Взаємозв’язок насичених, ненасичених і ароматичних вуглеводнів

За всієї різноманітності вуглеводнів між ними існує взаємозв’язок, що відбувається у взаємних перетвореннях речовин.

Всі відомі нам гомологічні ряди вуглеводнів пов’язані між собою взаємними переходами. Із сполук однієї групи можна переходити до сполук іншої групи.

Відомі нам перетворення між гомологічними рядами можна звести до такої схеми:

наси чені

 

ненасичен і

циклопарафіни

ароматичні

 

t, kt

Приклади хімічних рівнянь

1. а) Н₃С-СН₃ Н₂С=СН₂ + Н₂

^етан

t, kt

^етилен

б) 2СН₄ Н₂С =СН₂ + Н₂

^{метан ац}

t, kt

^етилен

2. а) Н₂С=СН₂ + Н₂ Н₃С-СН₃

^{етилен етан}

б) Н₂С =СН₂ + 2Н

t, kt

₂ Н₃С-СН₃

^ацет

t

^{илен етан}

3. 3С₂Н₂ С₆Н₆

^{ацетилен}

t, kt

^бензен

4. С₆Н₁₄ С₆Н₆ + 4Н₂

^{гексан бензен}

5. Н₃ С СН₃ Н₂ С СН₂

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂ + Н₂

СН₂ СН₂

^{пентан циклопентан}

 

6. СН СН₂

НС СН Н₂С СН₂

+ 3Н₂

НС СН Н₂С СН₂

СН СН₂

^{бензен циклогексан}

7. С₆Н₁₂ С₆Н₆ + 3Н₂

^{циклогексан бензен}

Завдання для самоконтролю

100. Напишіть рівняння реакцій для здійснення таких перетворень:

а) СН₄→С₂Н₄→С₂Н₂→ С₆Н₆→С₆Н₅NO₂;

	+О2		+СаО				+Н2О		t, kt

б) С₆Н₆ А Б В Г Д Е;

 

в)^* С →? →? →? → С₆Н₅Сl.

 

ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ

До природних джерел вуглеводнів належать: природний газ, супутній нафтовий газ, нафта та кам’яне вугілля. Вони мають велике народногосподарське значення, бо є найважливішим видом сировини для одержання майже всієї продукції сучасної промисловості органічного синтезу і широко використовуються в енергетичних цілях.

Природний та супутній нафтовий гази

Природний газ

Перші згадки про природні горючі гази відносяться до сивої давнини із переказів, які дійшли до нашого часу відомо, що ще за декілька тисяч років до нашої ери люди спостерігали в різних місцях Землі «вічно горючі вогні». Ці вогні вважалися проявом надприродної сили, і їм поклонялися, як богам. На Кавказі, в Сураханах, до цього часу збереглися руїни храму, який був збудований вогнешанувальниками. В цьому храмі «вічний вогонь» горів до кінця ХІХ століття. Тепер кожен знає, що в таких вогнях немає нічого таємничого. «Вічні вогні» - це горючі гази, які надходять у атмосферу із надр землі, що запалюються, наприклад від блискавки.

За запасами природного газу перше місце у світі належить Росії, де відомо понад 200 родовищ.

Геологами відкрито багато газових родовищ в Україні: Дашавське, Шебелинське (поблизу Харкова), Західно-Хрестищенське, Єфремівське, Глібовське газові родовища.

До природного газу входять приблизно 80-98% метану, 2-3% його гомологів та інші гази. Проте, чим вища відносна молекулярна маса вуглеводнів, тим менше їх у складі природного газу.

Природний газ у природі утворився в результаті багаторічних процесів розкладу без доступу повітря органічних решток тваринного та рослинного походження

У товщі земної кори природний газ перебуває у стисненому стані. Якщо просвердлити свердловину, газ під тиском виходить на поверхню спрямувавши газ у газопровід, можна транспортувати його на великі відстані.

Із газопроводів газ потрапляє на заводи і в житлові приміщення, де використовується як дешеве паливо з високою теплотвірною здатністю (при спалюванні 1 м³ виділяється до 54400 кДж енергії) для опалення і приготування їжі. Це один із кращих видів палива для побутових і промислових потреб.

Витікання природного газу з трубопроводу можна виявити з допомогою мильної емульсії. Для цього крани біля пальника, а також місця з’єднання трубок і газових розподільних кранів треба змазати мильною емульсією. Поява мильних пузирів свідчить про витікання газу в певному місці.

Іншою ознакою витікання газу є свист, що долітає від газових труб, шлангів, редуктора балона зі скрапленим газом.

Запам’ятайте! Заборонено перевіряти витікання газу з допомогою відкритого вогню (свічки, сірників, запальнички)!

Повноту згоряння газу в побутових приладах можна виявити за забарвленням полум’я. Якщо кисню в повітрі достатньо, то полум’я набуває синього кольору без молочно-жовтого відтінку або прозоре з ядром зеленувато-синього забарвлення. Якщо ж повітря, а разом із ним і кисню, недостатньо, полум’я стає високим, молочно-жовтим, з великою кількістю кіптяви.

Різноманітні леткі хімічні сполуки потрапляють у повітряне середовище кухні під час смаження харчових продуктів. Усі ці забруднювачі поглинаються внаслідок адсорбції.

Якщо кухня побілена крейдою (кальцій карбонатом) СаСО₃, то відбувається реакція:

СаСО₃ + SO₂ → CaSO₃ + СО₂↑

У результаті виділення вуглекислого газу його об’ємна частка в повітряному середовищі приміщення збільшується.

Побілка будівельним гашеним вапном Са(ОН)₂, навпаки, сприяє хімічному очищенню повітря. Кальцій гідроксид як сполука із сильно вираженим характером взаємодіє з кислотними оксидами, вуглекислим і сірковим газом, що забруднюють повітряне середовище кухні:

Са(ОН)₂ + СO₂ → CaСO₃↓+ Н₂О

Са(ОН)₂ + 2SO₂ → Ca(НSO₃)₂

Природний газ широко використовується у промисловості. У доменних печах метан згоряє до вуглекислого газу, реагуючи з коксом, утворює відновник карбон(ІІ) оксид. У процесі виробництва сталі мартенівським способом природний газ використовується як джерело теплоти. З цією метою застосовують метан і в скловарних печах.

Природний газ не лише спалюють, а й переробляють на різні цінні хімічні продукти. Він є сировиною для добування ацетилену, водню, що використовується в хімічному синтезі, наприклад амоніаку. Сажа, добута з метану, використовується для виготовлення друкарської фарби, гумових виробів (як наповнювач).

Супутній нафтовий газ

Супутній нафтовий газ знаходиться в природі над нафтою або розчинений у ній під тиском. Ще нещодавно супутній нафтовий газ не знаходив застосування і його спалювали. В теперішній час його вловлюють і використовують як паливо і цінну хімічну сировину. Супутній газ є сумішшю летких вуглеводнів, хоча, на відміну від природного газу, в ньому менший вміст метану – до 40%, а більше його гомологів та інших газів.

Для практичних цілей супутній газ розділюють на суміші більш вузького складу:

Назва	Склад	Застосування
Газовий бензин	Суміш метану, гексану та інших вуглеводнів	Додають до бензину для покращення запуску двигуна
Пропан-бутанова суміш	Суміш пропану і бутану	У вигляді зрідженого газу використовується як паливо
Сухий газ	За складом подібний до природного газу	Використовується для одержання С2Н2 і Н2 та інших речовин, а також як паливо

Іноді супутній нафтовий газ піддають ретельному розділенню і видаляють із нього індивідуальні вуглеводні (етан, пропан тощо), із яких потім одержують ненасичені вуглеводні.

 

Завдання для самоконтролю

101. Опишіть склад природного газу.

102. Чим відрізняється супутній нафтовий газ від природного газу?

103. Дати характеристику основним продуктам, які одержані із супутнього нафтового газу. Для яких цілей вони використовуються?

103. Природний газ одного з родовищ складається (в об’ємних частках) з 85% метану, 8% етану, 2% пропану, 2% азоту і 3% карбон(ІV) оксиду. Обчислити, скільки повітря (в м³) необхідно для спалювання цього газу об’ємом 2 м³ (н.у.). Об’ємну частку кисню в повітрі прийняти рівною 21%.

104. Природний газ одного з родовищ містить 92% метану, 3% етану, 1,6% пропану, 0,4% бутану, 2% азоту, карбон(ІV) оксид, пари води й інші негорючі гази складають 1%. (Склад даний в об’ємних частках). Який об’єм буде потрібен для спалювання 5 м³ газу (н.у.). Об’ємна частка кисню в повітрі складає 21%.

 

Нафта

Походження нафти

Органічна теорія

Дуже ймовірно, що нафта утворилася із залишків морських організмів і рослин, що осідали протягом багатьох років на морське дно. Неорганічні речовини служили каталізаторами гниття, яке викликалося анаеробними бактеріями (тобто тими, що жили без доступу повітря). При тектонічних зрушеннях донні органічні шари опинилися в товщі Землі, де на них діяли тиск земної кори і теплота внутрішніх шарів Землі. Донні шари перетворювалися в такий спосіб на суміші вуглеводнів; рідка нафта накопичувалася у вигляді нафтоносних шарів над непроникними для неї гірськими породами.

Неорганічна теорія

Згідно з неорганічною теорією, автором якої є Д.І. Менделєєв, нафта могла утворитися з карбідів металів, що знаходяться в надрах Землі, і води, яка просочилася туди.

Запропонована також космічна теорія, за якою нафта могла утворитися з водню і вуглецю при формуванні нашої планети.

Фізичні властивості нафти

Нафта – густа оліїста рідина зі специфічним запахом, темно-бурого або чорного кольору, легша за воду і нерозчинна у ній. Нафта різних родовищ відрізняється за складом, густиною, кольором, запахом тощо.

Склад нафти

Нафта не є індивідуальною речовиною, це суміш близько 1000 різних речовин, серед яких переважають рідкі насичені вуглеводні, в ній також містяться домішки сульфуровмісних, нітрогеновмісних, оксигеновмісних органічних сполук, водний розчин неорганічних солей.

Нафту видобувають із надр Землі через свердловини. Іноді під час буріння вона спершу викидається на поверхню під тиском, потім до свердловини закачують повітря, вуглекислий газ чи воду, які витискають нафту. З районів видобутку до місць переробки нафту перевозять сушею (в залізничних цистернах), морем чи річкою (у танкерах) або перекачують нафтопроводами.

Переробка нафти

Із нафти виділяють різноманітні продукти, що мають велике практичне значення. Спочатку із неї видаляють розчинні газоподібні вуглеводні (здебільшого метан). Після відгонки летких вуглеводнів нафту нагрівають. Першими переходять у пароподібний стан і відганяються вуглеводні з невеликим числом атомів карбону в молекулі, які мають відносно низьку температуру кипіння. З підвищенням температури суміші переганяються вуглеводні з більш високою температурою кипіння. Таким чином можна зібрати окремі суміші (фракції) нафти. Найчастіше при такій перегонці одержують три основні фракції, які потім піддаються подальшому розділенню. Основні фракції нафти такі:

1. Фракція, яка збирається від 40 до 200 ^оС, газолінова фракція бензинів – містить вуглеводнів від С₅Н₁₂ до С₁₁Н_24. При подальшій перегонці виділеної фракції одержують: газолін (від 40 до 70 ^оС), бензин (від 70 до 120 ^оС) – авіаційний, автомобільний.

2. Лігроїнова фракція, яка збирається в межах від 150 до 250 ^оС, містить вуглеводні від С₈Н₁₂ до С₁₄Н₃₀.

3. Гасова фракція включає вуглеводні від С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ з температурою кипіння від 180 до 300 ^оС.

4. В наступній фракції одержують газойль (від 275 ^оС) – дизельне паливо.

5. Залишок після перегонки нафти – мазут – містить вуглеводні з великим числом атомів карбону в молекулі. Мазут також розділяють на фракції: солярові олії – дизельне паливо, мастильні олії (автотракторні, авіаційні, індустріальні та інші), вазелін (основа для косметичних засобів і ліків). Із деяких сортів нафти одержують парафін.

Після відгонки залишається гудрон.

Перегонка нафти здійснюється в установці, яка складається із трубчастої печі (1), холодильника (2) і ректифікаційної колони (3).

В печі знаходиться змійовик (трубопровід). По трубопроводу безперервно подається нафта, де вона нагрівається до 320-350 ^оС і у вигляді суміші рідин і парів потрапляє в ректифікаційну колону (стальний циліндричний апарат висотою близько 40 м). всередині вона має горизонтальні перегородки з отворами, так звані тарілки. Пари нафти подаються в колону і через отвори піднімаються вгору, при цьому вони поступово охолоджуються і зріджуються. Менш леткі вуглеводні конденсуються вже на перших тарілках, утворюючи газойлеву фракцію. Вище збирається гас, а потім - лігроїн. Найбільш леткі вуглеводні виходять у вигляді парів із колони і зріджуються, утворюючи бензин. Частина бензину подається знову в колону для зрошення парів, що піднімаються. Це сприяє охолодженню і конденсації відповідних вуглеводнів. Головний недолік перегонки нафти – малий вихід бензину (не більше 20 %).

Крекінг нафтопродуктів

Вихід бензину із нафти можна значно збільшити (до 65 - 70 %) шляхом розщеплення вуглеводнів з довгим ланцюгом, що містяться, наприклад, в мазуті, на вуглеводні з меншою відносною молекулярною масою. Такий процес називається крекінгом (від англ. сrack – розщеплювати).

Крекінг – це процес розщеплення вуглеводнів, що містяться в нафті, в результаті якого утворюються вуглеводні з меншим числом атомів карбону в молекулі.

Процес крекінгу відбувається із руйнуванням карбонових ланцюгів і утворенням більш простих насичених і ненасичених вуглеводнів, наприклад:

октен

октан

гексадекан

С₁₆Н₃₄ → С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆

 

Речовини, що утворилися можуть розкладатися далі:

етен (етилен)

етан

бутан

бутен

бутан

октан

С₈Н₁₈ → С₄Н₁₀ + С₄Н₈; С₄Н₁₀ → С₂Н₆ + С₂Н₄

 

Розрізняють два основних види крекінгу: термічний і каталітичний.

Термічний крекінг -розщеплення молекул вуглеводнів при високій температурі (470-550^оС).

Процес протікає повільно, утворюються вуглеводні з нерозгалуженим ланцюгом атомів карбону.

У бензині, який одержаний в процесі термічного крекінгу, разом з насиченими вуглеводнями, міститься багато ненасичених вуглеводнів. Тому цей бензин володіє більшою детонаційною стійкістю, ніж бензин прямої перегонки.

У бензині термічного крекінгу міститься багато ненасичених вуглеводнів, які легко окислюються і полімеризуються. Тому цей бензин менш стійкий при зберіганні. При його згорянні можуть засмічуватись різні частини двигуна. Для усунення цієї шкідливої дії до такого бензину додають антиокисники.

Каталітичний крекінг – розщеплення молекул вуглеводнів в присутності каталізаторів і при низькій температурі (450-500^оС).

У порівнянні із термічним крекінгом процес протікає значно швидше, при цьому відбувається не тільки розщеплення молекул вуглеводнів, але і їх ізомеризація, тобто утворюються вуглеводні з розгалуженим ланцюгом атомів карбону.

Бензин каталітичного крекінгу у порівнянні з бензином термічного крекінгу володіє ще більшою детонаційною стійкістю, оскільки в ньому містяться вуглеводні з розгалуженим ланцюгом атомів карбону.

У бензині каталітичного крекінгу ненасичених вуглеводнів міститься менше, і тому процеси окиснення і полімеризації в ньому не протікають. Такий бензин більш стійкий при зберіганні.