Свойства и пожарная опасность углеводородов

Предельные углеводороды

Предельными углеводородами называются соединения, молекулы которых состоят из углерода и водорода, причем атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а их свободные связи насыщены атомами водорода.

Первые четыре углеводорода — газы, следующие—до С₁₅Н₃₄ — жидкости, начиная с С₁₆Н₃₄ — твердые вещества.

Предельные углеводороды при обычной температуре не окисляются и не вступают в реакцию с другими веществами. Малая химическая активность их объясняется тем, что атомы углерода полностью «насыщены» атомами водорода и не могут поэтому присоединять атомы других элементов. Молекулы предельных углеводородов способны только к замещению атомов водорода атомами других элементов (С1, Вг, F, I) или группой атомов. Предельные углеводороды являются горючими веществами.

В качестве примера рассмотрим свойства метана.

Метан. Метан — простейший представитель предельных углеводородов, основной компонент природного газа. Богатые месторождения газа имеются в Баку, Грозном, Дагестане, Западной Украине, близ Саратова, Сибири и в других местах. Его называют также рудничным газом, так как при добыче угля он часто выделяется в шахтах, образуя с воздухом взрывоопасные смеси. Метан непрерывно образуется в природе в результате разложения клетчатки (например, на дне болот), так называемого метанного брожения. Поэтому метан часто называют болотным газом. Он образуется также при сухой перегонке дерева и каменного угля.

Физические и химические свойства. Метан — газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху равна 16/29= 0,55). Он не способен к реакции присоединения, только атомы водорода могут в нем замещаться атомами хлора, брома, иода и фтора. Хлор, реагируя с метаном, постепенно замещает в нем атомы водорода.

В результате получается смесь хлорпроизводных метана, из которой можно выделить индивидуальные вещества.

Аналогично протекает реакция метана с бромом, иодом и фтором.

С хлором метан образует смесь, взрывающуюся при действии на нее солнечного света или другого сильного источника света (пламени горящего магния, пламени ацетилена и т. д.).

Взрыв смеси метана с хлором может произойти и при ее нагревании до 150 °С. Следовательно, недопустимо совместное хранение баллонов с хлором и метаном.

Взаимодействуя с азотной кислотой, метан образует нитрометан, который нашел широкое применение в промышленности как растворитель.

На воздухе метан горит слабосветящимся пламенем с выделением большого количества большого количества тепла.

СН₄ + 2О₂ СО₂ + Н₂О + Q

Максимальная температура пламени метана достигает приблизительно 2000 ^оС. Смесь метана с воздухом взрывоопасна. При взрыве метано-воздушных смесей развивается давление до 706 кПа.

Для предупреждения взрыва или аварийном выделении метана и для тушения факела в закрытых объемах обычно используют диоксид углерода СО₂ или азот.

При сильном нагревании без доступа воздуха метан разлагается на углерод и водород

СН₄ С + 2Н₂

Разложение метана может идти с образованием ацетилена

2СН₄ С₂ Н₂ + 3Н₂

Получение и применение. Основной источник получения метана - природный газ, газовые крекинга нефти, газы, образующиеся в процессе гидрогенизации твердого топлива и коксования каменных углей.

Гомологи метана – сжиженные пропан, изобутан и н-бутан. Их используют как топливо в двигателях внутреннего сгорания, в стекольной промышленности, в холодильном деле, в производстве синтетического каучука и многих химикатов (спирта, стирола, нитросоединений и т.д.).

Жидкие и твердые гомологи метана входят в состав нефтепродуктов.

Непредельные углеводороды

Атомы непредельных, или ненасыщенных, углеводородов не полностью «насыщены» атомами водорода. Это приводит к тому, что между атомами углерода появляется двойная или тройная связь.

Непредельные углеводороды с двойной связью. К непредельным углеводородам с одной двойной связью относится этилен и его гомологи

Н₂С=СН₂ - этилен
С увеличением числа атомов углерода происходит закономерное понижение температуры самовоспламенения и теплоты сгорания и повышение температуры кипения.

Этилен.Физические и химические свойства.Этилен С₂Н₄ - это бесцветный газ со слабым эфирным запахом, немного легче воздуха, плохо растворим в воде, ядовит. Этилен способен самовозгораться в атмосфере хлора

С₂Н₄ + 2С1₂ 4НС1 + 2С

Эта реакция, как правило, протекает со взрывом, особенно если на приготовленную смесь попадает солнечный свет. Следовательно, совместное хранение баллонов с хлором и этиленом недопустимо. Этилен, как и все углеводороды, является горючим веществом. В отличие от метана он горит сильно светящимся пламенем, это обусловлено повышенным содержанием углерода (86% против 75% в метане). Смеси этилена с воздухом при поджигании взрываются с большой силой. Давление при этом достигает 764 кПа.

При нагревании этилена до температуры выше 450 °С начинается его разложение

ЗС₂Н₄ 2СН₄ + 2С₂Н₂

При более высоких температурах распад протекает по схеме

С₂Н₄ С₂Н₂ + Н₂

Для предупреждения взрыва при аварийном истечении этилена и тушения факела пламени в закрытых объемах необходимая минимальная концентрация диоксида углерода как огнетушащего средства составляет
42% (об.), а азота 52% (об.).

Характерными химическими реакциями для этилена являются реакции присоединения, окисления и полимеризации.

При давлении приблизительно 98 МПа и нагреве до 200 °С молекулы этилена соединяются друг с другом. При этом образуется твердое вещество с более крупными молекулами, содержащими до тысячи групп СН₂ и не имеющими двойных связей — полиэтилен.

Получение и применение. Этилен получают из продуктов сухой перегонки многих органических веществ. Он содержится в коксовом газе и газах крекинга нефти. Этилен можно получить из этилового спирта, отщепляя от него воду водоотнимающими средствами.

Этилен можно получить также в результате расщепления паров этилового спирта при высокой температуре в присутствии катализаторов (А1₂О₃ и др.).

Из этилена получают галогенорганические вещества: дихлорэтан, трихлорэтан, тетрахлорэтан, являющиеся хорошими растворителями жиров, масел, органического стекла. Полимеризацией из этилена в одних условиях получают полимеры — полиэтилен (политен), а в других —синтетические смазочные масла, являющиеся основным сырьем для производства незамерзающих при низкой температуре авиационных масел. Помимо указанных продуктов, из этилена получают этиленгликоль, иприт, этиламин, дибромметан. Последний нашел применение как средство пожаротушения.

Ацетилен. Физические и химические свойства. Ацетилен — бесцветный газ, имеющий в чистом состоянии слабый эфирный запах. Технический ацетилен имеет неприятный запах, обусловленный примесями фосфористого водорода Н₃Р, сероводорода Н₂S, аммиака NH_3. Ацетилен легче воздуха, растворяется в воде (при 20 °С в объеме воды растворяется 1,03 объема ацетилена). Вода, насыщенная ацетиленом, представляет пожарную опасность. Ацетилен хорошо растворяется в ацетоне (при 15°С в одном объеме ацетона растворяется 25 объемов ацетилена). Растворимость ацетилена в ацетоне возрастает с увеличением давления. Так, при давлении 1137 кПа в одном объеме ацетона растворяется 300 объемов ацетилена.

Газообразный чистый ацетилен под давлением неустойчив. При давлении более 196 кПа ацетилен способен разлагаться со взрывом (под действием удара или местного нагрева)

С₂Н ₂ 2С + Н₂

Температура взрыва достигает 3000 °С, давление увеличивается приблизительно в 11 раз. Поэтому ацетилен нельзя хранить в сжатом состоянии, подобно другим газам, в стальных баллонах обычного типа. Для его хранения и перевозки применяют баллоны, наполненные активным углем, пропитанным ацетоном, в котором и растворяют ацетилен под давлением. При таком способе хранения ацетилен не взрывается даже при давлении 2940 кПа.

Ацетилен с воздухом образует взрывчатые смеси; пределы воспламенения НПВ — 2%, ВПВ — 81%. Температура самовоспламенения 335 °С. При сжигании ацетилена в кислороде развивается высокая температура, достигающая 4000 °С. Теплота сгорания 57960 кДж/м³.

Ацетилено-воздушные смеси взрываются с большой силой. Давление взрыва достигает 931 кПа. Для предупреждения взрыва при аварийном истечении ацетилена, а также для тушения факела в закрытых помещениях
требуются большие концентрации диоксида углерода как огнетушащего средства: 57% (об.) СО₂ и 70% (об.) N₂.

Для ацетилена характерны реакции непредельных углеводородов.

От контакта с бромом, хлором и фтором ацетилен самовозгорается.

Если в смесь хлора с ацетиленом попадает воздух, происходит взрыв.

Ацетилен способен к полимеризации. При полимеризации ацетилена получается весьма ценный продукт — винилацетилен (СН₂ = СН — С СН). Винилацeтилен является промежуточным продуктом для синтеза хлоропрена, из которого получают хлоропреновый каучук. Реакция полимеризации ацетилена может начаться при 60 °С, но более энергично протекает при 150— 180 °С. Если при этом процессе тепло полностью не будет отводиться в окружающую среду, температура может подняться до 500 — 525 °С и произойдет взрывчатый распад ацетилена.

Получение и применение. Часто на практике ацетилен получают действием воды на карбид кальция (СаС2). Реакция сопровождается выделением большого количества тепла. Если на карбид кальция воздействовать небольшим количеством воды, то выделяющийся
при этом ацетилен может нагреться до температуры самовоспламенения и загореться.

В промышленности ацетилен еще получают термическим разложением метана

2СН₄ С₂Н₂ + 3Н₂

Образование ацетилена начинается при 453 К, а наиболее полное превращение метана в ацетилен происходит три 1773 К. Побочными продуктами при этом процессе являются этилен, углерод и водород.

Ацетилен вступает в самые сложные реакции, и это
дает возможность получать из него разнообразные синтетические материалы: жидкие и твердые, упругие и высокопрочные, устойчивые к действию кислот, прекрасные диэлектрики и т. п.

Ацетилен — исходный продукт для получения многих видов пластических масс, синтетических каучуков, волокон (хлорина и нитрона). Ацетилен применяют для получения уксусного альдегида, хлорвинила и винилацетилена (последний используют для получения хлоропрено-
вого каучука), а также в качестве горючего при газовой сварке.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды — это соединения, в молекулах которых содержится шесть атомов углерода, образующих замкнутый шестичленный цикл, связи которого насыщены только наполовину. Это кольцо называют
бензольным ядром или бензольным кольцом.

Бензол. Физические и химические свойства. Бензол С₆Н₆ - легковоспламеняющаяся, подвижная, бесцветная, нерастворимая в воде жидкость со своеобразным запахом. Эта жидкость относится к диэлектрикам. Пары бензола ядовиты. Бензол является хорошим растворителем масел и жиров.

При смешивании бензола с окислителями — пероксидом натрия Nа₂О₂, хромовым ангидридом СгО₃ — происходит разогревание. Очевидно, возможно и загорание. Смесь, состоящая из бензола и бертолетовой соли КСlOз, загорается от действия капли серной кислоты.

При поджигании бензол горит сильно коптящим пламенем вследствие большого содержания углерода (92,3%):

2С₆Н₆ + 15О₂ 12СО₂ + 6СО₂

Линейная скорость выгорания бензола со свободной поверхности составляет 30 см/ч.

Пары бензола с воздухом взрывоопасны. При взрыве паровоздушных смесей бензола развивается давление до 784 кПа.

Применение. Бензол применяют для получения нитробензола, который в свою очередь является сырьем для получения анилина. Бензол применяют также для получения фармацевтических продуктов (аспирина, пирамидона), взрывчатых веществ (динитробепзола), фе-
нола и др.

Стирол. Физические и химические свойства. Стирол С₆Н₅—СН=СН₂ — бесцветная, легковоспламеняющаяся, сильно преломляющая свет жидкость с характерным запахом, нерастворимая в воде, но хорошо растворимая в эфире, спирте и бензоле. Стирол иначе называют винилбензолом.

Основным химическим свойством стирола является его способность к реакции полимеризации, в результате которой образуется высокомолекулярное соединение — полистирол.

Применение.Применение полистирола в промышленности весьма разнообразно. Высокие диэлектрические свойства полистирола определяют его широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Как любое непредельное соединение стирол легко гидрируется по двойной связи. Стирол превращается в этилбензол, а при дальнейшем гидрировании — в этилциклогексан.

Нефть и нефтепродукты

Физические свойства. Нефть — маслянистая, обычно темная, реже желтая или светлая жидкость, легче воды. Плотность большинства нефтей колеблется от 770 до 960 кг/м³. Лишь очень немногие нефти имеют плотность, равную 1,0 или даже немного больше. Чем меньше плотность нефти, тем лучше ее качество, т. е. тем больше содержится в ней бензиновых и керосиновых фракций. По химическому составу нефть представляет собой смесь различных органических соединений, главным образом углеводородов.

Нефти разных нефтяных месторождений и даже разных пластов одного месторождения различаются по составу. Нефть является легко воспламеняющейся жидкостью, так как температура вспышки ее лежит в пределах от минус 34°С до +34°С. Нефть имеет сравнительно низкую температуру самовоспламенения, лежащую в пределах от 260 до 375 К. Кроме того, она имеет высокую теплоту сгорания (выше 42000 кДж/кг).

Применение.Из нефти путем перегонки получают высокосортные бензины, смазочные масла и керосин. Более сложной переработкой нефтепродуктов получают красители, лекарственные вещества, взрывчатые вещества и т. д. Из газообразных продуктов нефтепереработки, которые богаты непредельными углеводородами, получают самые разнообразные органические вещества: спирты, жидкое горючее, различные полимеры и материалы на их основе (резины, пластмассы и т. д.).

Нефтепродукты. Основными продуктами переработки нефти являются бензин, керосин, лигроин, соляровое масло и смазочные масла. Бензин составляет самую легкую фракцию нефти (начальная температура кипения 65—75°С). Его применяют в основном как моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, бензин используют в качестве растворителя масел, жиров и каучука. Керосин применяют главным образом как моторное топливо для тракторов и реактивных двигателей, а также для бытовых нужд. Соляровые масла применяют в качестве топлива для дизельных двигателей, а в смеси с другими продуктами используют как сырье в процессе крекинга. Смазочные масла являются вторым по важности нефтепродуктом после бензина. Их используют для смазки машин и механизмов (двигателей внутреннего сгорания, турбин, станков, электромоторов, динамомашин), при обработке металлов резанием, в электропромышленности (для электрических масляных выключателей), для обогащения руд методом флотации и многих других целей. Смазочные масла подразделяются на три основные группы: веретенные, машинные и цилиндровые.

10 СВОЙСТВА И ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ,
СОДЕРЖАЩИХ КИСЛОРОД И АЗОТ

Спирты и простые эфиры

Спирты. Спиртами называют органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, соединенных с углеводородными радикалами. По числу гидроксильных групп, находящихся в молекуле, определяют атомность спирта. Спирты бывают одно-, двух- трех- и многоатомные