Номенклатура.
По международной номенклатуре (правила ИЮПАК) все ароматические углеводороды объединяют названием – арены. Соответственно, их одновалентные остатки, образованные отнятием водорода от углеродных атомов ядра (одновалентные ароматические радикалы), называют арилами и обозначают - Ar. Остаток бензола – С6Н5 называется фенилом.
Ароматичность — особое св-во некот. хим. соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщ. связей прояв. аномально выс. стабильность; большую чем та, которую можно было бы ожидать только при одном сопряжении.
Стабильность циклич. систем. Валентный угол (угол между связями) в ненапряженном фрагменте С-С-С составляет 109°, и кольца, в которых сохраняется это значение, более стабильны, чем те, где углы сильно отклоняются от этого значения. Напряжение, возникающее в циклических системах в результате искажения валентных углов, носит название байеровского - по имени немецкого химика А. Байера, впервые предложившего такое объяснение устойчивости насыщенных колец. Так, в трехчленных кольцах, где валентный угол составляет всего 60°, кольца сильно напряжены и легко разрываются; некоторые из их реакций напоминают реакции двойной связи С=С. Четырехчленные кольца также напряжены (валентный угол 90°), но не столь сильно. Пятичленные кольца почти плоски и их углы равны 108°; поэтому они ненапряжены и стабильны. В таких шестичленных кольцах, как циклогексан, атомы углерода не лежат в одной плоскости; такие циклы являются складчатыми, что уменьшает напряжение кольца. Пяти- и шестичленные кольца являются наиболее обычными. Большие кольца также способны снижать угловое напряжение путем образования складок, но в некоторых из них (от семи- до двенадцатичленных) атомы водорода на противоположных сторонах кольца сближаются настолько, что их отталкивание делает соединение менее стабильным (прелоговское напряжение, по имени швейцарского химика В.Прелога, открывшего этот эффект).
Ориентации правила , в органической химии определяют порядок замещения в ароматическом кольце при наличии в нём заместителя (ориентанта). При электрофильном ароматическом замещении) ориентанты I рода (OH, OR, OCOR, SH, SR, NH2, NHR, NR2, алкилы, галогены) направляют замещение в орто- и пара-положения кольца, ориентанты II рода (SO3H, NO2, COOH, COOR, CN, CF3, , CHO) — в мета-положение; при наличии ориентантов менее ярко выраженной природы (NO, RCO, CHCl2, CH2NO2) наблюдается смешанная ориентация . Ориентирующий эффект обусловлен электронным влиянием заместителя на перераспределение электронной плотности в молекуле по системе простых (индуктивный I-эффект) и сопряжённых (мезомерный М-эффект) связей. Введение ориентантов I рода увеличивает электронную плотность бензольного кольца в целом, но особенно в орто- и пара- положениях, введение ориентантов II рода соответственно уменьшает.
№5
Сырьевые источники органических соединений.
Органическая химия – это раздел химической науки, в котором изучаются соединения углерода – их строение, свойства, способы получения и практического использования.Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.
Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы.
Органические соединения – это углеводороды (соединения углерода с водородом) и их производные. Благодаря особым свойствам элемента углерода, органические соединения очень многочисленны. Сейчас известно свыше 20 миллионов синтетических и природных органических веществ, и их число постоянно возрастает. Сырьевые источники органических веществ: нефть, природный газ, попутные нефтяные газы, каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф, древесина и сельскохозяйственные растения.
Нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях в бескислородных условиях. Считается, что основным исходным веществом нефти обычно является зоопланктон и водоросли, обеспечивающие наибольшую биопродукцию в водоёмах и накопление в осадках органического вещества сапропелевого типа, характеризующегося высоким содержанием водорода.
Технологические процессы нефтеперерабатывающего завода принято классифицировать на следующие две группы: физические и химические.
1. Физическими (массообменными) процессами достигается разделение нефти на составляющие компоненты (топливные и масляные фракции) без химических превращений и удаление (извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсата и газов нежелательных компонентов (полициклических аренов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводных соединений. Физические процессы по типу массообмена можно подразделить на типы:
2. В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных нефтеперерабатывающих заводах, по способу активации химические реакции подразделяют на:
Фракции:
н.к. (начало кипения)— 140°С — бензиновая фракция 140—180°С — лигроиновая фракция (тяжелая нафта) 140—220°С (180—240°С) —керосиновая фракция 180—350 °С (220—350 °С, 240—350 °С)— дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят)
Соединения сырой нефти – это сложные вещества, состоящие из пяти элементов – C, H, S, O и N, причем содержание этих элементов колеблется в пределах 82–87% углерода, 11–15% водорода, 0,01–6% серы, 0–2% кислорода и 0,01–3% азота.
Углеводороды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.
Поскольку углерод имеет четыре валентных электрона, а водород — один, простейший углеводород — метан (CH4).При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода. В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.
Смолисто-асфальтовые вещества - сложная смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти, содержание которых достигает 10-50 % масс. Смолисто-асфальтовые вещества представляют собой гетероорганические соединения гибридной структуры, включающие в состав молекул азот, серу, кислород и некоторые металлы. Смолисто-асфальтовые вещества объединяют две большие группы высокомолекулярных соединений нефти - смолы и асфальтены.Смолы. Состав и свойства нефтяных смол зависят от химической природы нефти. Несмотря на различную природу нефтейразличных месторождений, содержание углерода и водорода в смолах колеблется в сравнительно узких пределах (в % масс.) С- от 79 до 87, Н- от 9-11. Смолы представляют собой очень вязкие малоподвижные жидкости, а иногда и твёрдые аморфные вещества от тёмно-коричневого до бурого цвета. Плотность их близка к 1,1 г/мл, молекулярная масса от 600 до 1000.Асфальтены являются более высокомолекулярными соединениями, чем смолы. Они отличаются от смол не только несколько меньшим содержанием водорода, но и более высоким содержанием гетероатомов. Предполагают, что асфальтены являются продуктами конденсации смол.
КА́МЕННЫЙ У́ГОЛЬ, твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения. Представляет собой плотную породу черного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода; 1,5-5,7% водорода; 1,5-15% кислорода; 0,5-4% серы; до 1,5% азота; 45-2% летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14%; золы — обычно от 2-4% до 45%. Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения (метаморфизм) в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры. Каменный уголь залегает в виде пластов различной мощности. Наибольшие запасы (более 90%) сосредоточены в Северном полушарии. Существует 2 основных способа добычи каменного угля: открытый (карьерный) и закрытый (шахтный). Используется в коксохимическом производстве, как энергетическое топливо, а также для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива,смазочных масел, пластмасс и т.п.
Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ.
Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.
Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 92 до 98 %.
В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при больших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.Природный газ находится в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров. В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом минерального топлива.
№6
Существует первичная и вторичная переработка:
Первичная называется прямая фракционная перегонка или дисциляция, при этом из нефти выделяют несколько фракций: до перегонки от нефти отделяют отделяют газы, пропан и бутан. В результате перегонки получают бензиновую фракцию (легкий бензин, бензин, либроин), t 50-195 градусов. Киросиновая фракция: керосин и газойды, t 180-300 градусов. Мазут выше 300 градусов. При дисциляции мазута получают соляровые, смазочные масла и остаток гудрон.
Вторичная переработка: наиболее ценными нефте продуктами являются легкие бензиновые фракции нефти. Для повышения выхода бензиновых фракций при улучшении их качества более тяжелые нефти продукты подвергают дополнительной переботки.
Термический крекинг: высокая температура 450-600 градусов и повышенное давление. Термический крекинг получает бензин, техн. углерод.
Каталический крекинг: 450-525 градусов. Катализаторы оксиды Al, Fe, Ca, кремний. Протекает быстрее термического.
Углеводороды дополнительно подвергаются изомеризации. Изомеризация - превращение химического соединения в изомер. Процесс изомеризации направлен на получение высокооктановых компонентов товарного бензина из низкооктановых фракций нефти путем структурного изменения углеродного скелета.
Пиролиз – термическое разложение, температура 700-1000 градусов, получают легкие алкены и ароматические углеводороды.
Коксование — процесс переработки твёрдого топлива нагреванием без доступа кислорода. При разложении топлива образуются твёрдый продукт — кокс и летучие продукты.
Полимеризация— процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует т.наз. мономерное (структурное) звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков.
Процесс алкилирования направлен на получения высокооктановых компонентов автомобильного бензина из непредельных углеводородных газов. В основе процесса лежит реакция соединения алкена и алкана с получением алкана с числом атомов углерода, равным сумме атомов углерода в исходномалкене и алкане. Поскольку наибольшим октановым числом обладают молекулы алканов с изо-строением, то молекулы исходного сырья тоже должны иметь изо-строение. В нефтепереработке наибольшее распространение получило сырье алкилирования бутан-бутиленовая фракция (ББФ), которая получается в процессе каталитического крекинга.
Ароматизация нефтепродуктов, химическая переработка нефтяных продуктов с целью увеличения содержания в них ароматических углеводородов путём превращения углеводородов с открытой цепью в углеводороды циклического строения.
Гидрокрекинг — один из видов крекинга, переработка высоко кипящих нефтяных фракций, мазута, вакуумного газойля или деасфальтизата для получения бензина, дизельного и реактивного топлива, смазочных масел, сырья для каталитического крекинга и др. Проводят действием водорода при 330—450°С. В процессе гидрокрекинга происходят следующие превращения:1. Гидроочистка — из сырья удаляются сера-азотсодержащие соединения; 2. Расщепление тяжелых молекул углеводорода на более мелкие; 3. Насыщение водородом непредельных углеводородов.
Важнейшие нефте продукты: топлевные, растворительные масла.
Сжигание угля, нефтепродуктов, газа, битумов и других веществ сопровождается поступлением в атмосферу, почвы и водную среду значительных масс канцерогенных веществ, среди которых особенно опасны полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и бенз(а)пирен (БП). Автотранспорт, авиация, коксохимические и нефтеперегонные заводы, нефтепромыслы способствуют загрязнению окружающей среды этими канцерогенами. Антропогенные источники выбрасывают в атмосферу канцерогенный 3,4-бензпирен, другие токсичные соединения.
№7
Галогенпроизводные УВ– соединения, содержащие в составе 1 или неск. атомов галогена, кроме С и Н.
Классификация: различают моногалогенопроизводные, в молекулах котор. Имеется 1 атом галогена, и полигалогенопроизводные, содержащие неск. атомов галогена. Последние в свою очередь подразделяются на ди-, три-, тетра- и т.д. галогенопроизводные.
Номенклатура : рациональная и систематическая.
По рациональной номенклатуре называют галоген с добавлением окончания – истый и радикал, с которым он связан.
Галогенопроизводные могут быть первичные, вторичные, третичные, в зависимости от того, у какого углеводного атома находится галоген, в этом случае к названию прибавляется соответствующие обозначения.
По систематической номенклатуре ГП называют как углеводорец, но перед названием углеводорода помещают название галогена и цифру, указывающую его положение. Выбор главной цепи и ее нумерация определяют функциональной группой – в данном случае галогеном.
Физ. св-ва:
Первые четыре члена фторпроизводных, два хлорпроизводных и бромистый метил – газы.
Все остальные галогеналкины- жидкости, а высшие – твердые вещества.
Хим. св-ва:
1.При каталитическом гидрировании галогеналкилов ( Ni, Pt, Pb) происходит замещение атома галогена водородом:
СН3СН2Cl + Н2 СН3СН3 + НCl
2.Действием раствора солей галогеноводородных кислот в спирте или ацетоне на галогенопроизводные можно заменить один галоген другим:
СН3 –СН2 – Сl + NаI → СН3 –СН2 – I + NaCl
3.Большое значение (для получения спиртов из углеводородов) имеет реакция галогеналкилов с водой (ГИДРОЛИЗ). Гидролиз ведут в присутствии едких щелочей или карбонатов щелочных металлов при нагревании, иногда выше температуры кипения воды ( в автоклаве):
СН3 – СН2 – Cl + H2O ⇄ СН3 – СН2 – OH + HCl
СН3 – СН2 – Cl + NaOH → СН3 – СН2 – OH + NaCl
Водный р-р
4. Реакция Вюрца с активным щелочным металлом Na:
2C2H5Cl + 2Na → C2H5 – C2H5 + 2NaCl
2C2H5Br + 2Na → C2H5 – C2H5 + 2NaBr