Физические свойства алканов
Парафины нефти представлены широким спектром числа атомов углерода – от С1 до С40. Первые четыре представителя класса алканов (С1–С4) – в обычных условиях газы. Газообразные алканы составляют основную часть природных и попутных газов, газов газоконденсатных месторождений, а также газов, образующихся при переработки нефти.
Природными называются газы, образующие самостоятельные месторождения. Главным компонентом их является метан (до 96-98%).
Попутными называются газы, сопровождающие нефть при её добыче. Наряду с метаном (содержание до 70%) в них содержатся этан, пропан, бутан и пары низкомолекулярных жидких углеводородов. В состав и природных и попутных газов входят наряду с углеводородами некоторые неорганические газы – азот, сероводород, гелий, углекислый газ и т.д.
Жидкие алканы содержатся в бензиновых и керосиновых фракциях. Наиболее подробно исследованы алканы бензинов, выкипающих до 150-180ºС (к ним относятся углеводороды состава С5–С10). Жидкие алканы входят в состав топлив для карбюраторных двигателей (бензины авиационный, автомобильный), для дизельных двигателей (дизельные топлива, газойль) и реактивных. В каждом топливе они выполняют определённую функцию и должны обладать определёнными свойствами. Алканы бензинов должны иметь высокую детонационную стойкость; алканы дизельных топлив должны обладать способностью легко воспламеняться; алканы реактивных топлив, кроме способности легко воспламеняться, должны обладать низкими температурами кристаллизации.
Алканы нормального строения обладают низким октановым числом, разветвлённые алканы имеют высокое октановое число, поэтому их присутствие желательно в карбюраторных топливах. Наиболее желательными компонентами дизельных топлив являются алканы с прямой цепью, так как они легче воспламеняются. В реактивных топливах обязательно наличие разветвлённых алканов, в то время как алканы с прямой цепью должны отсутствовать, так как их кристаллизация при пониженных температурах может стать причиной закупорки топливных фильтров двигателя.
Твёрдые алканы с числом атомов углерода в цепи 16 и более находятся во фракциях нефти, кипящих при температурах выше 300ºС, и представлены в виде парафинов и церезинов. Парафин – это твёрдое, белое полупрозрачное вещество с tпл=40-60ºС и плотностью 0,86-0,94г/см3. Средняя молекулярная масса парафина составляет величину порядка ~500 а.е.м., что соответствует углеводородам с 30-40 атомам углерода в цепи. Он содержит, в основном, смесь метановых углеводородов нормального строения. Церезин – это твёрдое воскообразное вещество с tпл=60-85ºС и молекулярной массой до 700 а.е.м., что соответствует углеводородам с 40-50 атомами углерода в цепи. Церезины обладают мелкокристаллической структурой, состоят из слаборазветвлённых изоалканов. По химическим свойствам церезины менее инертны, чем парафины. Они легко реагируют с серной, азотной, хлорсульфоновой кислотами. Парафины, наоборот, очень стойки на холоде к воздействию различных сильнодействующих реагентов и окислителей.
При перегонке парафины С16 и выше уходят в мазут, а церезины остаются в гудроне. Содержание твёрдых парафинов в нефти невелико, хотя может достигать 10% мас. Парафины и церезины находят разнообразное техническое применение во многих отраслях промышленности: электро- и радиотехнической, бумажной, спичечной, химической, кожевенной, парфюмерной и др. Наличие парафинов в масляных фракциях повышает температуру их застывания и уменьшает подвижность масел при низких температурах, поэтому масла подвергают специальной очистке от парафина – депарафинизации.
Для углеводородов нормального строения увеличение на –СН2– группу повышает температуру кипения в среднем на 30ºС. Если же сравнить температуры кипения алканов нормального и изострения, то разветвлённые углеводороды имеют более низкие температуры кипения, чем углеводороды с прямой цепью.
Показатели преломления и плотности у алканов меньше, чем у других углеводородов; эти константы возрастают с увеличением молекулярной массы. Между ними существует зависимость:
Газообразные алканы не обладают цветом и запахом, жидкие углеводороды имеют характерный запах, высшие алканы – без запаха; все они практически не растворимы в воде.