Углеводороды

Углеводороды – это органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода. Один из характерных признаков таких веществ – это наличие гомологических рядов. Соотношение между водородом и углеродом находится в пределах 10–90 % и зависит от конкретной формулы вещества.

Классификация углеводородов

Классификация углеводородов осуществляется на основе нескольких параметров. При этом учитываются две основные характеристики.

№ 1. Вид углеродного скелета

По этой характеристике все высокоуглеводородные соединения и продукты делятся на две группы.

Алифатические. Молекулы имеют открытую структуру, которая может быть простой (линейной) или иметь разветвления. К алифатическим углеводородам такого типа относятся следующие.

Алканы, они же парафины. Общая формула выглядит как СnH2n+2. Атомы углерода связаны между собой простой связью, а валентности полностью насыщены водородом. Поэтому второе название – это предельные (насыщенные) углеводороды. Гомологический ряд первым начинается с метана (СН4). С увеличением количества атомов углерода пропорционально растет удельная плотность, повышается температура точек кипения/плавления. Первые 4 представителя гомологического ряда – газы. Углеводороды с 5–15 атомами углерода жидкие, а остальные (С15Н32 и далее) – твердые. Все алканы не имеют запаха и не растворяются в воде.

Алкены, они же олефины. Это непредельные (ненасыщенные) углеводороды. Состав описывается формулой СnH2n. Строение углеводородов-алкенов предусматривает наличие нескольких сигма- и одной пи-связи в отличие от предыдущей категории. Первым идет этилен (С2Н4), поэтому такой ряд называют также этиленовым. Алкены кипят и плавятся при более низких температурах, чем аналоги-парафины. Первые три углеводорода – газы, от C5Н10 до C16Н32 – жидкости, далее – твердые фазы. Олефины легче воды, растворяются в органических растворителях, но не водорастворимы.

Алкины. К ним относят соединения с общей формулой СnH2n-2. Структура содержит имеют одну тройную связь. Примеры углеводородов такого типа – ацетилен (С2Н2). Он открывает гомологический ряд, поэтому тот получил название ацетиленового. Первые три алкина – это газы. Соединения С5–С16 – жидкости. Более тяжелые углеводороды от С16Н30 – твердые. Растворимость та же, что и у предыдущей категории.

Алкадиены (диеновые). Имеют ту же формулу, что и алкины (СnH2n-2). Но отличаются тем, что имеют пару двойных связей, а не одну тройную. Ряд начинается с бутадиена СН2=СН–СН=СН2, это зловонный бесцветный газ. Высшие диеновые углеводороды – это твердые вещества.

Карбоциклические (с закрытой цепью). Все виды углеводородов данной категории содержат циклы из трех и более атомов углерода.

Они делятся на две группы:

• алициклические. Это циклоалканы (СnH2n) и циклоалкены (СnH2n-2). Первые имеют только сигма-связь, вторые одну двойную (π). Циклоалканы отличаются более высокими точками кипения и плавления. Алициклические углеводороды практически не растворяются в воде;
• ароматические (арены). Это вещества, имеющие в структуре особую циклическую группу из 6 атомов углерода (бензольное кольцо). Общая формула углеводорода такого строения – СnH2n-6. Впервые соединения такого типа были получены из природных источников и отличались специфическим ароматом. Поэтому они получили название «ароматические». Наиболее известный углеводород данной группы – это бензол с формулой С6Н6. Все ароматические вещества – это бесцветные жидкости с характерным запахом. Они легче воды и не растворяются в ней, зато сами являются прекрасными растворителями. Следует помнить, что такие углеводороды в большинстве своем токсичны и представляют опасность для человека и окружающей среды.

№ 2. Тип химической связи

Это более простая классификация. По типу химической связи углеводородные соединения подразделяются на такие классы углеводородов:

• насыщенные (предельные). Описываются формулой СnH2n+2. Предельный углеводород имеет такое строение, при котором углерод и водород соединены простой молекулярной связью. К ним относится ряд метана (алканы);
• ненасыщенные (непредельные). Имеют кратные связи между атомами. Могут иметь тройную, одну или две двойных связи. В первом случае описываются формулами СnH2n (алкины или олефины), во втором – СnH2n-2 (диолефины или диены). Углеводороды с одной тройной водородной связью имеют формулу СnH2n-2 и называются алкинами или ацетиленами.

Вторая группа отличается от первой более высокой реактивностью: она легко вступает в реакцию присоединения по месту разрыва двойной или тройной связи. Предельные углеводороды – это соединения с одинарной связью, которую разорвать не так легко.

Природные источники углеводородов

Главными источниками веществ с углеводородной основой являются попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь и нефть. Так как практическое применение этих соединений основано на теплотворной способности (выделении тепла при сгорании), их также называют горючими ископаемыми.

Природный газ

Представляет собой газообразное полезное ископаемое, содержащее 75–98 % метана (СН4). В нем также содержатся другие соединения метанового гомологического ряда: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) и следы более тяжелых углеводородов. Кроме перечисленных соединений, природный газ содержит также азот, углекислый газ, сероводород. Содержание последнего и его производных (тиолов) может достигать 5–25 %. Чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.

Особенности. К ним относятся следующие:

• он образуется в природных условиях при анаэробном сбраживании растительных и животных остатков. Реакция проходит без доступа воздуха. Чаще всего природный газ образуется в донных отложениях, например на болотах, поэтому может называться «болотным»;
• исходный состав не имеет запаха. Для определения утечки в природный газ добавляют меркаптаны со специфическим неприятным запахом;
• природный газ является возобновляемым ресурсом, так как непрерывно синтезируется в природе.

Области использования. Основными сферами применения являются энергетика и химическая промышленность. Природный газ сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и используется как сырье для выделения метана, этана, пропана, бутана, а также в синтезе ряда органических веществ.

Попутный нефтяной газ (ПНГ)

Это газы, растворенные в нефти или расположенные над нефтяными пластами. Примерное соотношение газообразных углеводородов таково: 31 % – метан, 21,5 % – пропан, по 20 % – бутан, пентан и гексан, 7,5 % – этан. В отличие от природного газа попутный в основном содержит пропан и изомеры бутана. ПНГ образуется также путем естественного крекинга нефти. Поэтому он содержит предельные и непредельные углеводороды, азот, аргон, углекислый газ.

Особенности добычи. На каждую тонну добытой нефти приходится около 50 м³ ПНГ. Выделение попутного нефтяного газа связано с тем, что, будучи растворен в жидкости под высоким давлением, он снова выделяется на поверхность при снижении последнего. До середины XX века ПНГ сжигали в факелах как побочный продукт нефтедобычи в связи с тем, что не была разработана технология его использования. При этом наносился двойной ущерб:

• впустую терялся ценный источник углеводородов;
• продукты сжигания загрязняли атмосферу.

С разработкой технологии улавливания попутные газы стали использоваться во многих отраслях народного хозяйства.

Применение. В России попутные нефтяные газы в качестве энергоносителя впервые стали применяться на Сургутской ГРЭС. В 1985–88-м на ней были запущены 6 основных энергоблоков, работающих на ПНГ. Кроме этого, попутные газы используются на газоперерабатывающих заводах для получения предельных и непредельных углеводородов: метана, бутана, пропана, «газового» бензина и других органических соединений.

Нефть

Представляет собой природную смесь жидких углеводородов с характерным запахом. Нефть легче воды и не растворяется в ней. В зависимости от преобладания легких или тяжелых фракций цвет жидкости варьируется от светло-бурого до черного цвета.

Химический состав. Он зависит от конкретного месторождения. По своему составу нефти делятся:

• на парафиновые. Отличаются высоким содержанием алканов (парафинов). Это грозненская и ферганская нефть, а также та, что добывается в штате Пенсильвания;
• нафтеновые. В составе преобладают нафтены (циклоалканы). К этой группе относится бакинская нефть;
• ароматические. Содержит большое количество углеводородов с одним или более бензольными кольцами. Это пермская нефть.

Однако чаще всего встречаются составы смешанного типа. В небольшом количестве нефть может содержать кислородсодержащие компоненты: альдегиды, кетоны, эфиры и т. д. Важной характеристикой является содержание серы. По этому показателю нефть делится на малосернистую (<0,6 %), сернистую (0,61–1,8 %), высокосернистую (1,81–3,5 %) и особо высокосернистую (>3,5 % серы).

Сферы применения. В природном виде нефть почти не используется, поэтому ее перерабатывают. Различают два вида переработки. Это:

• первичная. Это физический процесс. Природная нефть очищается от попутных газов и подвергается перегонке, в результате чего происходит разделение на фракции – ректификационные газы, бензин, лигроин, керосин и газойль. Остаток от перегонки – это черная вязкая жидкость (мазут), из которой выделяют смазочные масла, вазелин и парафин. После их выделения остается гудрон, использующийся в производстве асфальта;
• вторичная. Это химический процесс, при котором изменяется структура углеводородов, входящих в состав нефти. Применяют следующие виды вторичной переработки:

• крекинг. Представляет собой процесс расщепления углеводородов до компонентов с меньшим молекулярным весом. Крекинг используется для повышения выхода бензина до 65–75 %;
• пиролиз. Заключается в разложении углеводородов при высокой температуре без доступа воздуха. Пиролизом получают непредельные и ароматические органические соединения;
• риформинг. Предназначен для ароматизации бензинов путем их нагревания в присутствии катализатора (платины).

Каменный уголь

Это плотная осадочная порода черного, реже темно-серого цвета. Каменный уголь – это продукт глубокого разложения остатков растений, росших миллионы лет назад. Это папоротники, плауны, хвощи, а также первые голосеменные представители растительного мира. Органическая составляющая каменного угла содержит от 75 до 92 % углерода, 1,5–15 % кислорода и 2,5–5,7 % водорода. В промышленности применяются следующие способы переработки каменного угля:

• высокотемпературный пиролиз (коксование). Нагрев без доступа воздуха до +700…+900 °С. При этом образуется кокс, аммиачная вода, газы и каменноугольная смола. Последняя подвергается перегонке для получения ароматических углеводородов;
• низкотемпературный пиролиз (полукоксование). Нагрев без доступа воздуха до +500 °С. Образуется каменноугольная смола, углеродистый твердый остаток (полукокс) и горючий газ. Полученные соединения используются в качестве топлива и для дальнейшего органического синтеза.

Другие способы переработки каменного угля, например гидрирование или газификация, – это технологические модификации пиролиза.

Теория неорганического происхождения нефти

Многие ученые XIX века предполагали, что нефтяные месторождения образуются в природе в результате вулканической деятельности. Д. Менделеев в 1877 году выдвинул карбидную (абиогенную) теорию происхождения нефти. Ее основные положения таковы:

• место образования углеводородов – мантийные очаги, где происходит частичное плавление горных пород;
• углеводороды образуются из водорода и углерода вследствие процессов неорганического синтеза, происходящих при колоссальном давлении и высокой температуре.

Противником карбидной теории был академик И. Губкин, который указывал в ней ряд существенных недостатков, а сторонниками – П. Кропоткин, Н. Кудрявцев и ряд других специалистов. Хотя абиогенная гипотеза была принята многими учеными, в конце ХХ века она утратила свое значение, так как не могла делать эффективные прогнозы по поиску новых нефтяных месторождений. Появление масс-спектрометрии, структурного анализа, разработка новейших методов аналитической химии позволили получить доказательства, которые свидетельствуют в пользу биологического происхождения нефти.