II.2. Химический (молекулярный) состав нефтей и природных газов
Основными компонентами газа газовых месторождений являются метан и его гомологи: этан, пропан, бутан, пентан, гексан. Общая их формула СnH2n+2. Среди гомологов метана обычно преобладает этан, затем пропан. Газ, богатый этаном, пропаном, бутаном, пентаном называется жирным. Неуглеводородные компоненты газа представлены обычно азотом и углекислым газом, примесью сероводорода. В незначительных количествах присутствуют благородные газы – гелий и аргон. Содержание азота в газах достигает до 50%, углекислого газа - до 100%, сероводорода – до 6%, гелия – до 10%, аргона – до 2%.
Нефть представляет собой смесь трех основных групп углеводородов: метановых (парафиновых, алкановых), нафтеновых (циклановых), ароматических (ареновых).
Метановые углеводороды - полностью насыщенные соединения, не способные к реакциям присоединения. Общая их формула СnH2n+2. Они могут иметь нормальное строение в виде неразветвленных цепей или изостроение в виде разветвленных цепей.
Нормальное строение: CH3-CH2-CH2-CH3
Изостроение: CH3-CH-CH3
|
CH3
Простейшие члены содержащие в молекуле от одного до пяти атомов углерода при нормальной температуре являются газами. К газам относятся: CH4 - метан, C2H6 – этан, C3H8 – пропан, C4H10 – бутан, C5H12 – пентан. Углеводороды, содержащие от 6 до 20 атомов углерода в молекуле, являются жидкими. Высокомолекулярные алканы имеют твердое состояние, называются парафинами.
Нафтеновые углеводороды – непредельные, циклические соединения, углеводородные цепи которых замкнуты в пяти и шестичленные кольца. Общая их формула СnH2n. Содержание водорода в них меньше, чем в метановых углеводородах.
С
Н2 СН2 СН2 СН2 СН2
СН2 СН2 СН2 СН2 СН2 СН СН СН2
С
Н2 СН2 СН2 СН2 СН2 СН СН СН2
СН2 СН2 СН2 СН2
В нафтеновой группе могут быть одно, два или более колец. К ним могут присоединяться цепочки метанового строения – алкильные группы. Особенностью нафтеновых углеводородов и их производных является способность к изомеризации, т.е. к образованию разветвленных цепей. Под влиянием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходит в пятичленные. В легких фракциях нафтеновых нефтей преобладают производные циклогегсана, в более тяжелых – полициклические углеводороды. Углеводородные соединения, в молекулах которых присутствует более 20 атомов углерода представляют собой твердые вещества – битумы.
Ароматические углеводороды имеют общую формулу СnH2n-6. Основой их строения являются бензольные кольца. Эти соединения обладают повышенной неустойчивостью и химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми углеводородами, высокой растворяющей способностью. Такие свойства обусловлены наличием в ядре двойных связей, одна из которых может стать свободной и присоединить другие молекулы. Моноциклические арены – премущественно гомологи бензола с недлинными боковыми цепями.
С
Н СН2 СН2
СН СН СН2 С СН
С
Н СН СН2 С СН
СН СН2 СН
Среди полициклических ароматических углеводородов преобладают нафталин и его гомологи. Это уже не нефть, а битумы, с высоким молекулярным весом.
В нефтях и газах содержатся соединения, в молекулах которых помимо углеводородных радикалов входят атомы серы, азота и кислорода. Содержание метановых углеводородов в нефтях различных типов составляет 25 - 70%, нафтеновых – 15 - 75%, ароматических - до 35%. По Дж.Ханту (1987) в "типичной" нефти, имеющей плотность 850 кг/м3 содержание метановых углеводородов составляет 25%, нафтеновых – 50%, ароматических – 17%, смол и асфальтенов – 8%.