- •Глава 4. Космологические модели вселенной
- •4.1. Уровни организации мира
- •4.2.Пространство и время
- •4.3. Специальная теория относительности а.Эйнштейна
- •4.4. Общая теория относительности а. Эйнштейна
- •4.5. Пространство
- •4.6. Проблемы учения о взаимодействии и движении
- •4.6.1. Уровни организации микромира
- •4.6.2. Элементарные частицы
- •4.6.2.Общая характеристика фундаментальных взаимодействий
- •4.6.3.Сильное взаимодействие
- •4.6.4.Электромагнитное взаимодействие
- •4.6.5.Слабые взаимодействия
- •4.6.6. Гравитационное взаимодействие
- •4.7. Теории большого объединения и суперобъединения
- •4.8. Рождение вселенной
- •4.8.1. Ранний этап химической эволюции Вселенной
- •4.8.2. Структурная самоорганизация Вселенной
- •3Не4 с12 и дальше
- •4.8.3.Земной шар и геосферы
- •Земное ядро. Земное ядро состоит из двух слоёв – внешнего (жидкого) ядра и внутреннего (твёрдого) ядра.
- •Глава 5. Нефть и ее применение
- •5.1. История нефти
- •5.2. Запасы нефти
- •5.3. Добыча нефти и газа
- •5.4. Химический состав нефти.
- •5.5. Классификация нефтей
- •5.6. Миграция и образование залежей нефти
- •5.7. Геохимические закономерности изменения нефтей
- •5.8. Некоторые аспекты происхождения нефти
- •5.9. Современные основы переработки нефти
- •5.10. Циклические алифатические углеводороды
- •5.11. Разделение сырой нефти
- •5.12. Процессы вторичной переработки нефти
- •5.13. Арены
- •5.14. Детонационное сгорание
5.9. Современные основы переработки нефти
Компоненты нефти и газа – это типичные представители органических соединений, потому, что органическая химия - это химия соединений углерода, а, напомним, содержание углерода в нефти – 87%. Название »органическая» вводит в заблуждение: оно сохранилось с той поры, когда химические соединения делили, в зависимости от источника их получения, на два класса - органические и неорганические. К неорганическим относили вещества, полученные из минералов, а к органическим - соединения растительного и животного происхождения.
Но в 1828 году Фридрих Вёлер разрушил представление о жизненной силе органических соединений, получив лабораторным путем мочевину из циана-та аммония – минерального вещества:
O
NH4OCN → NH2-C-NH2
Цианат аммония мочевина
Вёлер уже тогда прекрасно понимал, какова сложность органической хи-мии. Он писал: “ Органическая химия вполне может свести человека с ума. Она создает у меня впечатление девственного тропического леса, полного самых удивительных вещей; из этой чудовищной и безграничной чащи не-возможно выбраться и в нее страшно войти”.
Все, что сказал Вёлер, верно и в наши дни. К 1980 году было зарегистрировано более 5 миллионов различных органических соединений. По-видимому, сейчас их более 10 миллионов.
Существует два огромных природных источника, из которых можно полу-чить простейшие органические соединения: нефть и уголь. (Оба источ-ника являются органическими в старом смысле этого слова, поскольку и уголь и нефть представляют собой продукты разложения растительных и животных организмов). Эти простейшие органические соединения используются как строительный материал при синтезе более сложных соединений. Что же характерно для соединений углерода, что заставляет рассматривать их отдельно от соединений остальных ста с лишним элементов периодической системы?
Причина этого в особенном электронном строении атомов углерода, придающем углероду уникальную способность к образованию:
- длинноцепочечных полимеров со связями С-С;
- разветвленных и сшитых цепей связей;
- двойных и тройных связей;
- делокализованных ароматических связей;
- связей как с электроположительными, так и с электроотрицательными атомами от щелочных металлов до галогенов ( и даже с атомами благород-ных газов).
При рассмотрении соединений углерода нужно помнить два основных положения:
-
углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен;
-
все атомы в органических молекулах связаны ковалентными связями.
В 1916 году было описано два типа химической связи: ионная связь (В. Коссель, Германия) и ковалентная связь (Г.Н. Льюис, Калифорнийский уни-верситет). И Коссель, и Льюис основывали свои представления на следую-щей концепции атома.
Ионная связь возникает в результате переноса электрона, как, например, при образовании фторида лития. Атом лития имеет два электрона на пер-вом уровне и один электрон на внешней, или валентной, оболочке; присоединение одного электрона приводит к тому, что у лития остаётся заполненный внешний слой с двумя электронами. Атом фтора имеет два электрона на первом уровне и семь электронов на внешней, или валентной, оболочке; присоединение одного электрона приводит к образованию у фтора заполненной внешней оболочки из восьми электронов. Фторид лития обра-зуется в результате перехода одного электрона от лития к фтору, вследствие чего литий приобретает положительный заряд, а фтор - отрицательный.
Электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами называется ионной связью. Такая ионная связь характерна для соей металлов (электроположительных элементов), находящихся в левой части периодической системы, с неметаллами (электроотрицательные элементы), расположенными в дальней правой части периодической системы.
Li → Li+ + e - F + e - → F-
Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов, как, например, в случае молекулы водорода. Каждый атом водорода имеет один электрон; при обобществлении электронов каждый из водородов может заполнить свою оболочку до двух электронов. Здесь связующей силой также является электростатическое притяжение, в данном случае между каждым электроном и двумя ядрами.
Н. Н → Н:Н 2Н. + О: → Н:О:Н
Углеводороды. Некоторые органические соединения содержат только два элемента - водород и углерод, и поэтому называются углеводородами. В зависимости от строения углеводороды делятся на два основных класса - алифатические и ароматические. Алифатические углеводороды в свою очередь можно разделить на несколько классов: алканы, алкены, алкины и их циклические аналоги (циклоалканы, циклоалкены).
Алканы. Углеводороды ряда CnH2n+2 - алканы присутствуют во всех нефтях и являются одной из основных её частей.
Распределяются они по фракциям неравномерно, концентрируясь, глав-ным образом, в нефтяных газах и бензино-керосиновых фракциях, в масля-ных их содержание резко падает.
Простейшим представителем ряда алканов и, конечно, одним из простейших органических соединений является метан СН4.
Физические свойства метана. Структурной единицей неионного вещества - твёрдого, жидкого или газообразного - является молекула. Поскольку молекула метана обладает высокой симметрией, полярности отдельных связей C-H компенсируют друг друга; в результате сама молекула неполярна.
Взаимодействие между такими неполярными молекулами ограничивается вандерваальсовыми силами; для таких небольших молекул эти силы взаимо-действия не сравнимы с очень большими силами взаимодействия между, например, ионами натрия и хлора. Неудивительно, что эти силы притяжения легко преодолеть за счёт тепловой энергии, так что метан кипит и плавится при очень низких температурах: Тпл. - 1830С, Ткип. -161,50С. (Сравните с со-ответствующими константами для хлористого натрия: Тпл. 801 0С , Ткип. 1413 0С). Вследствие этого метан - газ при обычной температуре.
В жидком состоянии его плотность меньше плотности воды (удельная весомость 0,4). В соответствии с правилом "подобное растворяется в по-добном" он очень плохо растворим в воде, но хорошо растворим в органиче-ских жидкостях, таких, как бензин, эфир и спирт. Физические свойства метана сходны со свойствами других членов ряда алканов. Температуры плавления и кипения алканов с увеличением ММ (ростом цепи) возрастают, у изомеров они ниже, чем у н-алканов.
Источники. Метан является конечным продуктом анаэробного ("бескислородного") разложения растений, то есть продуктом разрушения очень сложных молекул. В природном газе содержится до 97% метана. Опасный рудничный газ в угольных шахтах и болотный газ, булькающий на поверхности болот, - это тоже метан. Бытовой газ у вас на кухне - это тоже метан, но с добавкой одоранта метилмеркаптана (СН30SH).
Метан, образующийся в результате распада живых организмов, может быть именно тем веществом, из которого в конечном счёте построен организм.
Промышленные источники алканов. Основными источниками алканов, как я уже говорил ранее, служит нефть и сопутствующий ей природный газ. Гниение и миллионы лет геологических преобразований превратили сложные органические соединения, из которых состояли растения и животные, в смесь алканов, имеющих в своём составе от одного до 30-40 атомов углерода.
Природный газ содержит только более летучие алканы, то есть алканы с низким молекулярным весом; в основном он состоит из метана и значитель-но меньших количеств этана, пропана и высших алканов. (Табл.5)
Алканы термодинамически неустойчивы относительно распада на углерод и водород.. Кроме распада на элементы термодинамически возможен ряд других реакций.
Ниже приведены термические реакции для некоторых алканов.
2СН4 → НС=СН + 3Н2 (1100 К)
СН4 → С + 2Н2
С2Н6 → С2Н4 + Н2
Крекинг С4Н10 → С2Н4 + С2Н6
Для более высокомолекулярных парафинов при умеренных температурах (400-500 0С) наблюдается разрыв молекул с образованием, примерно, равных количеств парафина и олефина приблизительно одинакового молеку-лярного веса:
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2 СН3-СН2-СН2-СН3 + СН2=СН-СН3
Эта реакция крекинга реализуется в процессах термического и катали-тического крекинга (450-500 0С, давление до 50 ат).
Таблица 5. Состав природного газа некоторых месторождений (%)
Месторождение |
СН4 С2Н6 С3Н8 и N2 Выше |
Саратов Майкоп Ставрополь Газли Уренгой Заполярное Питсбург, США Новогрозненское Вайоминг, США Иран |
94,7 1,8 0,3 3 53,6 14,2 25,0 98,0 0,61 0,49 94,9 3,5 1,5 - 98,5 0,1 следы 1,12 98,5 0,20 0,06 0,7 84,7 13,7 1,6 54,9 45,1 42,0 16,0 7,0 18%Hе 35,5 54,0 |
Метан Этан Пропан Бутан Пентан
Сухой газ ... 84,7 9,6 3,0 1,1 -
Жирный газ .. 36,8 32,6 21,1 5,8 3,7