86755

Ациклические насыщенные углеводороды (парафины, алканы)

Лекция

Химия и фармакология

Детонационные свойства углеводородов. Природные источники насыщенных углеводородов Ациклические насыщенные углеводороды парафины алканы Алканы являются наиболее простыми органическими соединениями их молекулы построены только из атомов углерода и водорода связанных друг с другом простыми одинарными связями.

Русский

2015-04-10

151.5 KB

3 чел.

ЛЕКЦИЯ 4

АЛКАНЫ

План лекции 4

  1.  Ациклические насыщенные углеводороды (парафины, алканы).
  2.  Детонационные свойства углеводородов.
  3.  Природные источники насыщенных углеводородов

  1.  Ациклические насыщенные углеводороды

(парафины, алканы)

Алканы являются наиболее простыми органическими соединениями,  их молекулы построены только из атомов углерода и водорода,  связанных друг с другом  простыми (одинарными) связями. Насыщенные углеводороды широко распространены в природе и находят разнообразное практическое применение. Все остальные, более сложные по составу органические вещества, являются производными  алканов и могут быть получены из них заменой атомов водорода на другие атомы или атомные группы. Возможно и обратное, т. е.  превращение  других веществ путем химических реакций в углеводороды. Классификацию углеводородов см.  лекция 1, раздел 4. Насыщенные углеводороды в обычных условиях мало реакционноспособны и поэтому были так же названы парафинами  (от лат. parum affinis – недеятельные).   Общая формула для гомологов ряда метана имеет вид CnH2n+2, где  n = 1, 2, 3 и т.д.  Измерия и номенклатура алканов изложены в лекции 1.    

1.1. Физические свойства насыщеных углеводородов

Насыщенные углеводороды – бесцветные вещества, практически не растворимые в воде, с плотностью меньше 1. В зависимости от состава они представляют собой газообразные, жидкие или твердые вещества. При этом температура кипения, температура плавления и плотность отдельных членов в гомологическом ряду повышаются по мере увеличения массы молекулы.        Метан, этан, пропан и бутан при обычных условиях представляют собой газы; они почти не имеют запаха. Пентан и следующие за ним углеводороды (вплоть до С16Н34) – жидкости с характерным "бензиновым" запахом и различной, постепенно снижающейся летучестью. Высшие насыщенные углеводороды – твердые нелетучие вещества, не имеющие запаха. Ткип  и Тпл   углеводородов зависят не только от числа С–атомов в молекуле, но и от их строения. Нормальные углеводороды кипят выше, чем углеводороды изостроения и,  напротив, самую высокую Тпл   имеет тот изомер, цепь которого наиболее разветвлена.

Таблица 12  

Зависимость физических свойств изомерных углеводородов (пентанов) от строения.

Название

Состав

Строение

Ткип., оС

Тпл., оС

н.Пентан

С5Н12

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3

36,1

-129,8

2-метилбутан (изопентан)

С5Н12

27,9

-159,9

2,2-диметил- пропан    

 (неопентан)

С5Н12

9,5

-16,6

Отмеченные различия в свойствах углеводородов разного состава и строения используют при разделении их смесей, например, при перегонке нефти.

1.2. Химические свойства насыщенных углеводородов.

1.2.1. Общая характеристика. Насыщенные (предельные) углеводороды – это вещества, трудно вступающие  в реакции при обычных температурах. Алканы не способны к реакциям присоединения, но при определенных условиях они вступают в реакции замещения с разрывом С–Н связей, в результате которых атомы водорода замещаются другими атомами или группами атомов,  образуя  производные углеводородов. При воздействии высоких температур или химических реагентов молекулы алканов способны разлагаться с разрушением углеродного скелета. Поскольку связи  С–Н  малополярны, то их разрыв  происходит по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.  Этому способствует высокая температура и/или ультрафиолетовое (УФ) облучение.       1.2.2. Реакции радикального замещения.

Взаимодействие с галогенами. В обычных условиях хлор и бром реагируют с насыщенными углеводородами  очень медленно. Если встряхивать жидкий предельный углеводород с бромной водой, то после расслаивания жидкостей углеводородный слой окрашивается в желтый или коричневый цвет, т. к. бром лучше растворим в углеводороде и переходит в него из водного слоя; однако окраска  брома не исчезает, поскольку он практически не вступает в реакцию. Взаимодействие насыщенных углеводородов с хлором  или бромом ускоряется при нагревании и, особенно, при действии света. Галоген постепенно замещает  в молекулах алканов атомы водорода, образуя смеси галогенпроизводных углеводородов и выделяя галогеноводород. Например, при действии хлора на метан происходит постепенное замещение всех атомов водорода и образуется смесь хлорпроизводных:    

Реакция эта, как установил лауреат нобелевской премии Н. Н. Семенов, носит радикально–цепной характер и обозначается символом SR.  На первой стадии  реакции происходит распад молекулы хлора на два свободных радикала (атома), который называют зарождением или инициированием цепи:

Затем атомы хлора при столкновении с молекулой углеводорода отрывают Н-атом, образуя алкильные радикалы, которые отщепляют атом хлора от молекулы хлора с образованием галогеналкана и нового свободного радикала (Cl.). Выделившийся  Cl.  снова вступает в реакцию с другой молекулой  углеводорода, тем самым продолжая кинетическую цепь. Эта стадия, называемая рост цепи, продолжается достаточно долго, пока не произойдет обрыв цепи – любая реакция с потерей радикальных свойств:

.

При прямом  галогенировании более сложных углеводородов замещение водорода может происходить у различных углеродных   атомов. Например, уже при хлорировании пропана реакция протекает по двум направлениям – образуется смесь двух галогеналкилов:

 В этих реакциях  легче всего замещается Н-атом, связанный с третичным С-атомом, труднее – Н-атом от вторичного С-атома и наиболее трудно – от Сперв., что объясняют различной стабильностью образующихся алкильных радикалов. Третичные R более стабильны, поэтому ED связи  Стрет–Н ниже и, как следствие, выше скорость реакции замещения. Бромирование протекает более селективно, чем хлорирование, с образованием практически единственного продукта:

.

 Реакция с азотной кислотой (реакция нитрования). Конц. HNO3 при 20оС не взаимодействует с алканами, а при  нагревании окисляет их. В 1889г. М. И. Коновалов показал, что алканы можно нитровать, но разбавленной азотной кислотой при нагревании и под давлением. В этих условиях происходит замещение водорода в молекуле углеводорода на остаток азотной кислоты – NO2 (нитрогруппу):

Как и галогенирование, реакция нитрования протекает региоселективно – легче замещается Н-атом при Свтор.-атоме, что приводит к большему выходу 2-нитробутана.       Позже был разработан способ нитрование насыщенных углеводородов в газовой фазе, при котором пары алкана взаимодействуют с парами  азотной кислоты. Реакция сопровождается крекингом углеводородов, в результате чего образуется смесь мононитропроизводных. Так, при  нитровании этана образуются нитроэтан и нитрометан:

Нитросоединения алканов – бесцветные жидкости, не растворимые в воде, со слабым эфирным запахом.      Реакция с серной кислотой (реакция сульфирования). На холоде даже дымящаяся серная кислота (олеум) не действует на предельные углеводороды, но при высокой температуре она может их окислять. При  температуре 100оС разветвленные алканы  реагируют с олеумом, образуя  продукт замещения водорода  при Стрет. на остаток серной кислоты – SO2OH (сульфогруппу), называемый алкансульфоновыми кислотами:

.

Сульфокислоты предельных углеводородов с цепью из 8-20 атомов углерода нашли применение для получения детергентов – синтетических моющих средств.          1.2.3. Действие окислителей. При низких температурах предельные углеводороды устойчивы даже к действию сильных окислителей. Так, например, раствор KMnO4 или хромовая смесь (K2Cr2O7+H2SO4) при 20оС  не  окисляют предельные углеводороды и при действии на них не изменяют своей окраски.      При высоких температурах под действием кислорода воздуха алканы воспламеняются и сгорают с образованием СО2 и Н2О, выделяя большое количество тепла; на этом основано применение их в качестве топлива:

При сгорании 1 кг метана выделяется 55000 кДж тепла.    В настоящее время разработаны способы   окисления углеводородов  кислородом воздуха при низких температурах на катализаторах.  Из керосиновой фракции нефти путем окисления удается получить смеси высших жирных кислот, что можно представить схемой:

Окисление сопровождается разрывом углеродных цепей, поэтому образующиеся кислоты содержат меньше С-атомов, чем исходные углеводороды. Этот процесс имеет большое значение, так как высшие жирные кислоты  используют для приготовления свечей и разнообразных моющих средств.          1.2.4. Крекинг углеводородов. При высоких температурах (450—550оС) без доступа воздуха углеводороды  распадаются с разрывом углеродных цепей и образованием более простых алканов и непредельных углеводородов. Такой процесс называют крекингом (расщеплением). Разложение углеводородов при температурах 800оС и выше приводит к образованию простейших,  газообразных углеводородов; кроме того, при этом происходит замыкание углеродных цепей в циклы и образуются ароматические углеводороды. Этот процесс называют пиролизом. Применением в процессах крекинга и пиролиза специальных катализаторов и давления удается регулировать эти процессы и получать необходимые продукты.      1.2.5. Реакция дегидрирования. Эта реакция заключается в отщеплении от молекул алканов  водорода и приводит к образованию непредельных и циклических углеводородов. Она имеет большое промышленное значение. Дегидрирование алканов требует присутствия гетерофазного катализатора – Cr2O3, Pt, Pd, Ni. Например, образование пропилена:

  1.  Детонационные свойства углеводородов

2.1. Октановое число. Алканы входят в состав бензинов, используемых как горючее для  двигателей внутреннего сгорания. В цилиндре двигателя пары горючего подвергаются максимальном сжатию; при воспламенении входящие в его состав углеводороды мгновенно разлагаются со взрывом, образуя продукты полного сгорания (СО2, пары Н2О). Однако этот процесс может сопровождаться, так называемой, детонацией, т.е.  преждевременным взрывом горючего до достижения максимального сжатия.       При детонации происходит неполное сгорание (с образованием С, СО, Н2 и низших углеводородов), энергия топлива используется не полностью, нарушается ритм работы двигателя. Выяснено, что детонационные свойства углеводородов зависят от их строения: чем больше разветвлена цепь углеводорода, т. е. чем больше в его молекуле третичных и четвертичных углеродных атомов, тем меньше он склонен к детонации и тем выше его качество, как горючего; нормальные углеводороды наиболее  склонны к детонации. Так, высокими антидетонационными свойствами обладает входящий в состав  бензинов углеводород 2,2,4-триметилпентан (изооктан); крайне склонен к детонации н-гептан. Из изооктана и н-гептана готовят стандартные смеси, с детонационными свойствами которых сравнивают детонационные свойства различных сортов бензина, которые характеризуют, так называемым, октановым числом (о.ч.).  О. ч.  горючего, равное  85,  означает, что оно по детонационным свойствам подобно смеси, содержащей 85% изооктана и 15% н-гептана.

.

Высококачественное горючее для авиационных и автомобильных моторов должно иметь о.ч. выше 90, то есть высокооктановые бензины должны быть богаты углеводородами с разветвленной углеродной цепью.  Антидетонационные свойства бензинов могут быть повышены добавлением к ним различных веществ (антидетонаторов), например, тетраэтилсвинец (С2Н5)4Pb, соли марганца.

2.2. Цетановое число. Совершенно иные требования предъявляются к дизельному топливу. В этом случае горючее впрыскивается в камеру с нагретым воздухом и должно сгореть со взрывом. Поэтому здесь "способность к воспламенению" играет положительную роль. Идеальным топливом для дизелей является  н–цетан (н-гексадекан) с цетановым числом 100; эталоном наиболее плохого дизельного топлива является -метилнафталин  (цетановое число 0):

 В качестве дизельного горючего  особенно пригодны средние фракции нефтей,  кипящие в пределах 230-290 оС.  Для повышения способности дизельных масел к воспламенению к ним добавляют органические    нитросоединения    в   качестве,   так   называемых,   ускорителей зажигания.

  1.  Природные источники насыщенных углеводородов

 Каждый класс органических веществ, в том числе предельные углеводороды, характеризуется рядом общих методов синтеза. Последние позволяют судить о связи соединений данного класса с веществом других классов и о путях их взаимных превращений. Кроме того, синтез веществ из других соединений, строение которых известно, служит одним из лучших способов доказательства строения этого вещества. Синтез алканов из ненасыщенных углеводородов, галогенпроизводных углеводородов, карбоновых кислот и их солей, а также оксосинтез см. в [1}, стр. 186-189. Основное количество алканов используют  в виде их смесей и получают из природных ископаемых – нефти, газа, сланцев, горного воска.       Природные горючие газы представляют собой смеси газообразных углеводородов; они содержатся  в земной коре, образуя иногда огромные газовые месторождения. Кроме того, горючие газы сопутствуют нефти (природный нефтяной газ)  и часто в больших количествах выделяются из скважин в процессе нефтедобычи (попутный нефтяной газ). Главная составная часть природных газов – метан. Нефтяной газ наряду с метаном содержит этан, пропан, бутан и изобутан.  Природный газ – дешевое и эффективное топливо, используемо как в промышленности, так и в быту, а также  ценное химическое сырье. Особенно перспективно использование для химической промышленности попутного нефтяного газа: содержащиеся в нем углеводороды являются исходными веществами для получения синтетического каучука, пластических масс и других синтетических материалов.   Нефть – природное ископаемое, представляющее собой  сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она является ценнейшим продуктом, с использованием ее связаны самые разнообразные отрасли хозяйства. Состав нефти неодинаков в различных месторождениях. Некоторые нефти содержат значительные количества ароматических углеводородов. Нефть состоит как  из жидких, так и растворенных в ней твердых и газообразных углеводородов. При большом содержании газов нефть иногда под их давлением фонтанирует из буровых скважин.     Нефть – эффективное и дешевое топливо. Кроме того, она является наиболее ценным химическим сырьем, на основе которого получают синтетический каучук, пластмассы  и т.д.  Путем перегонки из нефти получают продукты различного назначения. Главный  способ переработки нефти – фракционирование (перегонка), при котором (после предварительного удаления газов) выделяют следующие основные нефтепродукты:

  •  Бензин (сырой) (С512), Ткип. 40-190 оС, плотность 0,700-0,780 г/см3
  •  Лигроин (смесь углеводородов С713), Ткип. 120-235 оС, плотность 0,785-0,795 г/см3. Применяется как наполнитель жидкостных приборов, экстрагент.
  •  Керосин (С916), Ткип. 200-300 оС, плотность 0,790-0,846 г/см3.
  •  Газойль (С1520), Ткип. 220-450 оС, плотность 0,820-0,919 г/см3.
  •  Нефтяные остатки (мазут).   

Бензиновая фракция содержит углеводороды с 5-12 атомами углерода. Повторными разгонками из нее выделяют петролейный или нефтяной эфир (Ткип. 40-70 оС), бензины различных назначений – авиационный, автомобильный (Ткип. 70-120 оС) и другие. Керосиновая фракция содержит углеводороды с 9-16 углеродными атомами, а нефтяные остатки (мазут) – смесь высших углеводородов.   Из мазута при температуре выше 300 оС отгоняется некоторое количество не разлагающихся при этой температуре продуктов, которые называют соляровыми маслами и применяют в качестве различных смазочных средств. Кроме того, из мазута путем очистки, перегонки под уменьшенным давлением или с водяным паром получают и такие ценные продукты, как вазелин и парафин (последний представляет собой смесь твердых углеводородов, которыми особенно богаты некоторые сорта нефти). Остаток после переработки мазута – так называемый гудрон – применяют для покрытия дорог. Мазут используют и непосредственно как топливо.       Наиболее ценными для современной техники продуктами переработки нефти являются бензины. Однако, при прямой перегонке из нефти получается не более 20 % бензиновой фракции. Выход ее может быть увеличен до 60-80 % при помощи крекинга высших нефтяных фракций. Первая установка по крекингу нефти была построена в 1891г. в России инженером В. Г. Шуховым.      Различают следующие основные типы крекинга:

  •  Жидкофазный, при котором сырье (мазут) подается в печи крекинга в жидком виде;
  •  Парофазный, когда сырье подается в виде паров;
  •  Каталитический, при котором сырье разлагается на специальных катализаторах.

В зависимости от типа крекинга получаются крекинг– бензины, отличающиеся по составу и имеющие различные назначения.   При крекинге наряду с жидкими бензиновыми углеводородами получаются более простые газообразные, главным образом непредельные углеводороды. Они образуют, так называемые, газы крекинга (до 25 % от крекируемого нефтепродукта) и являются ценным промышленным источником непредельных углеводородов. Некоторое количество легкого бензина может быть получено путем сжатия из нефтяного газа, при этом содержащиеся в нем пары бензиновых углеводородов сгущаются, образуя так называемый газовый бензин.   Горный воск, или озокерит, представляет собой смесь твердых углеводородов. Запасы его найдены на острове Челекен в Каспийском море, в Средней Азии, в Краснодарском крае, в Польше. Из озокерита выделяют твердое вещество церезин – заменитель воска.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37501. Философия. основные понятия 349 KB
  3 филое Отличается стремлением рационально объяснить мир. Философия как нкука ее предмет структура и фии. Первые фил. Фил.
37503. Философия. Ответы к экзамену 368.5 KB
  Осознание специфики человека. Все – животные растения объекты вроде Солнца и весны – рассматриваются как существа похожие на человека живущие и действующие так же как он. Философское произведение обращается не только к разуму но и к чувствам человека доставляет эстетическое переживание. Их объединяют в первую очередь рассматриваемые проблемы как устроен мир каково назначение человека как ему следует жить Принципиальное различие состоит в том что ф.
37504. Философия. Тесты 79.5 KB
  Социальнофилософским учением является 1.в этом проявляется безусловный рефлекс 4.Учение Платона о первичности мира идей вне зависимости от субъективного отношения к нему является 1.Основателем теории объясняющей роль бессознательного в жизни человека и общества является 1.
37505. Философия эпохи Возрождения 60 KB
  Для характеристики человека он вводит понятие микрокосм в нем как бы свернут большой космос он так же сложен так же важен подобен Вселенной. Человек в бесконечности – что он значит Но: в эпоху Возрождения сформировалась альтернативная культурная ориентация подчеркнувшая как раз достоинство человека. Гуманизм – это мировоззренческий принцип согласно которому признается безусловная ценность человека как личности его права на свободное развитие и проявление своих способностей утверждается благо человека как критерий оценки...
37506. Философия Платона, концепция идей 12.37 KB
  Для каждой вещи фиксируется ее смысл идея которая как выясняется для любой вещи данного класса вещей одна и та же и обозначается одним именем. Идея это то самое единое которое составляет суть многообразия. Итак проблему единого и многого Платон разрешает следующим образом: единое это идея а ее проявления это многое. Какая идея наиважнейшая Платон не считал все идеи равнозначными.
37507. Особенности Русской философии 72.99 KB
  Учитывая весь тысячелетний опыт русской истории можно говорить об исторической миссии России. Миссия России определяется ее положением среди других народов тем что в ее составе объединилось до трехсот народов больших великих и малочисленных требовавших защиты. Культура России сложилась в условиях этой многонациональности. на новом витке развития России Русская идея стала предметом пристального внимания русских мыслителей.
37508. Философия. Основные понятия и термины 95.72 KB
  ИСТОРИЯ ТЕХНИКИ – наука о развитии технических систем см. С точки зрения естественных наук история техники изучает этапы овладения человеком законами природы что обеспечивает более глубокое и разностороннее использование и применение вещества и энергии природы. С социальной точки зрения история техники изучает общественные движущие силы общественные условия развития техники и роль творцов техники. К наиболее крупным периодам истории техники относятся: история каменного века и ручных орудий техники машин и механизации техники...