4. Добування алканів та циклоалканів.
Крім використання природних джерел, часто застосовують синтетичні методи добування алканів. Найважливіші з них такі:
1. Гідрування ненасичених вуглеводнів. Насичені вуглеводні можна добути з ненасичених, тобто таких, що містять подвійні або потрійні зв’язки, приєднуючи до останніх Гідроген. Цю реакцію, яка називається – гідруванням, або гідрогенізацією, провадять у присутності каталізаторів (Рt, Рd, Nі, Сu, NіО та ін.):
Метод гідрування ненасичених вуглеводнів широко застосовується для синтезу розгалужених алканів, у тому числі тих, які містять четвертинні атоми Карбону.
2. Відновлення галогенопохідних. Відновлення галогенопохідних насичених вуглеводнів гідрогеном за наявності каталізатора, атомами Гідрогену в момент виділення або гідроген йодидом:
.
3. Реакція Вюрца. З синтетичних способів добування насичених вуглеводнів найбільше значення має дія металічного натрію на галогеналкіли (реакція Вюрца):
.
4. Електроліз водних розчинів солей карбонових кислот (синтез Кольбе). Кольбе, а згодом інші дослідники показали, що при електролізі водних розчинів одноосновних насичених карбонових кислот або їх лужних солей утворюються насичені вуглеводні:
.
5. Сплавляння солей карбонових кислот з лугами (синтез Дюма). При сплавлянні солей карбонових кислот з лугами або натронним вапном (суміші Са(ОН)2 і NаОН) відбувається їх декарбоксилування і одночасно утворюються насичені вуглеводні:
6 Гідрування оксиду карбону. У 1902 р. П. Сабатьє пропускаючи суміш оксиду карбону й гідрогену в об’ємному співвідношенні 1:3 над подрібненим нікелем, одержав найпростіший вуглеводень метан:
.
7. Дія води на карбід алюмінію.
.
Застосування насичених вуглеводнів. При повному згорянні насичених вуглеводнів виділяється значна кількість теплоти, тому насичені вуглеводні застосовуються як пальне. Метан, етан, пропан, бутан і пентан широко використовують як вихідну сировину для одержання багатьох органічних продуктів. Насичені вуглеводні з 6 – 10 атомами С застосовуються як розчинники. Вуглеводні з 10 – 20 атомами С використовуються у виробництві миючих засобів, мастил, емульгаторів для синтетичних каучуків та ін. Алкани, які складаються з 18 – 44 атомів С застосовуються в текстильній, паперовій, харчовій, поліграфічній, лакофарбовій та шкіряній промисловостях, в електротехніці та ін. Як хімічна сировина парафін використовується для одержання вищих жирних кислот та спиртів, миючих та поверхнево активних речовин, присадок до мастил та ін.
М.І. Коновалов відкрив реакцію насичених вуглеводнів з нітратною кислотою і тим самим вказав на можливість широкого застосування насичених вуглеводнів в органічному синтезі.
У результаті робіт школи М.Д. Зелінського в 1934 – 1937 рр. був знайдений інший шлях застосування насичених вуглеводнів – перетворення їх безпосередньо в ароматичні вуглеводні – бензол, толуол та ін.
Нафта
Склад нафти. Нафта являє собою складну суміш різних вуглеводнів, яка містить незначну кількість оксигено-, сульфур-, нітрогеновмісних органічних сполук і мінеральних речовин. Основну масу нафти складають вуглеводні трьох класів: алкани (СnН2n+2), нафтенові і ароматичні.
Нафти різних родовищ відрізняються за хімічним складом, але за елементарним складом відмінність їх незначна. Вміст Карбону в них коливається в межах 84 – 87%, Гідрогену 10 –14%.
Класифікація нафт. Залежно від вмісту твердих насичених вуглеводнів нафти поділяються на безпарафінні, слабкопарафінні (1 – 2% твердих вуглеводнів) та парафінисті (до 10 – 12% твердих вуглеводнів).
Залежно від вмісту тієї чи іншої групи вуглеводнів нафти можуть бути поділені на три основних типи: метанові, нафтенові й ароматичні. Вміст вуглеводнів, які визначають приналежність нафти до даного типу повинен бути більшим 50%. Якщо вуглеводнів другого типу міститься в тій же нафті не менше 25%, нафти відносять до мішаних типів: метано-нафтенові, нафтено-метанові, ароматично-нафтенові, нафтено-ароматичні, ароматично-метанові, метано-ароматичні.
За технічною класифікацією в залежності від наявності в них сульфуру, нафти розподіляються на три класи: І клас – малосірчисті нафти, які містять від 0 до 0,5% сульфуру, II клас – сірчисті нафти зі вмістом сульфуру від 0,51 до 1,9%, III клас – високосірчисті нафти, які містять сульфуру більше 1,9%.
Теорія походження нафти. Існує багато теорій походження нафти. З них основними є неорганічна, космічна та органічна.
Згідно неорганічної теорії, автором якої був Д.І. Менделєєв, нафта є продуктом мінерального походження і утворилася в результаті реакцій, які відбуваються на великих глибинах при високих температурах, та тиску між карбідами металів та водою, що просочується з поверхні землі. За космічною теорією нафта утворилася з Карбону та Гідрогену при формуванні землі. Ця теорія знаходить підтвердження через наявність метану в атмосфері деяких планет. Відповідно до органічної теорії, яка одержала найбільше розповсюдження, нафта утворилася в результаті розпаду рослинних та тваринних організмів. Ці органічні залишки нагромаджувались на узбережжях морських зон або ж приносилися з суші потоками води. На протязі сотень тисяч і навіть мільйонів років вони під дією тиску й теплоти перетворювались на вуглеводні, з яких складаються нафта і газ.
Основні способи переробки нафти. Найпростішим і основним способом переробки нафти є розгонка її на окремі фракції (дистиляти), яка дістала в техніці назву прямої гонки. Перед тим, як піддати прямій перегонці нафту, її в спеціальних устроях звільняють від води та розчинних у ній солей, головним чином солей кальцію та магнію. Присутність їх в перероблюваній нафті шкідливо впливає на перегонну апаратуру, прискорюючи її руйнування.
Зневоднену та знесолену нафту піддають прямій перегонці. При цьому добувають не готові продукти, а так звані дистиляти, які підлягають хімічній очистці для виділення сірчистих і смолоутворюючих сполук.
Перший дистилят, який добувається при перегонці нафти, називається сирим бензином, або газоліном. Дальшою розгонкою з нього добувають різні сорти бензину і петролейний ефір. Наступний дистилят, який кипить при температурі від 150 до 300°С, служить для добування різних сортів гасу. Залишок після відгону гасового дистиляту називається мазутом; він використовується для добування мастил шляхом перегонки або для добування бензину способом крекінга. Мазут застосовується також безпосередньо як котельне паливо. При перегонці мазуту під вакуумом (для усунення розкладу важких вуглеводнів) добувають мастила солярове, веретенне, машинне, циліндрове. Залишок після відгону мастил називається гудроном. При нагріванні гудрону з перегрітою водяною парою або ж при нагріванні з одночасним пропусканням крізь нього повітря гудрон втрачає леткі домішки й перетворюється на штучний асфальт.
Перші наукові дослідження високотемпературних перетворень нафти провів російський інженер-хімік О.О. Льотний (1849 – 1893). Він уперше встановив, що при температурі вище 800°С залишки від прямої розгонки нафти частково розкладаються на більш леткі продукти – бензин, гас, а також газоподібні вуглеводні (нафтовий газ) – найціннішу хімічну сировину. Це відкриття покладено в основу розробки крекінг-процесу.
Поняття про промисловий крекінг. Галузі використання нафти як хімічної сировини значно поширилися після винаходу методів розщеплення високомолекулярних вуглеводнів нафти на вуглеводні з меншою молекулярною масою. Найважливішими з цих процесів є крекінг-процес та піроліз.
Крекінг нафтопродуктів здійснюється з метою одержання легких вуглеводнів з важких, переважно для вироблення бензину. Таким чином, крекінг – це метод збільшення виходу бензину з нафти. Сучасні способи крекінга дають можливість одержувати моторне паливо високої якості.
Сировиною для крекінга є висококиплячі нафтопродукти – газойль, солярове масло, мазут, зрідка сама нафта.
У залежності від сировини, призначеної для крекінга, та від мети процесу (тобто від того, які продукти треба одержати) крекінг здійснюється по-різному: термічний крекінг під тиском 20 – 70 ат. при температурі 450 – 500°С; крекінг при низьких тисках (3 – 5 ат.) і температурі 550 – 600°С; каталітичний крекінг при 450°С і атмосферному тискові за наявності каталізаторів (активовані природні або синтетичні алюмосилікати). Застосовуються й інші види крекінга.
Хімізм процесу крекінга дуже складний. Основними первинними реакціями, які відбуваються при крекінгу, є реакції розкладання. При цьому з парафінів утворюються насичені вуглеводні і алкени. Реакції розкладання супроводжуються вторинними реакціями полімеризації, конденсації, гідрогенізації, ізомеризації, циклізації, ароматизації та ін., внаслідок чого водночас з утворенням газоподібних і дуже летких продуктів (бензину, гасу) утворюються в'язкі речовини, які киплять при температурі вище 300°С, а також твердого коксу.
У процесі крекінга утворюється багато газоподібних вуглеводнів, які є важливою сировиною для промисловості органічного синтезу.
ЛЕКЦІЯ №6
Алкени, алкіни, алкадієни. Реакції електрофільного приєднання.
Основні поняття
Алкани, алкени, алкадієни, електорфіли, реакції електрофільного приєднання.
План лекційного заняття:
Гомологічний ряд та ізомерія алкенів.
Добування та застосування алкенів.
Фізичні та хімічні властивості алкенів.
Гомологічний ряд та ізомерія алкадієнів
Добування та застосування алкадієнів
Фізичні та хімічні властивості алкадієнів
Гомологічний ряд та ізомерія алкінів.
Добування та застосування алкінів.
Фізичні та хімічні властивості алкінів.
Література:
Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. – М.: Высшая школа. – 1979. – 832с.
Домбровський А.В., Найдан В.М. Органічнахімія. – К.: Вища школа. – 1992. – 503с.
Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: в 2 книгах. – М.: Химия. – 1981. – Т.1,2. – 1134с.
Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии: В 2 книгах. – М.: Химия. – 1981. – Т.1,2. – 1020с.
Пальм В.А. Введение в теоретическую органическую химию. – М.:Высшая школа, 1974.
Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия. – М., 1982.
Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. – М.: Хрия, 1973.
Самусенко Ю.В., Шиян Н.І. Органічна хімія. – Полтава, 2003.
Смолина Т.А., Васильева Н.В., Куплетская Н.Б. Практические работи по органической химии. – М., 1986.
Тейлор Г. Основы органической химии для студентов нехимических специальностей: пер. с англ. – М.: Мир. – 1989. – 384с.