2. Химический состав нефти
2.1. Углеводороды нефти и нефтепродуктов
Углеводороды – наиболее простые по составу органические соединения. Их молекулы построены из атомов только двух элементов – углерода и водорода. Общая формула CnHm. Они различаются по строению углеродного скелета и характеру связей между атомами углерода (схема 1).
По первому признаку их делят на ациклические (алифатические) углеводороды, молекулы которых построены из открытых углерод – углеродных цепочек, например, гексан и изогексан:
СН3
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 СН3-СН-СН2-СН2-СН3 ,
гексан изогексан
и циклические (карбоциклические) углеводороды.
Карбоцикличекие углеводороды, обладающие особыми свойствами («ароматический характер»), получили название ароматических, например:
Другие карбоциклические углеводороды, например, циклогексан, называются алициклическими:
По характеру связей между углеродными атомами углеводороды могут быть насыщенные, или предельные (алканы), и ненасыщенные (непредельные). Последние могут содержать разное количество двойных (алкены, алкадиены, циклоалкены и др.), тройных (алкины, циклоалкины и др.) связей или те и другие одновременно:
Схема 1. Классификация углеводородов
2.2. Алканы
2.2.1. Строение, изомерия, структурные формулы
Строение, изомерия. Алканы – алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (σ-связь). Осюда и другое их название – предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов – метан СН4. В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp3- гибридизации.
Общая формула соединений этого ряда СnH2n+2. Каждый последующий его представитель отличается от предыдущего на группу CH2 (метиленовая группа, табл. 2). Такой ряд родственных органических соединений с однотипной структурой, близкими химическими и закономерно изменяющимися физическими свойствами называется гомологическим рядом; члены этого ряда – гомологами.
Гомологический ряд алканов по названию его первого представителя часто называют рядом метана. Три первых соединения этого ряда не имеют изомеров. Начиная с бутана, наблюдается явление изомерии, т.е. существование нескольких соединений с одинаковым качественным и количественным составом, с одинаковой молекулярной массой, но различными физическими и химическими свойствами.
Строение бутана С4Н10 может быть представлено с помощью двух формул:
Такой вид изомерии называют структурной изомерией (в данном случае – изомерия углеродного скелета). Углеводороды с неразветвлённой углеродной цепью называют углеводородами «нормального строения (н-бутан). С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана число изомеров быстро возрастает; так, для углеводорода С5Н12можно написать формулы трёх изомеров:
Гексан (С6) имеет 5 изомеров; декан (С10) – 75, эйкозан (С20) – 336319.
Приведённые формулы изомеров бутана и пентана называют структурными. Они показывают не только какие атомы и в каком количестве входят в молекулу данного соединения, но и отражают порядок и характер связей между ними. Различают полную, или развёрнутую, структурную формулу:
изооктан
и краткую, или звеньевую:
изооктан
В изооктане имеется четыре типа углеродных атомов: атомы 1,5,6,7,8 связаны только с одним углеродным атомом – такие атомы углерода называют первичными, атом 3 с двумя – вторичный атом, атом 4 с тремя – третичный углеродный атом. Углеродный атом 2 называется четвертичным. Соответственно первичными, вторичными и третичными называются связанные с ними атомы водорода.