3 Углеводороды нефти
В общем, в нефтях определено около 1300 индивидуальных химических соединений, которые разделяются на две группы: углеводородную и неуглеводородную. УВ являются основными компонентами нефтей, представленными алканами, нафтенами, аренами, гибридными соединениями, а также алкенами. В целом они состоят примерно из 900 индивидуальных соединений.
Алкановые УВ, они же метановые, парафиновые, алифатические УВ или алканы (Al) соответствуют общей формуле CnH2n+2, где n – количество атомов углерода, которое может изменяться от одного до нескольких десятков. Их содержание в нефтях составляет от 10 до 70 %. Алканы разделяются н-алканы и изо-алканы (рис. 2). Алканы, особенно н-алканы, имеют наименьшую плотность среди УВ и наибольшее атомное отношение Н/С, порядка 2,3 (гексан: С6Н14). Среди изо-алканов выделяются изопреноидные алканы (изопренаны). Критерием отнесения алканов к изопренанам является регулярное чередование метильных групп СН3 в углеродной цепи. В нефтях определены изопренаны, содержащие от девяти до 40 атомов углерода (С9-С40). Наиболее распространёнными алканами этого типа являются фитан (С20Н42) и пристан (С19Н40):
СН3-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН2-СН2-СН2-СН-СН3
| | | |
СН3 СН3 СН3 СН3.
Основой таких структур является изопрен (изопреновая цепь): СН2=СНС(СН3)=СН2. Источником изопреноидных УВ считаются биологические соединения (соединения, присутствующие в живом веществе) с изопреноидной структурой и их кислородные производные: спирты, альдегиды, кетоны и др.
Рис. 2 Структурные формулы нормальных алканов – н-алканов и разветвленных
Алканов, или изо-алканов
Алканы, содержащие от одного до четырех атомов углерода (С1-С4), при нормальных условиях являются газами, от пяти до 15 (С5-С15) – жидкостями, больше 16 (С16) – твердыми веществами. При этом твердые алканы от С16 до С30-40 получили техническое название «парафины», а от С40 до С60 – «церезины».
Парафины – твёрдые белые полупрозрачные вещества с температурой плавления 40-60 °С, средней молекулярной массой 500 и плотностью 0,86-0,94 г/см3. Это сложная смесь твёрдых н-алканов с максимальным содержанием атомов углерода от С23 до С35 и твёрдых изо-алканов (до 20 %) с примесью нафтенов с длинными боковыми цепями.
Церезины – воскообразные вещества с мелкокристаллической структурой, температурой плавления 60-85 °С и молекулярной массой до 700. Они состоят в основном из изо-алканов, с примесью н-алканов от С37 до С60, нафтенов и даже аренов с боковыми алкильными цепями. Церезины дают трудно разделимые смеси с маслами. При перегонке нефти они остаются в гудроне, а не в составе масляных фракций.
Алканы обладают сильным токсическим и наркотическим действием, особенно нормальные алканы с короткой углеродной цепью.
Нафтеновые УВ, они же циклоалкановые, циклановые, циклопарафиновые, полиметиленовые УВ, или нафтены (Nf), состоят из замкнутых в цикл метиленовых групп СН2 и имеют моно- и полициклическое строение.
Моноциклические молекулы нафтенов могут содержать от трех (циклопропан) до семи (циклогептан) метиленовых групп (рис. 3). При этом УВ с трёх- и четырёхчленными циклами в нефтях не обнаружены. В некоторых нефтях имеется незначительное количество УВ с семичленными циклами. Из наиболее устойчивых пяти- и шестичленных циклов в нефтях преобладают УВ с шестичленными (циклогексановыми) кольцами. Моноциклические нафтены часто содержат алкильные цепи (радикалы) (рис. 3). Более устойчивыми являются короткие радикалы. Для нафтенов характерна изомерия положения радикала в цикле. Общая формула моноциклических нафтенов имеет вид: CnH2n.
Рис. 3. Структурные формулы