схемы термического пиролиза гексана Разрыв С–С-связей возможен в любом месте молекулы алкана, поэтому при крекинге образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой. В общем виде процесс крекинга описывают схемой: CnH2n+2 CmH2m + CpH2p+2,       где m + p = n При температуре свыше 1000ºС происходит разрыв не только углеродных связей С–С, но также происходит разрыв прочных связей С–Н. В этом случае термическим крекингом, например, метана получают сажу в виде чистого углерода и водород: СН4 C + 2H2 Термический крекинг нефти приводит к получению смеси алканов и алкенов с количеством атомов углерода около 10. Термический крекинг давал бензиновую фракцию с октановым числом не выше 65. При термическом крекинге нефти происходит расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10-15 атомов углерода в углеродной цепи) и фракции солярового масла (12-20 атомов углерода). Алкены, образующиеся при крекинге, благодаря наличию прочной двойной связи в молекуле, более термостабильны, чем алканы и более склонны к окислению. Для получения бензинов с высоким октановым числом, необходимо проводить дополнительно алкилирование, которое заключается в соединении алканов и алкенов с суммарным количеством атомов углерода. Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов из группы оксидов алюминия и кремния (алюмосиликатный катализатор) при температуре 500 ºС и давлении порядка 10-15 атм. Каталитический крекинг сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования. Катализатор в процессе крекинга регенерируется благодаря проведению сжигания образующегося на катализаторе кокса. В процессе каталитического крекинга в получаемом бензине образуется большее число алканов с разветвленной структурой, т.е. более активных при работе двигателей. При крекинге нефти также образуется большое количество газов, содержащих предельные и непредельные углеводороды, которые затем используют в качестве сырья для химической промышленности В отличие от этой радикального типа реакций крекинга, каталитический крекинг алканов протекает по ионному механизму. При каталитическом нагревании в присутствии кислот Льюиса, происходит изомеризация, когда неразветвленные алканы превращаются в разветвленные с тем же числом атомов углерода. Каталитическое превращение парафинов осуществляют с применением катализаторов типа кислот Льюиса с галогенидами алюминия и промоторами из группы производных переходных металлов. Использование подобных катализаторов позволяет получать на основе парафинов крекинга нефти изомеры разветвленного строения, обеспечивающие высокое качество топлива. Таким образом, алканы, которые называют еще алифатическими соединениями или парафиновыми углеводородами, относятся к ациклическим углеводородам линейного или разветвленного строения. Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимальное число атомов водорода, что обуславливает их физико-химические свойства. Алканы, содержащиеся в нефти, являются важнейшим компонентом топлива, а выделяемые из нефти соединения этого гомологического ряда, являются важнейшим сырьем для органического синтеза. Использованная литература 1. Петров А.А. Химия алканов. - М.: Наука.- 1974. - 243 с. 2. Травень В. Ф. Органическая химия в 2-х томах. М.: ИКЦ Академкнига».- 2004. 3. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. Изд. 2, в 2-х томах. М.: Мир.- 1978. 4. Варфоломеев Д. Ф., Хамаев В. Х. Химия нефти и газа. - Уфа, 1977. - 61 с. 5. Рудаков Е.С. Реакции алканов с окислителями, металлокомплексами и радикалами в растворах. Киев. Наук. думка.-1985.- 251 с. 6. Активация и каталитические реакции алканов/Пер. с англ.; под ред. К. Хилла. - М.: Мир, 1992.- 356 с. Варфоломеев Д. Ф., Хамаев В. Х. Химия нефти и газа. - Уфа, 1977. – 15 С. Петров А.А. Химия алканов. - М.: Наука, 1974. – С. 38 Робертс Дж., Касерио М. , «Основы органической химии». Изд. 2, в 2-х томах. Москва, «Мир», 1978 Травень В. Ф. Органическая химия. т.1. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. –С. 253. Травень В. Ф. Органическая химия. Т.1.- М.:ИКЦ Академкнига.- 2004.- С. 128. Активация и каталитические реакции алканов/ под ред. К. Хилла. - М.: Мир.- 1992. – С. 44. Петров А.А. Химия алканов. - М.: Наука, 1974. – 59 С. Травень В. Ф. Органическая химия. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. –Т.1. – С. 254. 4