Органические соединения, это химические соединения содержащие в своем составе четырехвалентный углерод, т.е. углерод образует четыре химических связи с другими элементами (водород одновалентен) Эмпирическая формула – это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов, показывающая атомы каких элементов и в каком соотношении находятся в молекуле. Структурная формула – показывает в графическом виде взаимное расположение атомов друг относительно друга, черточки обозначают химическую связь между атомами.
Эмпирическая формула Структурная формула Метан - СН 4 Метан: С 4 Н 10 – бутан, С 4 Н 10 – изобутан
Формула Название Температура плавления, 0 С Температура кипения, 0 С Агрегатное состояние вещества при 20 0 С С H 4 метан -182,5 -164 газообразные вещества C 2 H 6 этан -183,3 -93 C 3 H 8 пропан -187,7 -45 C 4 H 10 бутан -138,4 0,6 C 5 H 12 пентан -129,7 36 жидкость C 6 H 14 гексан -95,3 68,7 C 7 H 16 гептан -90,6 98,4 C 8 H 18 октан -55,8 125,8 C 9 H 20 нонан -54 150,7 C 10 H 22 декан -29,7 173 C 11 H 24 ундекан -25,6 195 C 12 H 26 додекан -9,6 215 C 13 H 28 тридекан -5,4 234 C 14 H 30 тетрадекан 5,9 252 C 15 H 32 пентадекан 9,9 270 C 16 H 34 гексадекан 18,2 287 C 17 H 36 гептадекан 22 303 твердое вещество, парафин C 20 H 42 эйкозан 36,8 342,7 C 30 H 62 триаконтан 65,8 446,4
Органические соединения можно разделить на несколько основных групп – углеводороды (УВ), кислородсодержащие, азотсодержащие, серосодержащие соединения, галогенопроизводные. В зависимости от строения углеводородного скелета органические соединения делят на: – ациклические (нециклические) – это соединения с открытой цепью могут быть линейными или разветвленными; – циклические – это соединения с замкнутой цепью, в свою очередь делятся на карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода) и гетероциклические (цикл состоит из атомов углерода и атомов O, N, S ); – предельные, насыщенные – соединения с одинарной связью углерод – углерод; – непредельные, ненасыщенные – соединения содержащие двойную или тройную связи углерод-углерод, такие связи называют кратными ; – алифатические – соединения не содержащие в своей структуре бензольных колец; – ароматические – соединения, в структуре которых содержаться одно или несколько бензольных колец.
Нефть и природный горючий газ называют углеводородным сырьём. В их составе можно выделить три класса углеводородов: Алканы (парафиновые углеводороды), соединения общей формулой С n H 2n+2 Циклоалканы (нафтены), соединения общей формулой С n H 2n Арены (ароматические углеводороды), производные бензола.
Алканы природных горючих газов Гомологический ряд алканов представлен на слайде 4. Первые четыре УВ являются газообразными веществами, именно они являются основными компонентами природных горючих газов Различают: Природный газ, газ добываемый из чисто газовых месторождений, основной компонент – метан, до 99 % (сухой газ ), (данные химической энциклопедии)
Сухой газ (тощий газ) – содержащий углеводороды С 3 и выше в количестве меньшем 150 г/м 3. Газы средней жирности – содержащие углеводороды С 3 и выше в количестве 150 - 300 г/м 3 Жирные газы (богатые газы) - содержащий углеводороды С 3 и выше в количестве большем 300 г/м 3. Кроме углеводородов в природном газе содержится сероводород до 3% (астраханское месторождение 20 %, используют для получения серы). углекислый газ от 0,1 – 7% (на отдельных месторождениях до 40%) азот – до 30% аргон и гелий до 0,05% (на отдельных месторождениях до 7%) - меркаптаны, тиофены, пары воды.
Газы нефтяные попутные – добываются из нефтяных месторождений вместе с нефтью. Их состав отличается повышенным содержанием этана, пропана, бутанов, пентанов и др. углеводородов ( смесь сухого газа с газообразным бензином и пропан- бутаной фракцией )
Газы нефтяные попутные - углеводородные газы, сопутствующие нефти и выделяющиеся из неё при сепарации (разделение при изменении температуры и давления). Эти газы находятся в нефти в растворенном виде и выделяются из неё вследствие снижения давления при подъеме нефти на поверхность земли. Количество газов (в м 3 ), приходящееся на 1 т добытой нефти (т. н. газовый фактор ), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 30до 300 м 3 /т нефти.
Газы конденсатных месторождений - жидкие смеси высококипящих углеводородов, выделяемые из природных газов при их добыче (смесь сухого газа и конденсата ). Основной процент приходится на пентан и гексан.
Конденсат бывает стабильным и нестабильным. Нестабильный конденсат – широкая фракция лёгких углеводородов – отличается большим давлением насыщенных паров. При высоком давлении и температуре в пластовых условиях в парообразном состоянии находятся бензино -керосиновые фракции и более высокомолекулярные жидкие нефтяные компоненты. В процессе разработки месторождений давление падает, и из газа выделяется нестабильный газовый конденсат, содержащий растворённые газы метан-бутановой фракции. Стабильный конденсат - содержит только углеводороды С 5 и выше. ЗСК – завод стабилизации газового конденсата.
Газовые гидраты – кристаллические многогранники ( клараты –лат. «сажать в клетку»), молекулы воды образующие кристаллический каркас, внутри которого находятся молекулы углеводородов, азота, инертных газов, сероводорода и т.д. По внешнему виду напоминают снег, но могут существовать при положительных температурах. При таянии одного литра этого «снега» выделится около 160 литров газа. Между тем для того, чтобы поместить в баллон сходный объем газа в его обычном состоянии, понадобится подать очень сильное давление — 160 атмосфер.
При добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промышленных коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы различные ингибиторы ( метиловый спирт, гликоли, 30%- ный раствор CaCl 2 ), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка — очистка газа от паров воды.
У газообразных алканов (природных газов) отсутствует цвет, запах, вкус. Для того чтобы своевременно обнаружить утечку, все горючие газы, направленные в городские газопроводы, подвергают одоризации, т. е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Одоризация газов производится с помощью специальных жидкостей, обладающих сильными запахом. Наиболее часто в качестве одноранта применяют этилмеркаптан. Норма одорации 16 г на 1000 м 3 газа. При этом запах газа должен ощущаться при концентрации его в воздухе не более 1/5 части нижнего предела взрываемости. Практически это означает, что природный газ, имеющий нижний предел взрываемости, равный 5 %, должен чувствоваться в воздухе помещений при 1%- ной концентрации. Запах сжиженных газов должен ощущаться при 0,5 %-ной концентрации их в объеме помещения.
Жидкие УВ (слайд 4), состава С 5 – С 15, образуют один из трех классов УВ нефти. Разнообразие алканов нефти обусловлено наличием их изомеров. Изомеры – соединения одного и того же состава, но разного строения, отличаются прежде всего физическими свойствами: температурой плавления, температурой кипения, плотностью, вязкостью, температурой вспышки, температурой воспламенения и т.д.
н-пентан (н, значит нормальный, так называют не разветвленные углеводороды) Изопентан : 2-метилбутан Изопентан : 2,2-диметил пропан
1. Выбирается главная цепочка атомов углерода – самая длинная цепь, включающая кратные связи, функциональные группы, при наличии. 2. Нумеруются атомы углерода с той стороны, где ближе находятся функциональные группы (в порядке старшинства), кратные связи или углеводородные заместители. 3. Углеводородные заместители (радикалы) ряда алканов имеют общее название – алкилы (обозначаются как – R ), из названия образуются при замене суффикса «ан» на «ил». – С H 3 – метил; – С 2 H 5 – этил; – С 3 H 7 – пропил и т.д. 4. В названии сначала указывается положение заместителей, цифрой и приставками, обозначающими их число. В конце указывается выбранная основная углеводородная цепочка.
2,3,3 -триметил-5-этилгептан 2,4,4-триметилгексан
Твердые алканы называют парафином, твердое белое вещество с температурой плавления 40-60 градусов и плотностью 0,86-0,94 г/см 3. В расплавленном состоянии плотность 0,77-0,79 г/см 3. Церезины – твердое воскообразное вещество с температурой плавления 60-85 градусов, в составе кроме твердых алканов содержат нафтены и ароматические УВ. В соответствии с технологической классификацией нефти (ОСТ 38.01197-80) различают: - малопарафиновые нефти, содержание парафинов не более 1,5% -парафиновые нефти, содержание парафинов от 1,51% до 6,0% - высокопарафиновые нефти, содержание парафинов более 6%
В нефти встречаются циклопентан, циклогексан и их производные, порядок образования названий тот же. 1,3-диметилциклопентан 1,4-диметилциклогексан
Бициклононан (два цикла образованные 9 атомами углерода) Бициклодекан (два цикла образованные 10 атомами углерода)
Более сложные структуры содержащие полициклические циклоалканы, которые находят в нефти, являются подтверждением биорганической теории происхождения нефти. Гопан : Холестан :
К аренам относятся бензол (С 6 Н 6 )и его производные. Бензол
Метилбензол Толуол 1,2-диметилбензол Орто -ксилол 1,3-диметилбензол Мета-ксилол 1,4-диметилбензол Пара-ксилол
1 – нафталин, 2 – антрацен, 3 – фенантрен,4 – пентацен, 5- пирен, 6 - бензапирен
Гетероатомные соединения, это органические соединения содержащие в своем составе атом O,N,S. Одной из наиболее представительных групп гетероатомных соединений нефти являются смолисто-асфальтеновые вещества - САВ. Характерные особенности САВ - значительные молекулярные массы, наличие в их составе различных гетероэлементов (кислорода, серы, азота ), полярность, парамагнитизм, высокая склонность к межмолекулярному взаимодействию и ассоциации, полидисперсность и проявление выраженных коллоидно-дисперсных свойств.
Смолы и асфальтены различают не по химическому составу, а по растворимости в разных органических растворителях: Смолы Растворимы в органических растворителях, в том числе в н- алканах, например в н- гексане Асфальтены Не растворимы в н- алканах, но растворяются аренах, например бензол, толуол Карбены Растворяются только в сероуглероде Карбоиды Не растворимы а органических растворителях
Асфальтены —аморфные твердые тела темно-бурого или черного цвета. При нагревании не плавятся, а переходят в пластическое состояние при температуре около 300 °С, при более высокой температуре разлагаются с образованием газообразных и жидких веществ и твердого остатка — кокса. Плотность асфальтенов несколько больше единицы. Асфальтены очень склонны к ассоциации, поэтому молекулярная масса в зависимости от метода определения может колебаться на несколько порядков (от 2000 до 10000 и выше ).
Нефти содержат до 35 - 40 % ( мас.) САВ, Природные асфальты и битумы содержат до 42 − 80 % ( мас.) САВ Природные битумы генетически представляют собой в различной степени дегазированные, потерявшие легкие фракции, вязкие, полутвердые естественные производные нефти ( мальты 65-40%, асфальты 40-25%, асфальтиты 25-5% ). Кроме повышенного содержания асфальтено -смолистых компонентов, высокой плотности, аномальной вязкости, обусловливающих специфику добычи, транспорта и переработки, ПБ отличаются от маловязкой нефти значительным содержанием серы и металлов, особенно оксида ванадия (V 2 O 5 ) и оксида никеля ( Ni ) в концентрациях, соизмеримых с содержанием металлов в промышленных рудных месторождениях
Пример содержания асфальтенов и смол в нефтях ряда месторождений Месторождение Асфальтены, % Смолы, % Самотлорская 1,4 10 Усть-Балыкская 2,6 15,4 Ромашкинская 4,2 11,6 Суруханская 0 4
Химическая классификация нефти: В зависимости от того какой из трех классов УВ нефти преобладает нефти делят на: Парафиновые (больше 50% алканов ), иногда их называют метановыми. Нафтеновые (50% и больше процентов циклоалканов ) Ароматические (50%и больше процентов аренов ) Парафино -нафтеновые Нафтено -ароматические Парафино - нафтено -ароматические
