Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Мозговой. Х и Ф нефти игаза.doc
Скачиваний:
263
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
3.15 Mб
Скачать

4.5. Химические свойства алканов

Алканы достаточно инертны ко многим реагентам.

4.5.1. Полное окисление. Полное окисление при избытке кислорода протекает по схеме реакции горения:

СnH2n + 2 + [n + ]nCO2 + (n + 1)H2O. (4.1)

4.5.2. Неполное окисление, согласно теории Н. Н. Семенова и Н. М. Эм­мануэля, протекает по радикально-цепному механизму и включает четыре стадии: зарождение цепи, продолжение цепи, разветвление цепи и обрыв цепи.

Зарождение цепи

RH + O2 R + HO2; (4.2)

2RH + O2 2R + H2O2 . (4.3)

Энергия разрыва связи С – Н в зависимости от природы соединения составляет от 290 до 420 кДж/моль.

Продолжение цепи

R + O2 RO2; (4.4)

RO2+ RH ROOH + R. (4.5)

гидропе- роксид

Возможна и такая реакция, особенно при жидкофазном окислении, протекающая с разрывом связи С – С:

RO2 R/CHO + R//O. (4.6)

Разветвление цепи

ROOH RO + OH (4.7)

или

ROOH + RH RO + R + Н2О; (4.8)

2RO ROOR. (4.9)

пероксид

Обрыв цепи при жидкофазном окислении. Гибель свободных радикалов может происходить при взаимодействии их со стенкой реактора. Вследствие высокой вязкости среды в жидкой фазе диффузия радикалов к стенке затруднена и в ней происходит в основном квадратичный обрыв цепи:

R + R R – R; (4.10)

R + RO R – O – R; (4.11)

R + RO2 2ROH; (4.12)

2R + H2O2 2ROH и т. д. (4.13)

Эти реакции идут с небольшой энергией активации (4 – 8 кДж/моль).

Неполное окисление легких углеводородов. Известны в промышленности процессы окисления метана, этана, бутана. Окисление легких алканов ведут при низких (150 – 250 оС) и высоких (400 – 600 оС и выше) температурах с при­менением катализаторов и без них при различных временах контакта. В зависимости от условий реакции протекают по-разному.

электрический

пиролиз

2СН4 С2Н2 + 3Н2; (4.14)

СН4 + 1/2О2 СО + 2Н2; (4.15)

синтез-газ

Мn2+ или Cu2+

СН4 + 1/2О2 СН3ОН + 130 кДж/моль; (4.16)

метанол

катализатор

СН3ОН + 1/2О2 НСНО + Н2О + 147 кДж/моль; (4.17)

формаль-

дегид

Pt(Pd)

НСНО + 1/2О2 НСООН + 275 кДж/моль. (4.18)

муравьиная

кислота

В промышленной практике окисление алканов ведут в газовой фазе при значительном избытке углеводородов без катализатора при температуре 330 – 370 оС. О влиянии соотношения углеводород: кислород на примере пропилена дает представление табл. 4.5.

Таблица 4.5

Химический состав продуктов окисления С3Н6 при 275 оС

Продукт

Объемное соотношение С3Н6 : воздух

1:20

1:15

1:3,6

1:1,25

1:0,15

Альдегиды

12,5

6,6

12,0

16,1

16,7

Спирты

17,3

25,7

23,0

33,1

34,5

Изопропанол

2,7

6,9

5,2

5,2

14,4

Ацетон

1,2

1,4

1,3

3

7,4

Кислоты

13,9

13,4

15,2

8,9

12,5

Всего продуктов неполного окисления

47,3

56,0

56,7

63,6

85,5

Диоксид углерода

31,5

25,0

22,1

10,5

6,5

Монооксид углерода

20,9

19,0

21,2

25,9

8,0

Как следует из табл. 4.5, снижение доли воздуха в смеси углеводород – воздух приводит к увеличению выхода кислородсодержащих органических соединений и соответственно снижению выхода оксидов углерода.

Высшие алканы (С10 и выше) окисляют в соответствующие спирты, из которых затем получают алкилсульфаты, необходимые для производства синтетических моющих средств (СМС). При этом в качестве катализатора применяют ортоборную кислоту (Н3ВО3).

Твердые алканы окисляют в карбоновые кислоты при использовании в качестве катализатора смеси стеаратов Мп+2, Со+2, Fe+3 и К+ или Nа+. При температуре 100–130 оС. Полученные при этом синтетические жирные кислоты (СЖК) применяют для получения мыла, пластических смазок, пластификаторов, эмульгаторов, стабилизаторов и ингибиторов коррозии.

4.5.3. Галогенирование алканов. Подобные реакции относят к радикально-цепным. Различают термическое, фотохимическое и иницииро­ванное галогенирование. Схема процесса с хлором такова:

h(t)

Сl2 Cl + Cl; (4.19)

Cl + RH R + HCl; (4.20)

R +2 Cl RCl + Cl; (4.21)

Cl + Cl Cl2 . (4.22)

Наиболее реакционноспособным является водород при третичном атоме углерода, затем при вторичном атоме и потом при первичном атоме углерода.

Наибольшее практическое применение имеют хлорпроизводные соединения метана и этана – хлористый метил (СН3Сl); хлористый метилен (СН2Сl2); хлороформ (СНСl3); четыреххлористый углерод (ССl4); 1,2-дихлорэтан (СН2СlCH2Cl) и 1,1,1-трихлорэтан (ССl3CH3).

Продукт частичного замещения водорода хлором во фракции алканов С10 – С18 используют в производстве алкиларилсульфонатов, которые далее применяют в производстве СМС.

Пример реакции получения алкиларилсульфонатов :

AlCl3 H2SO4 NaOH

С12Н25Сl + C6H6 С12Н25 – C6H5 С12Н25C6H4SO3H

HCl – H2O – H2O

С12Н25 – C6H4 – SO3Na (4.24)

моющее средство (ПАВ)

Наиболее активен в реакциях галогенирования фтор. Он, как правило, замещает в углеводороде все атомы водорода, причем реакции с фтором протекают с рекордными тепловыми эффектами. Наименее активен в реакциях галогенирования бром. Подобные реакции с ним возможны при нагревании. Йод совершенно инертен к реакциям галогенирования.

4.5.4. Сульфирование алканов. Концентрированная серная кислота (олеум) при нагревании медленно сульфирует изоалканы:

СН3 – СН – С2Н5 SO3H

+ Н2SO4 CH3 – C C2H5 + Н2О. (4.25)

3 CH3

4.5.6. Сульфохлорирование. Эта реакция протекает при облучении реагентов ультрафиолетовым светом:

h

RH + SO2 + Cl2 RSO2Cl + HCl. (4.26)

4.5.7. Сульфоокисление. Под действием УФ-облучения нормальные алканы вступают в реакцию:

h

RH + SO2 + 1/2O2 RSO3H. (4.27)

Сульфоокислению подвергают н-алканы от С10 и выше. Алкены и арены не только не вступают в эту реакцию, но и тормозят ее.

4.5.8. Нитрование. Газофазное окисление алканов азотной кислотой протекает по следующему механизму:

HONO2 + NO2; (4.28)

CH3CH3 + HО CH3CH2 + H2O; (4.29)

CH3CH2 + NO2 CH3CH2NO2; (4.30)

CH3CH2 + HONO2 CH3CH2NO2 + HO и т. д. (4.31)

Промышленный процесс нитрования проводят при 450 оС и при сле­дующем соотношении углеводорода и азотной кислоты: (5–10):1 моль/моль. При нитровании, например, пропана образуются все четыре возможные нитропроизводные алканов:

NO2

О2N – CH2 – CH2 – CH3; CH3 – CH – CH3; О2N – CH2 – CH3; О2N – CH3.

1-нитропропан 2-нитропропан нитроэтан нитрометан

Термические и термокаталитические превращения алканов, имеющие место в нефтепереработке, будут рассмотрены при изучении соот­ветствующих процессов.