Алкандардың химиялық қасиеттері 5 страница

C_nH_2n+2 C_nH_2n + H₂

CH₃-CH₃ CH₂=CH₂+H₂

этанэтилен

H-CH₃ + H₃C-H H-CºC-H + 3H₂

ацетилен

Көміртек атомдарының саны С₆ және одпн да көп алкандар сутексізденуге ұшыраса, онда кейбір металдардың оксидтерінің қатысында олардың ароматты көмірсутектерге айнала алкандардың дегидрациклденуі болады:

CH₃-CH₂-CH₂- CH₂- CH₂-CH₃ +4H₂

 

2CH₃-CH₂-CH₂- CH₂- CH₂-CH₃ + + 5H₂

CН₃

Алкандардың тотығу реакциялары. Органикалық заттардың тотығуы оның құрамына оттекті енгізгенде және (немесе) сутек бөлінгенде жүзеге асады:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О + 880 кДж,

С₈Н₁₈ + 12,5О₂ → 8СО₂ + 9Н₂О + Q.

Оттек жеткіліксіз болғанда метанның тотығуы мына реакциялар бойынша жүреді:

СН₄ + 3/2О₂ → СО + 2Н₂О

СН₄ + О₂ → С + 2Н₂О

СН₄ + Н₂О 3Н₂ +СО

синтез-газ

 

СН₄

 

Орташа температурада катализатор қатысында алкандардың біртіндеп тотығуы болады:

CH₃-CH₂ - / - CH₂-CH₃ +3О₂ →2CH₃-CООH+2Н₂О

бутан сірке қышқылы

 

Агрегаттық күйіне байланысты парфиндер газ (СН₄−С₄Н₁₀), сұйық (С₅Н₁₂ – С₁₅Н₃₂) және С₁₆Н₃₄-тен бастап 20ºС кристалданатын, суда аз еритін, қатты көмірсутектерге бөлінеді.

Газтәрізді, сұйық және қатты алкандар. Газтәрізді көмірсутектер С₁-С₄ –метан, этан, пропан, бутан, изобутан және изопентан (2,2-диметилпропан). Олардың табиғи, газконденсатты және мұнайға серік газдардың құрамына кіреді. Мұнай газдары шығу тегіне байланысты табиғи, мұнайға серік және жасанды болып бөлнеді. Дегенмен газдардың құрамдарының бір-бірінен айырмашылығы өте көп. Табиғи газдың негізгі компоненті метан болып табылады, оның массалық мөлшері 93-99%. Метанның табиғи газ құрамындағы мөлшері онша үлкен емес: этан (сирек) 0,1-ден 8,0%-ке дейін, пропан 0,1-ден 3%-ке дейін, бутан және одан жоғары, әдетте пайыздық үлеспен беріледі. Метанның көбірек болуынан және С₄-С₅ көмірсутектерінің біраз мөлшерінің әсерінен көптеген табиғи газдарды құрғақ газдарға жатқызады.

Газконденсатты кен орындарындағы газдар метан гомологтарының мөлшерінің (пропаннан бастап) дереу артуымен ерекшеленеді. Сонымен қатар сұйық көмірсутектердің (қосындысы 50%-ға дейін) біраз мөлшері де болады. Сондықтан да оларды майлы газдар деп атайды. Осы газдардың ең жеңіл газ бензинін алады.

Мұнайдың сұйық алкандары – С₅−С₁₅ қалыпты жағдайда сұйық күйінде болатын алкандар. Олар мұнайдың бензин және керосин фракцияларында болады және қалыпты немесе аз тармақталған құрылысты болады. Барлық мұнай үшін алкандардың фракцияларға белгілі бір заңдылықпен таралуы болады, онда мұнай фракциясының (фракциялардың қайнау температурасының жоғарылауымен) орташа молекулалық массасының артуымен олардағы алкандардың мөлшері азаяды.

Қазіргі кезде 150-180ºС-ға дейін қайнайтын, құрамы С₅-С₁₀ көмірсутектерден тұратын бензиннің алкандары толық зерттелген. Одан жоғары температурада қайнайтын фракциялар онша зерттелмеген, себебі қайнау температурасы жоғарылаған сайын изомерлер саны да артады.

Мұнайда пентан, гексан және гептанның барлық изомерлері табылған. Октанның 18 изомерінен 17, 35 нонан көмірсутектерінен 34 изомер бөлінген. Мұнайда сонымен бірге қалыпты құрылысты барлық алкандар, тіпті С₃₆Н₇₄-ке дейінгі (гексатриаконтан) табылып, бөлініп алынған.

Кейбір мұнайдың фракцияларының 60-шы жылдары басты көміртек тізбегінде молекулалары 2,6,10,14,18 жағдайында жүйелі орналасқан метил топтарынан тұратын тармақталған изопарафинді көмірсутектер алынған. Молекулалардың мұндай құрылысы полиизопреннің қаныққан жүйелі тізбегіне сәйкес келеді. Полиизопрен – полимерленген изопрен, изопреноидтар немесе изопренандардың атауы осыдан шыққан.

Қазіргі кезде көптеген мұнайдың орташа фракцияларында, сонымен қатар табиғи битумдарда және жер қыртысында шашыраған органикалық заттарда изопреноидты көмірсутектер табылған.

Олардың ішінде мұнайда көп таралған көмірсутектер фитан (С₂₀Н₄₂) 2,6,10,14-тетраметилгексадекан және пристан (С₁₉Н₄₀) 2,6,10,14 − тетраметилпентедеканды атап өтуге болады.

Мұнайда сонымен қатар айталық Т-тәрізді изопренандар табылған.

Сұйық алкандар карбюратор, дизель және реактивті двигательді отындарының құрамына кіреді. Әр отында олардың атқаратын функциясы және өзіне тән қасиеті болады. Бензиннің құрамындағы алкандардың детонацияға төзімділігі жоғары; дизель отынының алкандары оңай тұтанады; реактив отындары оңай тұтанумен қатар кристаллизациялану температурасы төмен болуы керек.

Қатты алкандар 300ºС-тан жоғары температурада қайнайтын фракцияда кездеседі. Оларға құрамында көміртек саны С₁₆-дан жоғары көмірсутектер жатады. Гексадеканның С₁₆Н₃₄ балқу температурасы - 18ºС, ал гептадеканның қайнау температурасы -303ºС, балқу температурасы - 21ºС. Жалпы формулалары С_nH_2n+2 мен сипатталатын көмірсутектердің молекулалық массалары артқан сайын балқу және қайнау температуралары біркелкі артады.

Қатты парафиндер барлық мұнайда, тіпті көбінесе көп мөлшерде дерлік болады (ондаған үлеспен 5%-ға дейін). Парафинді мұнайда олардың мөлшері 10-20%-ға дейін артады. Қазақстанның мұнайы құрамында қатты парафиндердің (15-20%) өте көп болуымен сипатталады, бұл негізінде Өзексуат, Жетібай және Өзен мұнайлары. Маңғыстау түбегіндегі мұнайда қатты алкандардың мөлшері 26-30%-ға дейін жетеді.

Парафинді мұнайлардың жоғары фракцияларында қатты алкандардың мөлшерлері 45-55% дейін жетеді. Жоғары фракциялардан қатты алкандарды еріткіштер қатысында кристалдау арқылы (депарафиндеу) алады. Гачты – депарафиндеудің шикі өнімін тазалағаннан соң – балқу температурасы 40-60ºС, тығыздығы 0,86-0,94 ақ түсті, қатты, жартылай мөлдір парафин алады. Осындай парафиннің орташа молекулалық массасы 500 а.б. жуық, ол өз кезегінде тізбектегі көміртек атомы 30-40 болатын көмірсутектерге сәйкес келеді.

Құрамындағы парафиннің мөлшеріне байланысты жіктелуі бойынша мұнай парафинді (қатты парафиннің мөлшері 6%-тен жоғары), аз парафинді (1,5-6,0%) және парафинсіз болып бөлінеді (1,5%дейін).

Парафиндер мұнайда еріген күйде немесе тілік және тілікті бау тәрізді өлшенген кристалдық түрде болады. Қатты метан көмірсутектерінің қайнау температурасына сәйкес мұнайды айдағанда оның негізгі массасы мазутта қалады, бірақ аз мөлшері керосин дистиллятында болады да оны қатты суытқанда (қатты парафиндер кристалданады) анықталуы мүмкін. Мазутты айдағанда С₃₇ – Н₃₅ парафиндері май дистилляттарына (соляр, ұршық және т.б.) түседі. Өте жоғары қайнайтын парафиндер (С₃₆ – С₅₃) гудронда қалып қояды.

Одан да жоғары молекулалық және жоғары балқитын парафинді көмірсутектердің қоспасын церезиндер деп атайды. Мұнай церезиндері ұсақ ине тәрізді құрылымды және молекулалық массасы жоғары болады, мысалы Сурахан церезиніне С₃₅Н₇₂-ден С₅₃Н₁₀₈-ге дейінгі көмірсутектер кіреді. Парафиндердің молекулалық массалары 500-ден төмен, ал церезиндердікі 500-ден жоғары 700-800-ге дейін, сондықтан да церезиндер гудронда болады.

Балқу температуралары бірдей парафиндер мен церезиндердің қасиеттерін салыстыру нәтижесінде церезиндердің тығыздығы мен тұтқырлығының жоғары екендігіне көз жеткізуге болады.

Парафиндер мен церезиндердің химиялық қасиеттері бойынша айырмашылығы бар. Мысалы, церезиндер тотықтырғыштардың әсерінен тез беріледі, парафиндер суық кезде олармен реакцияға (азот қышқылы, хлорсульфон қышқылы) түспейді.

Парафиндер мен церезиндердің құрамы С_nH_2n+2 сәйкес болуына қарамастан олар екі гомологтық қатар түзеді. Парафин молекулаларына қалыпты құрылысты көмірсутекті радикалдар, ал церезин молекулаларына негізінен изоқұрылыс, циклды құрылысты радикалдармен бірге (нафтенді және ароматты) кіреді. Церезиндер табиғи жанғыш минерал - озокериттің құрамында болады, бірақ оны қалдық мұнай өнімдерінен де бөліп алуға болады.

Озокерит (жер балауызы, тау балауызы) – жоғары қайнайтын көмірсутектер мен шайырлардың аздаған мөлшерімен қатты көмірсутектер қоспасымен сіңірілген, кеуек тау жыныстарынан түзілген минерал. Озокериттің кен орындары сирек кездеседі. Ол Бориславада Дэвиняч кен орындарында (Шығыс Украина), Өзбекстанда (Шорсы кен орындары), Ферғана Қаратауында (Сель - Рохо), Каспий теңізінің Челекеп аралында өндіріледі. Озокериттің органикалық бөлімі жыныстан балқытылып алынады, одан жеңіл фракцияларды айдау және қалдықты тазалау арқылы тұтынуға жіберілетін церезиннің әртүрлі сұрыптарын алады.

Парафиндер мен церезиндер әртүрлі салада қолданылады. Парафиннің біраз бөлігі балауыз, сіріңке, қағаз, тері, мақта-мата өндірістерінде қолданылады. Парафин пластикалық жаңғыш өндірісінде қоюлатқыш ретінде қолданылады, вазелиннің (техникалық та, медициналық та) маңызды құрам бөлігі болып табылады. Әсіресе парафинен ауадағы оттекпен тотықтыру жолымен синтетикалық май қышқылы мен спирттерді өндіру маңызды орын алады. Басқаша айтқанда, парафиндер мен церезиндер май фракциясының қажетсіз компоненті болып табылады, себебі тоңдану температурасын арттырып, төменгі температурада майлардың қозғалғыштығын төмендетеді.

 

Бақылау сұрақтары:

1. Алкандар деп қандай көмірсутектер тобын айтамыз?

2. Метандық көмірсутектердің мұнайдағы және мұнай фракцияларындағы мөлшері?

3. Парафинді көмірсутектердің агрегаттық күйлері бойынша бөлінуі.

4. Парафинді көмірсутектердің физикалық және химиялық қасиеттері.

 

Әдебиеттер тізімі:

1. Нұрсұлтанов Ғ.М. Мұнай мен газды өндіріп, өңдеу: Оқулық/ Ғ.М. Нұрсұлтанов, Қ.Н. Абайұлданов.

2. Мозговой И.В., Давидан Г.М., Олейник Л.Н. Химия и физика нефти и газа. Курс лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 199 с.

3. Батуева И. Ю., Гайле A. A., Поконова Ю. В. и др. Химия нефти- Л.: Химия, 1984 - 360 с.

4. Магеррамов А.М., Ахмедова Р.А., Ахмедова Н.Ф. Нефтехимия и нефтепереработка. Учебник для высших учебных заведений. Баку: Издательство «Бакы Университети», 2009, 660 с.

 

Дәріс №8.

Тақырыбы: Нафтенді көмірсутектер

Жоспар:

1. Нафтендік көмірсутектер

2. Мұнайдағы нафтендік көмірсутектер.

3. Нафтенді көмірсутектердің физикалық және химиялық қасиеттері.

4. Нафтендік көмірсутектердің мұнайдың әртүрлі фракцияларындағы мөлшері.

 

Глоссарилер:

Нафтендер - мұнай көмірсутектерінің негізгі массасын құрайтын жалпы формуласы C_nH_2n (n³3) циклоалкандар.

 

Мұнай көмірсутектерінің негізгі массасын құрайтын жалпы формуласы C_nH_2n (n³3)циклоалкандар (циклопарафиндер) нафтендер деп аталады. Циклоалкандар көміртек – көміртек байланысынан тұратын циклді қаңқалы қаныққан көмірсутектер.

Нафтендер барлық мұнайлардың құрамында болады, барлық фракцияларға қатысады, жалпы мөлшері бойынша басқа көмірсутектерге қарағанда көбірек болады. Әдетте мұнайдың құрамында 40-70% циклоалкандар болады. Кейбір нафтенді мұнайдың құрамында осы көмірсутектердің мөлшері кейде 80%-ға жетіп қалады.

Мұнай циклоалкандары құрамында циклогександы және циклопентанды сақиналары болатын моно-, ди- три- және полициклді көмірсутектерден тұрады, соның ішінде алты мүшелі сақиналы көмірсутектер көбірек болады. Маңызды өкілдері – циклопентан, циклогексан және олардың гомологтары:

 

 

Циклопропан циклобутан циклопентан циклогексан

 

Төменгі циклоалкандар – циклопропан, циклобутан және олардың гомологтары мұнай құрамынан анықталмаған. Термодинамикалық тұрақтылығының төмендігенен олардың мұнайда болуы екіталай. Циклдерінде алтыдан көп көміртек болатын көмірсутектер болуы мүмкін. Нафтендердің әртүрлілігі олардың изомерияға қабілетті болуынан.

С₄Н₈-ден бастап циклопарафиндерге сақинадағы көміртек атомдарының санына, орынбасарлардағы алкил радикалындағы көміртек атомдарының санымен, сонымен қатар сақинадағы орынбасар жағдайына байланысты құрылымдық изомерия тән. Мысалы циклопентанның бес құрылымдық изомері болады: циклопентан; метилциклобутан; 1,1-диметилциклопропан; 1,2-диметилциклопропан; этилциклопропан.

Циклодекан үшін құрамы С₁₀Н₂₀ болатын кейбір изомерлері көрсетілген: 1-метил-2-изопропил-циклогексан(алкилдері вицинальды орналасқан изомерлі); 1-метил-2-пропил-циклогексан(алкилдері вицинальды орналасқанизомерлі); 1-метил-2-пропил-циклогексан; 1-метил-1-пропил-циклогексан(алкилдері геминальды орналасқан изомерлі); 1-метил-3-бутил-циклогексан.

Циклоалкандар үшін класс аралық изомерия тән – көмірсутектердің әртүрлі кластарының гомологтық қатарын бірдей формуламен суреттеу: С₃Н₆ – циклопропан және пропен (алкен).

Циклопропан мен циклобутан кәдімгі температурада -газ күйінде, циклопентан мен циклооктан – сұйықтық, жоғары өкілдері – қатты заттар болып келеді.

Циклоалкандардың сәйкес алкандарға қарағанда балқу, қайнау температурасы, тығыздығы жоғары. Құрамы бірдей болған жағдайда циклопарафиннің қайнау температурасы жоғары болған сайын циклдің өлшемі де үлкен болады. Циклоалкандар суда ерімейді, бірақ органикалық еріткіштерде жақсы ериді (кесте 1).

 

Кесте 1. Кейбір циклоалкандардың физикалық қасиеттері

 

қосылыс	tбалқу, 0С	tқайнау, 0С	r420
Циклопропан	-126,9	-33	0,6881
Метилциклопропан	-177,2	0,7	0,69122
Циклобутан	-80		0,7038
Метилциклобутан	-149,3	36,8	0,6931
Циклопентан	-94,4	49,3	0,7460
Метилциклопентан	-142,2	71,9	0,7488
Циклогексан	6,5	980,7	0,7781
1 қайнау температурасында 2 20 0С -да