Общая характеристика нефти и газа

Для наименования алканов с разветвлённой  углеродной цепью необходимо знать названия углеводородных радикалов – алкилов, частиц, условно выделенных из молекулы углеводорода отнятием одного атома водорода. Их названия получают заменой окончания «ан» соответствующего алкана на «ил». Отсюда и их групповое название «алкилы». Общая формула алкилов C_nH_2n+1. В формулах органических соединений алкилы в общем виде обозначаются Alk или чаще R.

Таблица 2

Физические свойства нормальных алканов

Название	Химическая формула	Температура кипения, 0С	Температура плавления, 0С	Плотность ρ420
Метан	СН4	- 161,6	- 182,5	0,424
Этан	С2Н6	- 88,6	-183,2	0,546
Пропан	С3Н8	- 42,2	- 187,6	0,585
Бутан	С4Н10	- 0,5	- 133,3	0,579
Пентан	С5Н12	36,1	- 129,7	0,626
Гексан	С6Н14	68,8	-95,3	0,659
Гептан	С7Н16	98,4	-90,6	0,684
Октан	С8Н18	125,7	-56,8	0,703
Нонан	С9Н20	149,5	-53,6	0,718
Декан	С10Н22	173,0	-30,3	0,730
Ундекан	С11Н24	195,8	-25,6	0,740
Додекан	С12Н26	214,5	-9,6	0,745
Тридекан	С13Н28	234,0	-6,0	0,757
Тетрадекан	С14Н30	252,5	5,5	0,764
Пентадекан	С15Н32	270,5	10,0	0,769
Гексадекан	С16Н34	287,0	18,1	0,775
Октадекан	С18Н38	317,0	28,0	0,777
Эйкозан	С20Н42	344,0	36,5	0,778
Пентакозан	С25Н52	259/2кПа	53,3	-
Триаконтан	С30Н62	304/2 кПа	65,9	0,780
Пентатриаконтан	С35Н72	331/2 кПа	74,6	0,781
Тетраконтан	С40Н82	-	80,8	-
Пентаконтан	С50Н102	421/2 кПа	93,0	-

 

Согласно номенклатуре ИЮПАК названия разветвлённых алканов составляют следующим образом:

1. В молекуле углеводорода выбирают главную цепь – самую длинную:

 

 

2. Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе заместитель

      (радикал, имеющий  меньшее число углеродных атомов):

 

 

3. Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают место 

(цифрой) расположения заместителя,  затем этот заместитель, а в  конце – добавляют название главной (самой длинной) цепи. Вышеприведённый углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан.

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным (ди-, три-, тетра- и т. д.), которое ставят перед названием этих радикалов, а их положение указывают одной и той же цифрой, повторенной дважды (или несколько раз – в зависимости от количества одинаковых заместителей). Например:

 

Приведём ещё примеры:

 

По рациональной номенклатуре предельные углеводороды рассматриваются как производные метана, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Названия строят следующим образом. Называют по старшинству все заместители (указывая и

х количество, если они одинаковые) и основу названия – слово «метан». Приведём примеры углеводородов и назовём их по рациональной и систематической номенклатурам:

 

 

Как видно из этих примеров, систематическая  номенклатура – более удобная и совершенная.

 

 

 

2.2.3. Физические свойства

 

Четыре первых представителя ряда метана – газообразные вещества, начиная  с пентана (С₅) до гексадекана (С₁₆) углеводороды нормального строения – жидкости, С₁₇ и выше – твёрдые вещества. В ряду метана для алканов нормального строения по мере роста молекулярной массы (см. табл. 2) наблюдается увеличение температур кипения и плавления, а также плотности. Разница в температурах кипения соседних гомологов у нормальных алканов С₅ – С₁₀ составляет 20 – 30 ⁰С и постепенно она уменьшается до 15 ⁰С у углеводородов С₁₅ – С₂₀.

Алканы с разветвлённой цепью  углеродных атомов кипят при более  низких температурах по сравнению с  алканами нормального строения; с  увеличением числа заместителей, превращением молекул в более разветвлённые разница в температурах кипения алканов нормального и разветвлённого строения возрастает. Эта же закономерность наблюдается и для плотности. Это хорошо видно из табл. 3.

Таблица 3

Физические свойства изомерных алканов

Название	Химическая  формула	Температура кипения, 0С	Температура плавления, 0С	Плотность r204
2-метилпропан  (изобутан)	СН3СН(СН3)СН3	-11,7	-159,6	-
н-бутан	СН3СН2СН2СН3	-0,5	-133,3	0,579
2,2-диметилпропан  (неопентан)	СН3С(СН3)2СН3	9,5	-16,6	0,591
2-метилбутан (изопентан)	СН3СН2СН(СН3)СН3	27,8	-159,9	0,62
2,2-диметилбутан  (неогексан)	СН3С(СН3)2СН2СН3	49,7	-99,7	0,649
2,3-диметилбутан  (диизопропил)	СН3СН(СН3)СН(СН3)СН3	58,0	-128,4	0,662
2-метилгексан  (диметилпропилметан)	СН3СН(СН3)СН2СН2СН3	60,3	153,7	0,660
3-Метилпентан  (диэтилметилметан)	СН3СН2СН(СН3)СН2СН3	63,3	-	0,664

Указанные закономерности становятся понятными, если вспомнить, что для  перехода жидкого вещества в газообразное необходимо преодолеть межмолекулярные взаимодействия. Форма разветвлённых молекул стремится  к сферической, при этом площадь поверхности уменьшается, и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.

На температуру плавления алканов  в кристаллическом состоянии  большое влияние оказывает строение молекул, их способность «упаковываться» в кристаллы. Поэтому температура плавления приведённого ниже 2,2–диметилбутана – 99, 7 ⁰С, а 2,3–диметилбутана – 128,4 ⁰с.

Все алканы легче воды, их плотность не превышает 0,8 г∙см^-3.

Алканы практически не растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Метан, этан и высшие гомологи не имеют запаха, средние обладают запахом бензина. В молекулах алканов цепочки углеродных атомов имеют зигзагообразную форму. Угол между валентностями составляет 109⁰28¹; центры углеродных атомов расположены друг от друга на расстоянии 0,154 нм, расстояние от центра углеродного атома до центра атома водорода 0,11 нм.

В процессе разработки месторождений  физическое состояние и свойства углеводородов с изменением температуры и давления не остаются постоянными. Для правильного установления технологического режима эксплуатации месторождений и систем сбора нефти и газа необходимо знать изменение состояний и свойств углеводородов в широком диапазоне давления и температуры.

2.2.4. Химические свойства  и переработка

 

В молекулах алканов, как известно, все атомы связаны  между собой прочными σ-связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. Они проявляют при обычных условиях чрезвычайно высокую химическую инертность: не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), окислителями, активными металлами (поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине).

По этой причине предельные углеводороды в своё время получили название парафинов^* (от лат. рarum affinis -  малое сродство).

Основные химические превращения  алканов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (за счёт нагревания или УФ-облучения). При этом может произойти или разрыв связи С-Н с последующей заменой атома водорода на другой атом или группу атомов (реакции замещения), или же разрыв молекулы по связи С-С (реакции расщепления).

^* - В нефтяной практике парфинами называют твёрдые углеводороды, содержащиеся в нефтях и нефтепродуктах.

Несмотря на то, что энергии этих связей равны соответственно: 376,8-410,3 и 314-368,4 кДж/моль, разрыв предпочтительнее идёт по связи С-Н. Это связано  с большей доступностью связи С-Н для атаки химических реагентов.

Наибольший интерес для нефтехимии представляют следующие реакции:

Галогенирование. Эта реакция идёт сравнительно легко с замещением атомов водорода в алканах на галогены. Из галогенов наиболее широко используется хлор, вследствие его доступности, дешевизны и высокой химической активности.

Как было установлено  Н.Н. Семёновым, эта реакция протекает  по радикально цепному механизму.

Молекулярный хлор под  влиянием света расщепляется на атомный, который инициирует (начинает) радикальную реакцию; он отщепляет водород от метана, образуя радикал - метил и хлористый водород. Метильный радикал взаимодействует с молекулярным хлором и стабилизируется в первый продукт хлорирования метана - хлористый метил, который по аналогичной схеме подвергается дальнейшему хлорированию, образуя последовательно хлористый метилен, хлороформ и тетрахлорметан (четырёххлористый углерод):

 

 

Подобно метану могут  подвергаться хлорированию и другие алканы. Хлорирование углеводородов  проводится в промышленных масштабах  в паровой и жидкой фазах различными способами: при нагревании до 400-500 ⁰С (термическое хлорирование), в присутствии катализаторов (каталитическое хлорирование) при специальном освещении реагирующих компонентов (фотохимическое хлорирование).

Хлорпроизводные метана и других низших алканов являются хорошими растворителями жиров, синтетических смол и каучуков, нитро- и ацетилцеллюлозы. Их можно использовать и для очистки призабойной зоны нефтяных скважин от асфальто-смолистых и парафиновых отложений. Применяют также и при депарафинизации масел.

Хлорпроизводные алканов  используют для получения спиртов, в том числе и высших спиртов:

При пропускании хлористого метила (или смеси его с хлорзамещёнными ароматическими углеводородами) над медно-кремниевым сплавом при 300 ⁰С образуются алкил- и арилхлорсиланы:

Алкил- и арилхлорсиланы являются исходным продуктом в синтезе  кремнийорганических соединений, применяемых  в производстве  силиконовых жидкостей, консистентных смазок, смол и каучуков.

Хлороформ и четырёххлористый углерод используют для получения хлорфтор- и фторпроизводных:

CCl₄ + HF → CCl₂F₂ ,

которые применяют в  качестве хладоагентов - фреонов.

Полностью фторированные  алканы применяют в качестве инертных теплоносителей, в производстве полимеров-фторопластов.

Хлорирование твёрдых парафинов осуществляют для получения присадок, понижающих температуру застывания масел (депрессорные присадки).

Нитрование. Нитрование алканов осуществляют с помощью азотной кислоты при температуре 200-450 ⁰С. Нитрование всегда сопровождается частичным разложением углеводородов, что приводит к получению нитросоединений с меньшим числом атомов углерода. Из пропана таким путём помимо 1- и 2-нитропропанов образуются нитроэтан и нитрометан:

Нитрометан, нитроэтан, нитропропан являются хорошими растворителями эфиров целлюлозы, полимеров, лаков. Они могут применяться в качестве добавок, снижающих температуру самовоспламенения дизельных топлив.

 

 

Восстановлением нитроалканов в кислой среде можно получить амины:

Амины используют для получения  ингибиторов коррозии, поверхностно-активных веществ, для очистки газов от сероводорода.