Природные газы, нефть и топливо.
Природные газы, нефть и каменный уголь, – основные источники углеводородов. На сегодняшний день это пока и основной источник энергии на Земле, поскольку атомные, а также гидроэлектростанции дают пока сравнительно мало энергии.
Природные газы и их использование.
В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он содержит 95-98% метана, 2-3% суммы этана, пропана и бутана, а также небольшое количество примесей – сероводорода, азота, инертных газов и оксида углерода(IV). Путем перегонки природного газа можно получить низшие алканы в индивидуальном состоянии.
Природный газ используется повсеместно как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью, поскольку при сжигании 1 м3 газа выделяется более 50 000 кДж. Кроме того, природный газ перерабатывается различными способами. Главная цель переработки природного газа – превращение относительно инертных предельных углеводородов в более активные непредельные – алкены и алкины, которые затем переводят в синтетические полимеры. Кроме того, окислением углеводородов природного газа получают органические кислоты, спирты и другие соединения.
Нефть и ее переработка.
Нефть – маслянистая жидкость темно-бурого или почти черного цвета с характерным резким запахом. Она легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см3) и в ней практически нерастворима. По химическому составу нефть состоит из множества различных углеводородов, главным образом жидких, в которых растворены газообразные и твердые углеводороды. Соотношение углеводородов различных видов сильно колеблется в зависимости от широких пределов. В азербайджанской нефти преобладают циклоалканы, в грозненской или западноукраинской – предельные углеводороды, на Урале – ароматические.
Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты: бензины (Т. кип. 40-150 0С), лигроины (120-240 0С), керосины (200-300 0С) и соляровое масло (выше 300 0С), а в остатке мазут. Мазут перегоняют при пониженном давлении и выделяют большое количество смазочных масел: машинное, индустриальное, цилиндровое, компрессорное, трансформаторное и ряд других. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после полной перегонки называют гудроном. Применение названных продуктов очень разнообразно.
1. Бензин в больших количествах используют в качестве автомобильного или авиационного топлива.
2. Лигроин иногда служит топливом для дизельных двигателей, растворителем в лакокрасочной промышленности. В основном его перерабатывают в бензин.
3. Керосин является топливом в реактивных самолетах, тракторных и танковых двигателях.
4. Соляровое масло используется в качестве топлива
5. Применение смазочных масел очень разнообразно.
6. Вазелин и парафин используют для получения высших карбоновых кислот, из которых получают мыла и СМС, для изготовления свечей и крема для обуви.
7. Из гудрона получают асфальт.
8. Мазут перерабатывают на смазочные масла, обладающие высокой температурой вспышки и большой вязкостью, а также в качестве котельного топлива.
Вторичные методы переработки нефти. Среди них наибольшее значение имеет крекинг – расщепление углеводородов нефти, с целью повышения выхода бензина. Разделяют термический и каталитический крекинг.
Термический крекинг проводится при нагревании исходного сырья до температуры 450-550 0С и давлении 20-70 атмосфер (2-7 МПа). При этом молекулы углеводородов расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов. Таким способом получают в основном автомобильный бензин. Его выход из нефти при термическом крекинге достигает 70%.
Каталитический крекинг проводится в присутствии катализатора: очищенная особенным образом глина, то есть смесь оксидов кремния, алюминия и щелочных металлов – калия и/или натрия. Температура при этом составляет около 450 0С при атмосферном давлении. Этим способом получается авиационный бензин с выходом до 80%. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления протекают реакции изомеризации, в результате которых получаются углеводороды с более разветвленным скелетом, что улучшает качество бензина.
Лекция 21.
Высокомолекулярные соединения.
Реакции полимеризации.
Высокомолекулярные соединения или полимеры – это молекулы, состоящие из большого количества одинаковых звеньев, называемых мономерами. Например, при полимеризации этилена образуется полиэтилен: СН2=СН2 + СН2=СН2 ® –СН2–СН2–СН2–СН2– и т.д. таким образом, общее уравнение реакции полимеризации этилена можно записать так: n СН2=СН2 ® (–СН2–СН2–)n. Здесь СН2=СН2 мономер, а –СН2–СН2– элементарное звено полимера.
Таким образом, реакция полимеризации – это процесс образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного (одного или нескольких). При реакции полимеризации нескольких низкомолекулярных органических веществ продукты реакции называются сополимерами.
Полиэтилен делится по способу получения на полиэтилен высокого давления и полиэтилен низкого давления. Первый является более мягким материалом и жирен на ощупь. В нем имеются молекулы различной длины, многие из которых содержат боковые цепи. Вследствие большого беспорядка в расположении молекул полиэтилен полупрозрачен. Полиэтилен низкого давления обладает более высокой плотностью. Условия его синтеза обеспечивают такие, что углеводородные цепи не сильно отличаются по длине и содержат от 10.000 до 100.000 атомов углерода и не более одной боковой цепи на 100 углеродных атомов. Полиэтилен является отличным электроизоляционным материалом вследствие затрудненного движения электронов между атомами углеродной цепи. В то же время полиэтилен является хорошим растворителем для жиров, масел и смазок. Несмотря на то, что растворение протекает медленно, из-за малой подвижности макромолекул полимера, полиэтилен на воздухе поглощает пыль и другие загрязнения и постепенно тускнеет, теряя свои свойства.
Полипропилен. Мономером данного полимера является пропен, при полимеризации которого на специальных катализаторах Циглера, образуются макромолекулы, не содержащие ответвлений, а все группы СН3 расположены по одну сторону цепи. Такой полимер упорядоченного строения называется изотактическим. Он очень плотно упакован, поэтому полипропилен отличается большой твердостью, жесткостью, устойчивостью к истиранию и высокой температурой плавления.
Поливинилхлорид (ПВХ). Мономером является винилхлорид – канцерогенный газ. Поливинилхлорид один из наиболее ценных полимеров. Вследствие большого радиуса атомов хлора ПВХ не обладает большой твердостью, но обладает пластичностью. Для ее увеличения в полимер добавляют пластификаторы. Эти пластификаторы химически никак не связаны с молекулами ПВХ, поэтому со временем медленно мигрируют к поверхности изделия и постепенно теряются. При этом пластик стареет и становится более хрупким и жестким. Сейчас появились наполнители получше, вследствие чего срок службы ПВХ резко взрос. Из него делают водопроводные трубы, кредитные карточки и многое, многое другое.
Полистирол. Полимеризация стирола приводит к образованию длинных цепей, построенных из звеньев –CH(C2H5) – CH2 –; отдельные цепи практически не связаны между собой поперечными связями. Хотя можно получить и изотактические цепи, в которых все бензольные цепи расположены на одной стороне цепи, такой полимер слишком хрупок для большинства практических целей. Поэтому в промышленности получают в основном атактический полистирол, в молекулах которого бензольные кольца ориентированы хаотично. Бензольные кольца придают полистиролу чувствительность к действию ультрафиолетового или другого высокоэнергетического излучения, поэтому обычно в полистирол вводят добавки антиоксидантов.
Метилметакрилат. Это мономер, полимеризацией которого получают полиметилметакрилат, известный под названием плексиглас. Связанные с этиленовыми звеньями полимерной цепи объемными заместителями различной формы являются причиной того, что полимерные цепи располагаются одна относительно другой совершенно хаотично, поэтому полимер не имеет упорядоченной структуры. Поскольку твердый полиметилметакрилат аморфен в смысле относительного расположения молекул, он не рассеивает проходящий через него свет. Поэтому изготовленные из чистого полимера блоки совершенно прозрачны и не уступают в этом отношении чистой воде. Метилакриат можно полимеризовать в присутствии поверхностно активных веществ, вследствие чего акриловый полимер образуется в виде крошечных капелек, суспендированных в молочно-белой эмульсии. Такая эмульсия является основой акриловых красителей; для их получения достаточно добавить к эмульсии пигмент. Акриловые полимеры не разрушаются на свету.
Полиакрилонитрил. Процесс полимеризации акрилонитрила аналогичен процессу получения полиэтилена. Из него получают акриловое волокно для получения синтетической одежды. Чистый полиакрилонитрил не окрашивается, поэтому при его полимеризации обычно добавляют небольшие количества стирола, винилхлорида, винилацетата и других полимеров. Таким образом получают модифицированные акриловые волокна, способные связывать молекулы красителя. Добавки хлорированных молекул увеличивают огнестойкость полимеров. Кроме того, акриловые полимеры устойчивы к действию солнечного света, поэтому их применяют для изготовления оргстекла и других изделий, находящихся на открытом воздухе.
В зависимости от особенностей строения молекул полимерные материалы имеют различные свойства. Полимеры, молекулы которых имеют линейный характер, обладают термопластичностью — многократно размягчаются при нагревании и снова затвердевают при охлаждении. Такие свойства у полиэтилена и полистирола. Полимеры, у которых строение молекул объёмное, обладают термореактивными свойствами. После того, как при первом нагревании они приобретут пластичность и заданную форму, впоследствии уже не могут обратимо расплавляться и затвердевать. Такие полимеры (фенопласты) переходят в нерастворимое и неплавкое состояние.
Для изготовления полимерных строительных материалов, изделий и конструкций чаще всего используется:
Полиэтилен (производство труб и плёнки)
Полистирол (производство плит и лаков)
Полихлорвинил (производство линолеума)
Полиметилметакрилат (производство органического стекла)
Лекция 22.