ВВЕДЕНИЕ. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ – ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ИХ РАЗВИТИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение. Химические технологии и биотехнологии – основные тенденции их развития.
2. Вещества в химии и химических технологиях
2.1. Чистые вещества и смеси веществ.
2.2. Простые и сложные вещества. Синтез и анализ веществ.
3. Физические состояния вещества.
3.1. Характеристика агрегатных состояний вещества.
3.2. Газы. Основные газовые законы.
3.3. Жидкое состояние вещества.
4. Сырьевая база и основные источники энергии в химической технологии.
4.1. Природные, попутные, технологические газы.
4.2. Нефть.
4.3. Каменный уголь
4.4. Первичная переработка сырья в органическом синтезе.
4.4.1. Некоторые процессы с использованием метана.
4.4.2. Процессы нефтепереработки.
4.4.3. Химическая переработка каменного угля.
5. Промышленная стехиометрия. 5.1. Количественные законы. 6. Технологические операции в органическом синтезе и их аппаратурное оформление.
6.1. Подготовка сырья.
6.2. Методы разделения реакционных смесей и очистки полученных веществ.
6.2.1. Выделение и очистка твердых веществ.
6.2.2. Разделение жидких веществ.
6.2.3. Разделение и очистка газовых смесей.
6.3. Классификация технологических процессов.
6.4. Реакторы и принципы их устройства.
6.5. Перемешивание и растворение.
6.6. Нагревание и охлаждение.
6.7. Давление и разряжение.
6.8. Использование катализаторов.
7. Высокомолекулярные соединения.
7.1. Метод полимеризации.
7.2. Метод поликонденсации.
8. Спектральные методы исследования органических веществ.
8.1. Инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия.
8.2. Электронная спектроскопия.
Библиографический список

ВЕЩЕСТВА В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Химия – одна из важнейших областей естествознания, а химические технологии используют все современные достижения химии.

Химия – это наука о веществах, их свойствах, строении и взаимных превращениях. Химия изучает и описывает процессы превращения веществ как в микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне, так и в макромасштабе, на уровне макроколичеств веществ. Внешние проявления процессов в макромасштабе разнообразны и многочисленны, и их изучает химическая технология – наука об экономичных методах и средствах переработки природных материалов и синтезирования новых веществ.

Согласно классических научных воззрений различают две формы существования материи – вещество и поле. Вещества – это различные виды материи, обладающие массой покоя.

В химии используют понятия «химический элемент» и «вещество». Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Вещество – совокупность одинаковых молекул или кристаллов, состоящих из одного или нескольких элементов.

Число веществ неограниченно велико; к известному числу веществ все время добавляются новые вещества, как открываемые в природе, так и синтезируемые искусственно.

ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Жидкое состояние вещества

Как видно из таблицы 4, жидкость имеет промежуточную природу между твердыми веществами и газами. Например, силы притяжения между частицами в жидкостях имеют промежуточное значение между этими силами в твердых веществах и газах. Поэтому частицы жидкости могут удерживаться вместе в определенном фиксированном объеме, но этих сил не достаточно, чтобы соединить частицы в упорядоченные структуры. Поэтому жидкости не имеют определенной формы. В последние годы, однако, получены экспериментальные данные, которые свидетельствуют об образовании в жидкостях, особенно полярных, небольших упорядоченных групп частиц, так называемых кластеров (малоустойчивых структур частиц). Частицы жидкости, подобно частицам газа, находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении – броуновском движении.

С жидкостями может происходить следующее: испарение, кипение, замерзание.

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Его скорость увеличивается при увеличении площади поверхности жидкости, ее температуры, уменьшении внешнего давления.

Кипение жидкости начинается, когда давление ее паров достигает атмосферного давления. При кипении жидкости внутри нее образуются пузырьки пара. Это вызывает ее бурление. Температуру кипения жидкости можно понизить, если уменьшить внешнее давление и наоборот, кипение можно прекратить, повышая внешнее давление. При постоянном давлении температура кипящей жидкости остается неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит.

При охлаждении жидкости силы притяжения все больше ограничивают движение частиц с невысокой кинетической энергией. Эти частицы удерживаются в фиксированных положениях кристаллической решетки. Температура, при которой устанавливается равновесие между жидким и твердым состоянием вещества, называется температурой замерзания жидкости. Температура замерзания остается неизменной, пока вся жидкость не закристаллизуется.

Жидкости имеют фиксированный объем и принимают форму сосуда, в который их помещают, плотности жидкостей больше, чем у газов и близки к плотности твердых веществ. Сжимаемость жидкостей очень невелика, поскольку между частицами жидкостей остается совсем немного свободного пространства.

У жидкостей есть три важных свойства:

1) Текучесть и вязкость – подобно газам, жидкости могут течь – это свойство называется текучестью. Сопротивляемость жидкости течению называется вязкостью. На текучесть и вязкость влияет ряд параметров. Наиболее важным являются силы притяжения между молекулами жидкости, а так же форма, структура, относительная молекулярная масса этих молекул. Текучесть уменьшается с увеличением длины молекул.

Вязкость жидкости примерно в сто раз больше, чем у газов.

2) Поверхностное натяжение – молекулы, находящиеся в глубине жидкости испытывают одинаковое притяжение со всех сторон; молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, испытывают действие результирующей силы, направленной внутрь жидкости. Поэтому поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения, она все время стремиться сократиться. Поверхностное натяжение жидкости – минимальная сила, необходимая, чтобы преодолеть устремление частиц жидкости внутрь и тем самым удержать поверхность жидкости от сокращения. Существованием поверхностного натяжения объясняется сферическая форма свободно подающей капли жидкости.

3) Диффузия – это процесс перераспределения вещества из области с высокой концентрацией в область с меньшей концентрацией или давлением. Диффузия в жидкостях осуществляется гораздо медленнее, чем в газах, так как частицы в жидкости упакованы гораздо плотнее, чем в газе. Частица, диффундирующая в жидкости, подвергается частым столкновениям и поэтому продвигается с трудом. В газах между частицами много свободного пространства, и они могут перераспределятся гораздо быстрее. Диффузия осуществляется между взаимно растворимыми жидкостями. Она отсутствует между несмешивающимися жидкостями. В отличие от жидкостей все газы смешиваются друг с другом и поэтому могут диффундировать один в другой.

Растворы – это однородные смеси (гомогенные системы) переменного состава, содержащие два и более вещества.

Из составных частей раствора одно вещество считается растворителем, остальные – растворенными в нем веществами. Растворитель – это вещество, в среде которого равномерно распределяются растворенные вещества; растворитель является основной составной частью раствора и обычно присутствует в нем в большем количестве. Растворитель может образовывать растворы различных растворенных веществ, например растворы разных солей в одном и том же растворителе – воде, а одно и тоже растворенное вещество может давать растворы в различных растворителях, например, растворы бромида натрия в воде и этаноле как растворителях.

В отличие от гомогенных смесей – растворов, гетерогенные системы (суспензии, эмульсии и др.) к растворам не относятся, а представляют собой дисперсные системы. Растворы отличаются от дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы, то есть частиц растворенного вещества; имеется и ряд других отличий (табл. 6).

Таблица 6

Некоторые характеристики растворов и суспензий

Истинный раствор	Коллоидный раствор	Суспензия
Молекулярно-дисперсная система	Коллоидно-дисперсная система	Грубодисперсная система
Размер частиц <1·10-9 м	Размер частиц 1·10-9 ÷5·10-7 м	Размер частиц >5·10-7 м
Частицы нельзя обнаружить оптическими методами	Частицы можно обнаружить с помощью ультрамикроскопа	Частицы нельзя обнаружить визуально или с помощью микроскопа
Частицы проходят через бумажный фильтр	Частицы проходят через бумажный фильтр	Частицы задерживаются бумажным фильтром

В широком смысле под растворами понимаются гомогенные смеси в любом агрегатном состоянии. В химической практике наиболее важны жидкие гомогенные смеси, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии обычно называют просто растворами. В качестве же дисперсной фазы для получения жидких растворов могут быть использованы вещества, находящиеся в любом состоянии (твердом, жидком, газообразном).

Примеры: водный раствор диоксида углерода СО₂; водный раствор жидкого этанола С₂Н₅ОН; водный раствор твердого гидроксида натрия NaOH.

Важно то, что после смешивания жидкого растворителя и растворенного вещества в любом агрегатном состоянии образующаяся гомогенная смесь (раствор) остается жидкой.

Наиболее распространенным и широко применяемым в химической практике растворителем является вода. Кроме нее, но в значительно меньших масштабах в неорганической химии используется аммиак и жидкий диоксид серы. В органической химии в качестве растворителей применяются этанол, ацетон, тетрахлорид углерода, трихлорэтилен, сероуглерод, бензол и др.

Растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение; в лабораторных и в промышленных условиях большинство химических реакций проводят в растворах. Кроме того, именно в растворах протекают химические реакции, лежащие в основе обмена веществ в живых организмах.

Растворы могут иметь различный состав. Так, некоторые жидкости способны неограниченно смешиваться друг с другом, например, этанол и вода. Другие жидкости растворяются в определенных соотношениях.

При растворении твердых веществ и газов в жидкостях для каждой пары растворенное вещество-растворитель существует граница смешивания, которая характеризует растворимость вещества.

Растворимость вещества в растворителе количественно определяется составом образуемого ими насыщенного раствора.

Насыщенным раствором называется такой раствор, при добавлении в который порции растворяемого вещества оно уже больше не переходит в раствор. Таким образом, насыщенный раствор находится в контакте с избытком растворяемого вещества в виде второй фазы (осадка).

Каждое вещество обладает индивидуальной растворимостью в каждом растворителе. Растворимость вещества зависит от температуры.

В жидких растворителях при повышении температуры растворимость твердых веществ, как правило, возрастает, а растворимость газов снижается.

На растворимость газов сильное влияние оказывает давление: при повышении давления растворимость газов возрастает.

Если содержание растворенного вещества в растворе меньше растворимости этого вещества, то такой раствор является ненасыщенным, и в нем может раствориться еще некоторое количество того же вещества. Если количество растворяемого вещества больше, чем его растворимость, то избыточная часть растворяемого вещества остается в виде второй фазы, например, для твердого вещества в виде осадка под насыщенным раствором. Возможно и такое состояние раствора, когда образование второй фазы сразу не происходит, и растворенное вещество остается в растворе, хотя растворимость этого вещества превышена. Такие растворы называются перенасыщенными; они в большей или меньшей степени неустойчивы (метастабильны). При введении, например, «затравки» - кристаллика твердого растворяемого вещества, избыточное (по сравнению с насыщенным раствором) количество этого вещества выпадает в осадок и образуется насыщенный раствор.

Состав раствора может быть количественно задан несколькими способами.

Часто вместо выражения «состав раствора» используют термин «концентрация раствора». Концентрацией (не раствора, а растворенного вещества) называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора; концентрацию обычно выражают в моль/л или г/л. Концентрация - это отношение неоднотипных величин. Те величины, которые являются отношением однотипных величин, например, отношение массы растворенного вещества к массе раствора, и формально не имеют своей единицы, называются долями. Таким образом, состав раствора может быть передан как концентрацией, так и долей растворенного вещества.

Массовая доля растворенного вещества ω – это отношение массы растворенного вещества к массе раствора.

Пример: при 20 °С и в 100 г воды растворено 15,6 г нитрата калия; массовая доля нитрата калия в этом растворе равна

Объемная доля растворенного вещества υ – это отношение объема растворенного вещества к объему раствора.

Пример: объемная доля этанола в 120 мл раствора, приготовленного разбавлением водой 24,5 мл спирта, равна

Состав раствора может быть передан так же с помощью его молярности и нормальности (см. ниже), весьма распространенных в практике неорганической и аналитической химии.

Между плотностью раствора и его составом существует некоторая зависимость, которая изображается либо в графической, либо в табличной форме. Поэтому состав растворов можно установить, если измерить их плотность. Относительную плотность жидких растворов измеряют с помощью ареометров, выполненных в виде поплавков (трубка с делениями и грузом внизу). По глубине погружения в раствор поплавка находят значение относительной плотности, а затем с помощью таблицы или графика – состав раствора. На шкалах специальных ареометров (например, для водных растворов этанола, серной и азотной кислоты) нанесены непосредственно значения состава растворов, так как чаще всего необходимо узнать именно состав, а не плотность раствора.

Плотность растворов зависит от температуры; обычно табличные и графические зависимости между составом растворов и их плотностью приводятся для 20 °С; при той же температуре осуществляется градуировка ареометров.

Молярность раствора – величина, численно равная молярной концентрации растворенного вещества, выраженной в моль/л. Молярная концентрация С-это отношение формульного количества растворенного вещества n (числа молей) к объему раствора V_(P):

Единица молярной концентрации в СИ – моль на кубический метр (моль/м³); в химической практике чаще используется единица моль на литр (моль/л).

Пример: молярная концентрация серной кислоты в водном растворе, равная 1 моль/л, означает, что в 1 л такого раствора содержится 1 моль H₂SO₄.

Молярность раствора записывается числовым значением молярной концентрации растворенного вещества, выраженной в моль/л, с последующей буквой М или словом «молярный».

Пример: 1 М или одномолярный раствор, 0,1 М или децимолярный раствор, 0,01 М или сантимолярный раствор, 0,001 М или миллимолярный раствор.

Из определения моля следует, что в 1 л 1 М раствора содержится число формульных единиц вещества, равное числу Авогадро.

Молярная концентрация С и молярная масса М растворенного вещества связаны следующим соотношением:

где m – масса растворенного вещества;

V_(P) – объем раствора.

Частное в правой части этого соотношения есть массовая концентрация растворенного вещества С, следовательно

Пример: гидроксид натрия NaOH имеет молярную массу М=40,00 г/моль. В 0,1 М растворе этого вещества массовая концентрация NaOH равна

Для приготовления такого раствора в мерную колбу вместимостью 1 л вносят 4 г гидроксида натрия, наполняют колбу примерно до половины водой, тщательно перемешивают (до полного растворения) и доводят объем раствора водой до 1 л.

Если в химической реакции, протекающей в растворе, формульные количества реагентов оказываются равными, т.е. равны их эквивалентные числа, то для проведения реакции можно взять равные объемы растворов этих реагентов с одинаковой молярностью.

Пример: для проведения реакции

необходимо и достаточно взять 25 мл 0,1 М раствора хлороводорода и смешать с 25 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия.

Использование определенных объемов растворов вместо масс реагентов лежит в основе метода аналитической химии, называемого объемным анализом. Для возможности сравнения объемов растворов реагентов, имеющих разные эквивалентные числа, вместо молярности используется другой способ выражения состава раствора, называемый нормальностью.

Нормальность раствора – величина, численно равная эквивалентной концентрации растворенного вещества, выраженной в моль/л. Эквивалентная концентрация С_eq - это отношение эквивалентного количества растворенного вещества n_eq к объему раствора V_(P):

Единица эквивалентной концентрации - моль на кубический метр (моль/м³); в химической практике чаще используется единица моль на литр (моль/л).

Пример: эквивалентная концентрация серной кислоты в водном растворе, равная 1 моль/л, означает, что в 1 л такого раствора содержится 1 моль эквивалентов H₂SO₄.

Нормальность раствора в расчетных формулах обозначается символом N, а числовое значение нормальности принято указывать числовым значением эквивалентной концентрации растворенного вещества (в моль/л) с последующей буквой н. или словом «нормальный», например, 1 н., или однонормальный раствор.

Пример: в 1 л 1 н. раствора серной кислоты, используемого для перехода

содержится 6,02·10²³ эквивалентов H₂SO₄, т.е. ½ моля H₂SO₄ (фактор эквивалентности H₂SO₄ равен 1/2). Аналогично, 1 л 1 н. раствора перманганат-ионов, применяемого для проведения перехода

содержит 6,02·10²³ эквивалентов или 1/5 иона (фактор эквивалентности в данном переходе равен 1/5).

Поскольку эквивалентное и формульное количества вещества связаны отношением

,

то эквивалентную концентрацию растворенного вещества С_eq можно представить как отношение молярной концентрации С к фактору эквивалентности f_eq этого вещества в данной конкретной реакции:

Следует еще раз подчеркнуть, что молярность раствора данного вещества определяется методикой приготовления раствора (количеством растворенного вещества и растворителя) и не зависит от реакции, в которой это вещество будет участвовать. Наоборот, нормальность раствора зависит от реакции, так как одно и то же вещество в различных реакциях может иметь разные значения эквивалентного числа. Нельзя приготовить раствор вещества заданной нормальности, не зная, в какой реакции это вещество будет участвовать, ибо это не даст возможности рассчитать требуемое формульное количество вещества.

Для объемного анализа важным является следующее положение: равные объемы растворов одинаковой нормальности содержат равные эквиваленты количества растворенных веществ.

Контрольные вопросы:

1. Газ находится при температуре 200^оС. Определите его температуру в К (Кельвин).

2. Из приведенных утверждений верным является: а) 1 атм > 760 мм рт. ст.; б) 1 атм = 760 мм рт. ст.; в) 1 атм < 760 мм рт. ст.

3. Рассчитайте массу 1 м³ аммиака при 50^оС и давлении 10 атм.

4. Определите объем 2 кг азота (н.у.).

5. Плотность газа по водороду равна 22. Определите его молярную массу.

6. Определите число молекул в 1 м³ кислорода (н.у.).

7. В 200 мл воды растворили 50 г хлорида натрия. Рассчитайте процентную концентрацию раствора.

8. Определите молярную концентрацию раствора, содержащего 20 г соляной кислоты в 100 мл раствора.

9. Определите молярность 0,1 н. НCl.

10. Более концентрированным является раствор: а) 0,1 М HCl; б) 0,1% HCl (плотность раствора принять равной 1 г/мл).

Нефть

Россия обладает большими запасами нефти и газа – основными источниками углеводородов. Начало работам по изучению нефти было положено великими русскими химиками А.М. Бутлеровым и В.В. Марковниковым. Значительный вклад внесли их последователи Зайцев, Вагнер, Коновалов, Фаворский, Лебедев, Зелинский, Наметкин. Российская химическая наука в области нефтепереработки традиционно опережала всех остальных по части разработки новых технологических процессов.

Нефть – маслянистая горючая жидкость, чаще всего черного цвета. Как известно, нефть представляет собой сложную смесь очень большого числа индивидуальных веществ. Главная часть – это предельные углеводороды ряда метана (алканы, C_nH_2n+2), циклические углеводороды – насыщенные (нафтены, C_nH_2n) и ненасыщенные, в том числе ароматические углеводороды. Кроме того, в состав нефтей входит вода, гетеросоединения – кислород-, азот-, серосодержащие органические вещества. Соотношение между компонентами нефти варьируются в широком диапазоне и зависят от месторождения нефти.

Каменный уголь

Ископаемый каменный уголь – сложная смесь, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Он содержит так же минеральные вещества, состоящие из соединений кремния, кальция, алюминия, магния, железа и других металлов. Полезной частью угля является его горючая масса, минеральная часть – это балласт, представляющий интерес только как потенциальный строительный материал.

Элементарный состав и теплотворная способность горючих ископаемых приведена в таблице 7.

Таблица 7

Элементарный состав и теплотворная способность ископаемых горючих

Вид горючего	Содержание вещества, %	Теплотворная способность, ккал/кг
углерод	водород	кислород	азот	зола
Торф	53-60	5-6	32-40		2-6	4000-5000
Бурый уголь	55-73	4-8	20-35		7-38	4000-6200
Каменный уголь	80-90	4-6	10-15		8-9	7000-9000
Антрацит	92-97	1-3	1-3	следы	-	9000-9200

Горючая масса – это продукт постепенного разложения растительного сырья, содержащего клетчатку. Такие процессы превращения растений в ископаемые углеродистые материалы протекали в течение длительного времени (от десятков до сотен тысяч лет) и протекают в настоящее время на дне болот, озер, в недрах земли. Разложение растительных остатков происходит без доступа воздуха (то есть в анаэробных условиях), часто при участии влаги, повышенных давлении и температуре и протекают через следующие стадии:

- образование торфа;

- образование бурого угля;

- образование мягкого каменного угля;

- образование твердого угля – антрацита.

Чем больше возраст угля, тем глубже процесс обугливания и тем больше содержание углерода в том или ином продукте. Углерод присутствует в каменных углях не в свободном виде, а в связи с другими элементами и, по-видимому, образует высокополимерные молекулы. Переход образований типа торфа или молодого бурого угля в каменные угли происходит в особых условиях, без которых молодые образования могут находиться в земле десятки тысяч лет и не дать настоящего угля. Считается, что решающим фактором в процессе превращения растительных остатков в уголь являются микробиологические процессы, которые протекают с участием особого вида грибков и бактерий, выделяющих специальные ферменты, способствующие так называемой гумификации растительных остатков. Температура и давление играют роль ускорителей этих ферментативных процессов. Биохимическая теория происхождения углей получила экспериментальное подтверждение в работах русского химика В.Е. Раковского и других исследователей, которые показали, что процесс обугливания торфа, который в естественных условиях идет несколько тысячелетий, можно осуществить за несколько месяцев, если, например, обеспечить быстрый рост и размножение специальных грибков в процессе саморазогревания торфа.

Процессы нефтепереработки

Сырая нефть как таковая мало используется. Обычно ее перерабатывают в другие продукты, которые имеют практическое применение. Поэтому сырую нефть транспортируют танкерами или с помощью трубопроводов к нефтеперерабатывающим заводам. Переработка нефти включает целый ряд физических и химических процессов – фракционная перегонка, крекинг, реформинг, очистка от серы.

Из сырой нефти удаляют песок, грязь, основную массу воды, затем ее подвергают простой перегонке, удаляя тем самым растворенные в ней газы.

Затем нефть подвергают первичной перегонке, которая представляет собой термическое разделение нефти на составные части (фракции). В результате нефть разделяется на газовую, легкую, среднюю фракции и мазут. Легкая и средняя фракции подвергаются дальнейшей фракционной перегонке, а мазут – вакуумной разгонке. В результате образуется довольно большое число фракций (табл. 8).

Газовая фракция – неразветвленные алканы – этан, пропан, бутаны. Эта фракция называется еще нефтезаводской (нефтяной) газ. Используют как газовое топливо или сжигают.

Бензиновая фракция – используется для получения различных видов моторного топлива. Представляет собой смесь различных углеводородов, в том числе неразветвленного и разветвленного строения. Особенности горения неразветвленных алканов не идеально соответствуют двигателям внутреннего сгорания. Поэтому бензиновую фракцию часто подвергают так называемому риформингу, чтобы увеличить долю разветвленных алканов за счет изомеризации неразветвленных молекул.

Таблица 8

Типичные фракции перегонки нефти

Фракция	Температура кипения, °С	Число атомов углерода в молекуле
Газы	<40	1-4
Бензин	40-100	4-8
Лигроин (нафта)	80-180	5-12
Керосин	160-250	10-16
Газойль	230-350	14-20
Мазут (смазочное масло и воск)	350-500	20-35
Битум	>500	>35

Качество бензина как моторного топлива обычно характеризуется октановым числом. Оно указывает процентное объемное содержание 2,2,4-триметилпентана (изооктана) в смеси изооктана и гептана, которая обладает такими же детонационными характеристиками горения, как и испытуемый бензин. Плохое моторное топливо имеет октановое число равное 0, а хорошее – равное 100. Октановое число бензиновой фракции, получаемой из сырой нефти ≤60. Характеристики горения бензина улучшаются, если в него добавлена антидеонационная присадка – тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄. Тетраэтилсвинец – бесцветная жидкость, получаемая нагреванием хлорэтила со свинцовонатриевым сплавом по схеме:

При горении бензина образуются частицы свинца Pb и оксида двухвалентного свинца PbO. Они замедляют определенные стадии горения бензина и тем самым препятствуют его детонации. Вместе с тетраэтилсвинцом в бензин добавляют 1,2-дибромэтан, который реагирует со свинцом и оксидом двухвалентного свинца, образуя PbBr₂. Так как бромид свинца (II) - летучее соединение, то он легко удаляется из автомобильного двигателя с выхлопными газами. Однако свинец и некоторые его соединения являются токсичными веществами, поэтому альтернатива применения тетраэтилсвинца – это введение кислородсодержащих присадок типа эфира, в частности метилтретбутиловый эфир:

Лигроин (нафта) – состоит преимущественно из алканов. Большая часть лигроина идет на риформинг для превращения в бензин, остальное – как сырье для получения других химических веществ.

Керосин. Керосиновая фракция состоит из алифатических алканов, нафталинов и ароматических углеводородов. Основная часть идет как горючее для самолетов, другая часть – на получение бензина.

Газойль – эта фракция известно еще под названием соляровой или дизельного топлива. Идет в основном как горючее для дизельных двигателей, часть подвергается крекингу для получения нефтезаводского газа и бензина, кроме того, газойль используется как топливо для печей.

Мазут – нефтяной остаток после удаления всех фракций. Применяется как топливо для печей в промышленности, электростанциях. Часть мазута подвергается вакуумной разгонке, получают смазочные масла и парафиновый воск. Остаток после разгонки мазута – битум или асфальт.

Процессы получения всех этих фракций физические, основанные на различии в температурах кипения тех или иных компонентов.

Для более глубокой переработки нефти используются химические процессы. Их можно разделить на два типа: крекинг и риформинг.

1) Крекинг (расщепление). В этом процессе крупные молекулы высококипящих фракций сырой нефти расщепляются на меньшие молекулы, из которых состоят низкокипящие фракции. Необходимость в крекинге обусловлена потребностью в бензине. В результате крекинга получают так же алкены – сырье для химической промышленности.

Крекинг разделяют на гидрокрекинг, каталитический крекинг и термокрекинг.

Гидрокрекинг – высококипящие фракции (воски, масла) переводят в низкокипящие (газойль, бензин) при нагревании, высоком давлении в атмосфере водорода, что позволяет получить насыщенные углеводороды.

Каталитический крекинг дает смесь насыщенных и ненасыщенных продуктов. В качестве катализатора используют алюмосиликаты, процесс проходит при относительно невысокой температуре (~500°С). Таким путем получают высококачественный бензин и алкены из тяжелых фракций нефти. Процесс протекает по ионному механизму.

Термический крекинг (пиролиз). Расщепление крупных молекул тяжелых фракций может быть осуществлено при невысоких температурах (~700°С). Это и происходит при термическом крекинге. Как и при каталитическом , образуется смесь алканов и алкенов:

Процесс носит радикальный характер.

Таким образом, процессы крекинга заключаются в расщеплении более крупных молекул на менее крупные.

2) Риформинг. В отличие от процесса крекинга, риформинг приводит к изменению структуры молекул или к их объединению в более крупные. Используют в нефтепереработке для превращения низкокачественной бензиновой фракции сырой нефти в высококачественную фракцию. Кроме этого, риформинг используется для получения сырья нефтехимической промышленности.

Риформинг, как термический, так и каталитический, подразделяется на изомеризацию, алкилирование, циклизацию и ароматизацию.

Изомеризация – молекулы одного строения подвергаются перегруппировке с образованием структурного изомера. Такой процесс имеет большое значение для повышения качества бензиновой фракции, полученной после первичной перегонки нефти. Эта фракция содержит много неразветвленных алканов. Их превращают в изомеры, нагревая фракцию при 20-50 атм. до 500-600°С (термический риформинг). При каталитическом риформинге процесс проводят с применением катализаторов:

Алкилирование – образовавшиеся в результате крекинга алканы и алкены соединяются с образованием высококачественных бензинов (С₂÷С₄ + С₂÷С₄). Процесс идет при низкой температуре с использованием кислоты:

Реакция идет по ионному механизму.

Циклизация и ароматизация – сначала протекает циклизация алканов с последующей ароматизацией образовавшегося циклана:

По сути риформинг такого типа есть один из процессов крекинга (дважды идет дегидрирование). Такой тип риформинга называют платформингом, каталитическим риформингом или просто риформингом.

ПРОМЫШЛЕННАЯ СТЕХИОМЕТРИЯ

Стехиометрия – это раздел химии, исследующий количественные изменения, происходящие при химических реакциях. Термин «стехиометрия» введённый И. Рихтером, происходит от греческого слова «стехион» означающий «элементарный состав» и «метрей» (измерять). Основные усилия химиков XVIII и XIX веков были посвящены определению весовых соотношений элементов в веществах, что привело к накоплению современных знаний об атомных массах и к открытию новых элементов.

Стехиометрия имеет фундаментальное значение в современной химии. Она является основой количественного химического анализа. В химической промышленности знание стехиометрии необходимо для правильного ведения технологического процесса определения выхода химических продуктов и эффективности химических процессов. Стехиометрические методы также позволяют биохимикам прослеживать метаболические процессы, протекающие в живых организмах, например, процесс выделения энергии в их клетках.

Количественные законы химии

В химических реакциях одно или несколько веществ изменяют свой состав, давая новые вещества. Вещества, подвергающиеся превращению, называются реагентами, а вновь образующиеся вещества – продуктами. Тогда любая химическая реакция может быть записана в виде:

Реагенты → Продукты

В основе всех количественных химических расчетов лежат несколько основных законов химии.

1) Закон сохранения массы (материи) (Ломоносов-Лавуазье, 1756; 1785 гг). Современная формулировка этого закона такова: «Масса реагентов равна массе продуктов реакции». Общая масса участников реакции остается неизменной.

Масса вещества в системе СИ измеряется в килограммах, в химической практике – в мг, г, в химической технологии – в тоннах (т).

2) Закон постоянства состава (Пруст): «Химический состав вещества не зависит от способа его получения. Каким бы способом не было получено вещество, его качественный и количественный состав постоянен».

3) Закон кратных отношений (Дальтон): «Если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же <