Sloučeniny sestávající pouze z atomů uhlíku a vodíku.
Uhlovodíky se dělí na cyklické (karbocyklické sloučeniny) a acyklické.
Cyklické (karbocyklické) jsou sloučeniny, které obsahují jeden nebo více cyklů sestávajících pouze z atomů uhlíku (na rozdíl od heterocyklických sloučenin obsahujících heteroatomy - dusík, síra, kyslík atd.). Karbocyklické sloučeniny se zase dělí na aromatické a nearomatické (alicyklické) sloučeniny.
Acyklické uhlovodíky zahrnují organické sloučeniny, jejichž molekuly uhlíkového skeletu jsou otevřené řetězce.
Tyto řetězce mohou být tvořeny jednoduchými vazbami (alkany), mohou obsahovat jednu dvojnou vazbu (alkeny), dvě nebo více dvojných vazeb (dieny nebo polyeny) nebo jednu trojnou vazbu (alkyny).
Jak víte, uhlíkové řetězce jsou součástí většiny organické hmoty. Tak získává studium uhlovodíků zvláštní význam, protože tyto sloučeniny jsou strukturním základem jiných tříd organických sloučenin.
Kromě toho jsou uhlovodíky, zejména alkany, hlavními přírodními zdroji organických sloučenin a základem nejdůležitějších průmyslových a laboratorních syntéz (schéma 1).
Už víte, že uhlovodíky jsou nejdůležitějším druhem suroviny pro chemický průmysl. Uhlovodíky jsou zase v přírodě poměrně rozšířené a lze je izolovat z různých přírodních zdrojů: ropy, související ropy a zemního plynu, uhlí. Pojďme se na ně podívat blíže.
Olej- přírodní komplexní směs uhlovodíků, především alkanů lineární a rozvětvené struktury, obsahující od 5 do 50 atomů uhlíku v molekulách, s dalšími organickými látkami. Jeho složení výrazně závisí na místě jeho těžby (uložení), kromě alkanů může obsahovat cykloalkany a aromatické uhlovodíky.
Plynné a pevné složky oleje jsou rozpuštěny v jeho kapalných složkách, což určuje jeho stav agregace. Olej je olejovitá kapalina tmavé (hnědé až černé) barvy s charakteristickým zápachem, nerozpustná ve vodě. Jeho hustota je menší než hustota vody, a proto, když se do ní dostane ropa, šíří se po povrchu a zabraňuje rozpouštění kyslíku a dalších vzdušných plynů ve vodě. Je zřejmé, že když se ropa dostane do přírodních vodních ploch, způsobí smrt mikroorganismů a zvířat, což vede k ekologickým katastrofám a dokonce katastrofám. Existují bakterie, které mohou používat ropné složky jako potraviny a přeměňovat je na neškodné produkty své životně důležité činnosti. Je jasné, že používání kultur těchto bakterií je tím nejekologičtějším a nejslibnějším způsobem boje proti znečištění životní prostředí ropy při její výrobě, přepravě a zpracování.
V přírodě vyplňuje dutiny zemského nitra ropa a související ropný plyn, o kterých bude řeč níže. Jako směs různých látek nemá olej konstantní bod varu. Je zřejmé, že každá z jeho složek si ve směsi zachovává své individuální vlastnosti. fyzikální vlastnosti, což umožňuje rozdělit olej na jeho složky. K tomu se čistí od mechanických nečistot a sloučenin obsahujících síru a podrobuje se tzv. frakční destilaci neboli rektifikaci.
Frakční destilace je fyzikální metoda oddělení směsi složek z různé teploty vařící.
Destilace se provádí ve speciálních zařízeních - destilačních kolonách, ve kterých se opakují cykly kondenzace a odpařování kapalných látek obsažených v oleji (obr. 9).
Páry vzniklé při varu směsi látek jsou obohaceny o složku s nižší teplotou varu (tj. s nižší teplotou). Tyto páry se shromažďují, kondenzují (ochlazují se pod bod varu) a přivádějí se zpět k varu. V tomto případě se tvoří páry, které jsou ještě více obohaceny o nízkovroucí látku. Mnohonásobným opakováním těchto cyklů je možné dosáhnout téměř úplného oddělení látek obsažených ve směsi.
Do destilační kolony se dostává olej zahřátý v trubkové peci na teplotu 320-350 °C. Destilační kolona má vodorovné přepážky s otvory - tzv. patra, na kterých dochází ke kondenzaci ropných frakcí. Nízkovroucí frakce se hromadí na vyšších a vysokovroucí - na nižších.
Během rektifikačního procesu je olej rozdělen do následujících frakcí:
Rektifikační plyny jsou směsí nízkomolekulárních uhlovodíků, především propanu a butanu, s bodem varu do 40 °C;
Benzínová frakce (benzín) - uhlovodíky o složení od C 5 H 12 do C 11 H 24 (bod varu 40-200 ° C); jemnějším oddělením této frakce se získá benzin (petrolether, 40-70 °C) a benzin (70-120 °C);
Naftová frakce - uhlovodíky o složení od C8H18 do C14H30 (bod varu 150-250 °C);
Petrolejová frakce - uhlovodíky o složení od C12H26 do C18H38 (bod varu 180-300 ° C);
Motorová nafta - uhlovodíky o složení od C13H28 do C19H36 (bod varu 200-350 °C).
Zbytek destilace ropy je topný olej- obsahuje uhlovodíky s počtem atomů uhlíku od 18 do 50. Destilací za sníženého tlaku z topného oleje se získává motorová nafta (C18H28-C25H52), mazací oleje (C28H58-C38H78), vazelína a parafín - směsi s nízkou teplotou tání pevných uhlovodíků. Pevný zbytek z destilace topného oleje - dehet a produkty jeho zpracování - bitumen a asfalt se používají k výrobě povrchů vozovek.
Produkty získané rektifikací ropy jsou podrobeny chemickému zpracování, které zahrnuje řadu složitých procesů. Jedním z nich je krakování ropných produktů. Už víte, že topný olej se rozděluje na složky za sníženého tlaku. To se vysvětluje tím, že když atmosférický tlak jeho složky se začnou rozkládat před dosažením bodu varu. To je přesně základ crackingu.
Praskání - tepelný rozklad ropných produktů, vedoucí ke vzniku uhlovodíků s menším počtem atomů uhlíku v molekule.
Existuje několik typů praskání: tepelné, katalytické praskání, praskání vysoký tlak, redukce praskání.
Tepelné krakování zahrnuje štěpení molekul uhlovodíků s dlouhým uhlíkovým řetězcem na kratší pod vlivem vysoké teploty (470-550 °C). Při tomto štěpení vznikají spolu s alkany alkeny.
V obecný pohled tuto reakci lze zapsat takto:
CnH2n+2 -> Cn-kH2(n-k)+2 + CkH2k
alkan alkan alken
s dlouhým řetězem
Výsledné uhlovodíky mohou být znovu krakovány za vzniku alkanů a alkenů s ještě kratším řetězcem atomů uhlíku v molekule:
Při konvenčním tepelném krakování vzniká mnoho nízkomolekulárních plynných uhlovodíků, které lze použít jako suroviny pro výrobu alkoholů. karboxylové kyseliny vysokomolekulární sloučeniny (například polyethylen).
Katalytické krakování se vyskytuje v přítomnosti katalyzátorů, které využívají přírodní hlinitokřemičitany o složení RA1203" T8Iu2-
Krakování s použitím katalyzátorů vede k tvorbě uhlovodíků s rozvětveným nebo uzavřeným řetězcem atomů uhlíku v molekule. Obsah uhlovodíků této struktury v motorovém palivu výrazně zvyšuje jeho kvalitu, především odolnost proti detonaci - oktanové číslo benzínu.
Při vysokých teplotách dochází k praskání ropných produktů, takže se často tvoří uhlíkové usazeniny (saze), které kontaminují povrch katalyzátoru, což prudce snižuje jeho aktivitu.
Očištění povrchu katalyzátoru od uhlíkových usazenin – jeho regenerace – je hlavní podmínkou pro praktickou realizaci katalytického krakování. Nejjednodušší a nejlevnější způsob regenerace katalyzátoru je jeho pražení, při kterém dochází k oxidaci uhlíkových usazenin vzdušným kyslíkem. Plynné oxidační produkty (hlavně oxid uhličitý a oxid siřičitý) se z povrchu katalyzátoru odstraňují.
Katalytické krakování je heterogenní proces, kterého se účastní pevné (katalyzátor) a plynné (uhlovodíkové páry) látky. Je zřejmé, že regenerace katalyzátoru - interakce pevných sazí se vzdušným kyslíkem - je také heterogenní proces.
Heterogenní reakce(plyn - pevná látka) proudí rychleji, jak se zvětšuje povrch pevné látky. Katalyzátor se proto drtí a jeho regenerace a krakování uhlovodíků probíhá ve „fluidním loži“, známém z výroby kyseliny sírové.
Surovina pro krakování, jako je plynový olej, vstupuje do kuželového reaktoru. Spodní část reaktoru má menší průměr, takže průtok páry suroviny je velmi vysoký. Plyn pohybující se vysokou rychlostí zachycuje částice katalyzátoru a unáší je pryč nejlepší část reaktor, kde v důsledku zvětšení jeho průměru klesá průtok. Vlivem gravitace padají částice katalyzátoru do spodní, užší části reaktoru, odkud jsou opět unášeny vzhůru. Každé zrnko katalyzátoru je tedy v neustálém pohybu a je ze všech stran omýváno plynným činidlem.
Některá zrna katalyzátoru vstupují do vnější širší části reaktoru a nesetkají-li se s odporem proudu plynu, spadnou do spodní části, kde jsou zachycena proudem plynu a unášena do regenerátoru. Tam se v režimu „fluidního lože“ katalyzátor vypálí a vrátí do reaktoru.
Katalyzátor tedy cirkuluje mezi reaktorem a regenerátorem a odstraňují se z nich plynné produkty krakování a pražení.
Použití krakovacích katalyzátorů umožňuje mírně zvýšit rychlost reakce, snížit její teplotu a zlepšit kvalitu krakovacích produktů.
Výsledné uhlovodíky benzinové frakce mají převážně lineární strukturu, což vede k nízké detonační odolnosti výsledného benzinu.
Pojem „odolnost proti klepání“ budeme uvažovat později, prozatím pouze poznamenáme, že uhlovodíky s molekulami rozvětvené struktury mají výrazně větší detonační odolnost. Je možné zvýšit podíl izomerních rozvětvených uhlovodíků ve směsi vzniklé při krakování přidáním izomeračních katalyzátorů do systému.
Ropná pole obsahují zpravidla velké nahromadění tzv. asociovaného ropného plynu, který se shromažďuje nad ropou v zemské kůře a pod tlakem nadložních hornin se v ní částečně rozpouští. Stejně jako ropa je i související ropný plyn cenným přírodním zdrojem uhlovodíků. Obsahuje především alkany, jejichž molekuly obsahují od 1 do 6 atomů uhlíku. Je zřejmé, že složení souvisejícího ropného plynu je mnohem chudší než ropa. Navzdory tomu je však také široce používán jako palivo i jako surovina pro chemický průmysl. Ještě před několika desetiletími se na většině ropných polí spaloval související ropný plyn jako neužitečný doplněk k ropě. V současné době se například v Surgutu, nejbohatší ropné zásobě v Rusku, vyrábí nejlevnější elektřina na světě pomocí souvisejícího ropného plynu jako paliva.
Jak již bylo uvedeno, související ropný plyn je ve srovnání se zemním plynem bohatší na složení různých uhlovodíků. Když je rozdělíme na zlomky, dostaneme:
Benzín je vysoce těkavá směs sestávající převážně z lenthanu a hexanu;
Směs propan-butanu, sestávající, jak název napovídá, z propanu a butanu a snadno přecházející do kapalného stavu při zvýšení tlaku;
Suchý plyn je směs obsahující převážně metan a ethan.
Benzín, jako směs těkavých složek s malou molekulovou hmotností, se dobře odpařuje i při nízké teploty. To umožňuje použití plynového benzinu jako paliva pro spalovací motory na Dálném severu a jako přísadu do motorového paliva, což usnadňuje startování motorů v zimních podmínkách.
Směs propan-butanu ve formě zkapalněného plynu se používá jako palivo pro domácnost (známé plynové lahve na vaší chatě) a k plnění zapalovačů. Postupný překlad silniční doprava na zkapalněný plyn - jeden z hlavních způsobů, jak překonat globální palivovou krizi a vyřešit problémy životního prostředí.
Suchý plyn, jehož složení se blíží zemnímu plynu, je také široce používán jako palivo.
Využití přidruženého ropného plynu a jeho složek jako paliva však zdaleka není nejslibnějším způsobem jeho využití.
Mnohem efektivnější je použít přidružené složky ropného plynu jako suroviny pro chemická výroba. Z alkanů, které tvoří související ropný plyn, se získává vodík, acetylen, nenasycené a aromatické uhlovodíky a jejich deriváty.
Plynné uhlovodíky mohou nejen doprovázet ropu v zemské kůře, ale také vytvářet samostatné akumulace - ložiska zemního plynu.
Zemní plyn
- směs plynných nasycených uhlovodíků s nízkou molekulovou hmotností. Hlavní složkou zemního plynu je metan, jehož podíl se v závislosti na oboru pohybuje od 75 do 99 % objemových. Zemní plyn zahrnuje kromě metanu také ethan, propan, butan a isobutan a také dusík a oxid uhličitý.
Stejně jako související ropa se zemní plyn používá jako palivo i jako surovina pro výrobu různých organických a anorganické látky. Už víte, že z metanu, hlavní složky zemního plynu, se získává vodík, acetylen a metylalkohol, formaldehyd a kyselina mravenčí a mnoho dalších organických látek. Zemní plyn se používá jako palivo v elektrárnách, v kotelních systémech pro ohřev vody v obytných a průmyslových budovách, ve vysokopecních a otevřených výhních. Zapálením zápalky a zapálením plynu v kuchyňském plynovém sporáku městského domu „spustíte“ řetězovou reakci oxidace alkanů, které tvoří zemní plyn. , Kromě ropy, přírodní a související ropný plyn, přírodním zdrojem uhlovodíků je uhlí. 0n tvoří silné vrstvy v útrobách země, jeho prokázané zásoby výrazně převyšují zásoby ropy. Stejně jako ropa obsahuje uhlí velké množství různých organických látek. Kromě organických látek obsahuje i látky anorganické, jako je voda, čpavek, sirovodík a samozřejmě samotný uhlík – uhlí. Jednou z hlavních metod zpracování uhlí je koksování – kalcinace bez přístupu vzduchu. V důsledku koksování, které se provádí při teplotě asi 1000 °C, vznikají:
Koksárenský plyn, který obsahuje vodík, metan, oxid uhličitý a oxid uhličitý, příměsi čpavku, dusíku a dalších plynů;
černouhelný dehet obsahující několik setkrát více osobních organických látek, včetně benzenu a jeho homologů, fenolu a aromatických alkoholů, naftalenu a různých heterocyklických sloučenin;
suprasin neboli čpavková voda obsahující, jak název napovídá, rozpuštěný čpavek, jakož i fenol, sirovodík a další látky;
koks je pevný zbytek z koksování, téměř čistý uhlík.
Používá se koks při výrobě železa a oceli, čpavek - při výrobě dusíkatých a kombinovaných hnojiv a význam organických koksárenských produktů lze jen stěží přeceňovat.
S tím související ropa a zemní plyny, uhlí jsou tedy nejen nejcennějšími zdroji uhlovodíků, ale také součástí jedinečné zásobárny nenahraditelných přírodní zdroje, jehož pečlivé a rozumné použití - nutná podmínka progresivní vývoj lidské společnosti.
1. Vyjmenujte hlavní přírodní zdroje uhlovodíků. Jaké organické látky jsou součástí každého z nich? Co mají jejich skladby společného?
2. Popište fyzikální vlastnosti ropy. Proč nemá konstantní bod varu?
3. Shrnutí zpráv v médiích, popis ekologických katastrof způsobených úniky ropy a způsoby překonání jejich následků.
4. Co je to náprava? Na čem je tento proces založen? Pojmenujte frakce získané rektifikací oleje. Jak se od sebe liší?
5. Co je to praskání? Uveďte rovnice pro tři reakce odpovídající krakování ropných produktů.
6. Jaké znáte druhy praskání? Co mají tyto procesy společného? Jak se od sebe liší? Jaký je zásadní rozdíl mezi různými druhy krakovacích produktů?
7. Proč má související ropný plyn tento název? Jaké jsou jeho hlavní složky a jejich použití?
8. Jak se zemní plyn liší od souvisejícího ropného plynu? Co mají jejich skladby společného? Uveďte rovnice reakce spalování pro všechny vám známé složky souvisejícího ropného plynu.
9. Uveďte reakční rovnice, kterými lze získat benzen ze zemního plynu. Specifikujte podmínky pro tyto reakce.
10. Co je koksování? Jaké jsou její produkty a jejich složení? Uveďte rovnice reakcí charakteristické pro vám známé produkty koksovatelného uhlí.
11. Vysvětlete, proč spalování ropy, uhlí a souvisejících ropných plynů není zdaleka nejracionálnějším způsobem jejich využití.
Suchá destilace uhlí.
Aromatické uhlovodíky se získávají především suchou destilací uhlí. Při ohřevu uhlí v retortách nebo koksárenských pecích bez přístupu vzduchu na 1000–1300 °C dochází k rozkladu organických látek uhlí za vzniku pevných, kapalných a plynných produktů.
Pevný produkt suché destilace - koks - je porézní hmota tvořená uhlíkem s příměsí popela. Koks se vyrábí v obrovské množství a je spotřebováván především hutním průmyslem jako redukční činidlo při výrobě kovů (především železa) z rud.
Kapalnými produkty suché destilace jsou černý viskózní dehet (uhelný dehet) a vodná vrstva obsahující čpavek je čpavková voda. Černouhelný dehet se získává v průměru 3 % hmotnosti původního uhlí. Čpavková voda je jedním z důležitých zdrojů čpavku. Plynné produkty suché destilace uhlí se nazývají koksárenský plyn. Koksárenský plyn má různé složení v závislosti na druhu uhlí, režimu koksování atd. Koksárenský plyn vyrobený v koksárenských bateriích prochází řadou absorbérů, které zachycují dehtové, čpavkové a lehké olejové páry. Lehký olej získaný kondenzací z koksárenského plynu obsahuje 60 % benzenu, toluenu a dalších uhlovodíků. Většina benzenu (až 90 %) se získává tímto způsobem a jen málo - frakcionací černouhelného dehtu.
Zpracování černouhelného dehtu. Černouhelný dehet má vzhled černé pryskyřičné hmoty s charakteristickým zápachem. V současné době bylo z černouhelného dehtu izolováno přes 120 různých produktů. Patří mezi ně aromatické uhlovodíky, dále látky obsahující aromatický kyslík kyselé povahy (fenoly), látky obsahující dusík zásadité povahy (pyridin, chinolin), látky obsahující síru (thiofen) atd.
Černouhelný dehet se podrobí frakční destilaci, výsledkem je několik frakcí.
Lehký olej obsahuje benzen, toluen, xyleny a některé další uhlovodíky. Střední neboli karbolický olej obsahuje řadu fenolů.
Těžký nebo kreosotový olej: Z uhlovodíků obsahuje těžký olej naftalen.
Získávání uhlovodíků z ropy Ropa je jedním z hlavních zdrojů aromatických uhlovodíků. Většina druhů
olej obsahuje jen velmi malé množství aromatických uhlovodíků. Z domácích olejů je ropa z uralského (Permského) pole bohatá na aromatické uhlovodíky. Druhý Baku olej obsahuje až 60 % aromatických uhlovodíků.
Vzhledem k nedostatku aromatických uhlovodíků se nyní používá „aromatizace oleje“: ropné produkty se zahřívají na teplotu asi 700 °C, v důsledku čehož lze z produktů rozkladu ropy získat 15–18 % aromatických uhlovodíků.
32. Syntéza, fyzikální a chemické vlastnosti aromatických uhlovodíků
1. Syntéza z aromatických uhlovodíků a mastné halogenderiváty v přítomnosti katalyzátorů (Friedel-Craftsova syntéza).
2. Syntéza ze solí aromatických kyselin.
Když se suché soli aromatických kyselin zahřívají s natronovým vápnem, soli se rozkládají za vzniku uhlovodíků. Tato metoda je podobná výrobě mastných uhlovodíků.
3. Syntéza z acetylenu. Tato reakce je zajímavá jako příklad syntézy benzenu z mastných uhlovodíků.
Při průchodu acetylenu zahřátým katalyzátorem (při 500 °C) se trojné vazby acetylenu přeruší a tři jeho molekuly se zpolymerují do jedné molekuly benzenu.
Fyzikální vlastnosti Aromatické uhlovodíky jsou kapalné resp pevné látky S
charakteristický zápach. Uhlovodíky, které ve svých molekulách nemají více než jeden benzenový kruh, jsou lehčí než voda. Aromatické uhlovodíky jsou málo rozpustné ve vodě.
IR spektra aromatických uhlovodíků jsou primárně charakterizována třemi oblastmi:
1) asi 3000 cm-1 v důsledku C-H natahovacích vibrací;
2) oblast 1600–1500 cm-1, spojená s kosterními vibracemi aromatických vazeb uhlík-uhlík a významně se měnící v poloze píků v závislosti na struktuře;
3) oblast pod 900 cm-1, související s deformačními vibracemi C-H aromatické kroužky.
Chemické vlastnosti Nejdůležitější obecně chemické vlastnosti aromatické uhlovodíky jsou
jejich sklon k substitučním reakcím a větší pevnost benzenového kruhu.
Homologové benzenu mají ve své molekule benzenový kruh a postranní řetězec, například v uhlovodíku C6H5-C2H5 je skupina C6H5 benzenový kruh a C2H5 je postranní řetězec. Vlastnosti
benzenový kruh v molekulách homologů benzenu se blíží vlastnostem benzenu samotného. Vlastnosti postranních řetězců, které jsou zbytky mastných uhlovodíků, se blíží vlastnostem mastných uhlovodíků.
Reakce benzenových uhlovodíků lze rozdělit do čtyř skupin.
33. Orientační pravidla v benzenovém kruhu
Při studiu substitučních reakcí v benzenovém kruhu bylo zjištěno, že pokud benzenový kruh již obsahuje nějakou substituční skupinu, pak druhá skupina vstupuje do určité polohy v závislosti na povaze prvního substituentu. Každý substituent na benzenovém kruhu má tedy určitý směrový nebo orientační účinek.
Poloha nově zavedeného substituentu je také ovlivněna povahou samotného substituentu, tj. elektrofilní nebo nukleofilní povahou aktivního činidla. Naprostou většinu nejdůležitějších substitučních reakcí v benzenovém kruhu představují elektrofilní substituční reakce (náhrada atomu vodíku, který je eliminován ve formě protonu kladně nabitou částicí) - halogenace, sulfonace, nitrace atd.
Všechny substituenty se podle povahy jejich řídícího působení dělí do dvou skupin.
1. Substituenty prvního druhu v reakcích elektrofilní substituce směruje následné zavedené skupiny do ortho a para pozic.
Substituenty tohoto druhu zahrnují například následující skupiny, uspořádané v sestupném pořadí podle jejich směrové síly: -NH2, -OH, -CH3.
2. Substituenty druhého druhu v reakcích elektrofilní substituce nasměruje následné zavedené skupiny do polohy meta.
Substituenty tohoto druhu zahrnují následující skupiny uspořádané v sestupném pořadí podle jejich směrující síly: -NO2, -C≡N, – SO3H.
Substituenty prvního druhu obsahují jednoduché vazby; Substituenty druhého druhu se vyznačují přítomností dvojných nebo trojných vazeb.
Substituenty prvního druhu v naprosté většině případů usnadňují substituční reakce. Například pro nitraci benzenu je třeba jej zahřát se směsí koncentrované kyseliny dusičné a sírové, zatímco fenol C6 H5 OH lze úspěšně
dusičnan zředěný kyselina dusičná při pokojové teplotě za vzniku ortho- a paranitrofenolu.
Substituenty druhého druhu obvykle obecně komplikují substituční reakce. Substituce v orto- a para-poloze je obzvláště obtížná a substituce v meta-poloze je relativně snadnější.
V současné době je vliv substituentů vysvětlován tím, že substituenty prvního druhu jsou elektrondonorní (donující elektrony), tj. jejich elektronová mračna jsou posunuta směrem k benzenovému kruhu, což zvyšuje reaktivitu atomů vodíku.
Zvýšení reaktivity atomů vodíku v kruhu usnadňuje průběh elektrofilních substitučních reakcí. Například v přítomnosti hydroxylu se volné elektrony atomu kyslíku posouvají směrem ke kruhu, což zvyšuje elektronovou hustotu v kruhu, a zvláště se zvyšuje elektronová hustota atomů uhlíku v ortho a para polohách vůči substituentu.
34. Pravidla substituce v benzenovém kruhu
Pravidla substituce v benzenovém kruhu mají velký praktický význam, protože umožňují předvídat průběh reakce a zvolit správnou cestu pro syntézu té či oné žádané látky.
Mechanismus elektrofilních substitučních reakcí v aromatické řadě. Moderní metody Výzkum umožnil do značné míry objasnit mechanismus substituce v aromatické řadě. Je zajímavé, že v mnoha ohledech, zejména v prvních fázích, se mechanismus elektrofilní substituce v aromatické řadě ukázal jako podobný mechanismu elektrofilní adice v mastné řadě.
Prvním krokem elektrofilní substituce je (stejně jako u elektrofilní adice) tvorba p-komplexu. Elektrofilní druh Xd+ se váže na všech šest p-elektronů benzenového kruhu.
Druhou fází je tvorba p-komplexu. V tomto případě elektrofilní částice „vytáhne“ dva elektrony ze šesti p-elektronů a vytvoří obvyklý kovalentní vazba. Výsledný p-komplex již nemá aromatickou strukturu: je to nestabilní karbokation, ve kterém jsou čtyři p-elektrony v delokalizovaném stavu rozděleny mezi pět atomů uhlíku, zatímco šestý atom uhlíku přechází do nasyceného stavu. Zavedený substituent X a atom vodíku jsou v rovině kolmé k rovině šestičlenného kruhu. S-komplex je meziprodukt, jehož vznik a struktura byla prokázána řadou metod, zejména spektroskopií.
Třetím stupněm elektrofilní substituce je stabilizace S-komplexu, které je dosaženo odstraněním atomu vodíku ve formě protonu. Na vzniku se podílejí dva elektrony S-N připojení, po odstranění protonu spolu se čtyřmi delokalizovanými elektrony z pěti atomů uhlíku dávají obvyklou stabilní aromatickou strukturu substituovaného benzenu. Role katalyzátoru (obvykle A 1 Cl3) v tomto případě
Proces spočívá ve zvýšení polarizace alkylhalogenidu za vzniku kladně nabité částice, která vstupuje do elektrofilní substituční reakce.
Adiční reakce Benzenové uhlovodíky s s velkými obtížemi podstoupit adiční reakci - ne
odbarví se bromovou vodou a roztokem KMnO4. Ovšem za zvláštních reakčních podmínek
připojení je stále možné. 1. Adice halogenů.
V této reakci hraje kyslík roli negativního katalyzátoru: v jeho přítomnosti reakce neprobíhá. Přidání vodíku v přítomnosti katalyzátoru:
C6H6 + 3H2 -> C6H12
2. Oxidace aromatických uhlovodíků.
Benzen sám o sobě je extrémně odolný vůči oxidaci – odolnější než parafíny. Při působení energetických oxidačních činidel (KMnO4 v kyselém prostředí apod.) na homology benzenu nedochází k oxidaci benzenového jádra, zatímco postranní řetězce podléhají oxidaci za vzniku aromatických kyselin.
Přírodní prameny uhlovodíky Celý název Starchevaya Arina Group B-105 2013
Přírodní zdroje Přírodními zdroji uhlovodíků jsou fosilní paliva – ropa a plyn, uhlí a rašelina. Ložiska ropy a plynu vznikla před 100-200 miliony let z mikroskopu mořské rostliny a živočichů, kteří se usadili v sedimentech vzniklých na mořském dně Naproti tomu uhlí a rašelina se začaly tvořit před 340 miliony let z rostlin, které rostly na souši.
Zemní plyn a ropa se obvykle nacházejí spolu s vodou v naftonosných vrstvách umístěných mezi vrstvami skály(obr. 2). Termín „zemní plyn“ se vztahuje i na plyny, které vznikají v přírodní podmínky v důsledku rozkladu uhlí. Zemní plyn a ropa se těží na všech kontinentech kromě Antarktidy. Největší producenti světovými producenty zemního plynu jsou Rusko, Alžírsko, Írán a Spojené státy americké. Největšími producenty ropy jsou Venezuela, Saudská arábie, Kuvajtu a Íránu. Zemní plyn se skládá převážně z metanu. Surový olej je olejovitá kapalina, která se může lišit barvou od tmavě hnědé nebo zelené až po téměř bezbarvou. Obsahuje velké množství alkanů. Mezi nimi jsou přímé alkany, rozvětvené alkany a cykloalkany s počtem atomů uhlíku od 5 do 50. Průmyslový název těchto cykloalkanů je nachtany. Surová ropa také obsahuje přibližně 10 % aromatických uhlovodíků a také malá množství dalších sloučenin obsahujících síru, kyslík a dusík.
Zemní plyn se používá jako palivo i jako surovina pro výrobu různých organických a anorganických látek. Už víte, že z metanu, hlavní složky zemního plynu, se získává vodík, acetylen a metylalkohol, formaldehyd a kyselina mravenčí a mnoho dalších organických látek. Zemní plyn se používá jako palivo v elektrárnách, v kotelních systémech pro ohřev vody v obytných a průmyslových budovách, ve vysokopecních a otevřených výhních. Zapálením zápalky a zapálením plynu v kuchyňském plynovém sporáku městského domu „spustíte“ řetězovou reakci oxidace alkanů, které tvoří zemní plyn. Kromě ropy, přírodních a souvisejících ropných plynů je přírodním zdrojem uhlovodíků uhlí. 0n tvoří silné vrstvy v útrobách země, jeho prokázané zásoby výrazně převyšují zásoby ropy. Stejně jako ropa obsahuje uhlí velké množství různých organických látek. Kromě organických látek obsahuje i látky anorganické, jako je voda, čpavek, sirovodík a samozřejmě samotný uhlík – uhlí. Jednou z hlavních metod zpracování uhlí je koksování – kalcinace bez přístupu vzduchu. V důsledku koksování, které se provádí při teplotě asi 1000 °C, vznikají: koksárenský plyn, který zahrnuje vodík, metan, oxid uhličitý a oxid uhličitý, nečistoty čpavku, dusíku a dalších plynů; černouhelný dehet obsahující několik setkrát více osobních organických látek, včetně benzenu a jeho homologů, fenolu a aromatických alkoholů, naftalenu a různých heterocyklických sloučenin; dehet neboli čpavková voda obsahující, jak název napovídá, rozpuštěný čpavek, dále fenol, sirovodík a další látky; koks je pevný zbytek z koksování, téměř čistý uhlík. Koks se používá při výrobě železa a oceli, čpavek při výrobě dusíkatých a kombinovaných hnojiv a význam organických koksárenských produktů lze jen stěží přeceňovat. S tím spojená ropa a zemní plyny, uhlí jsou tedy nejen nejcennějšími zdroji uhlovodíků, ale také součástí jedinečné zásobárny nenahraditelných přírodních zdrojů, jejichž šetrné a rozumné využívání je nezbytnou podmínkou progresivního rozvoje lidské společnosti.
Ropa je složitá směs uhlovodíků a dalších sloučenin. V této podobě se používá zřídka. Nejprve se zpracovává na další produkty, které mají praktické využití. Proto se ropa dopravuje tankery nebo potrubím do rafinerií. Rafinace ropy zahrnuje řadu fyzikálních a chemických procesů: frakční destilaci, krakování, reformování a odsíření.
Surová ropa je rozdělena na mnoho složek jednoduchou, frakční a vakuovou destilací. Povaha těchto procesů, jakož i počet a složení výsledných ropných frakcí závisí na složení ropy a na požadavcích na její různé frakce. Nejprve se z ropy odstraní plynné nečistoty v ní rozpuštěné tak, že se podrobí jednoduché destilaci. Olej je poté podroben primární destilaci, v důsledku čehož je rozdělen na plynné, lehké a střední frakce a topný olej. K tvorbě vede další frakční destilace lehkých a středních frakcí a také vakuová destilace topného oleje velké číslo frakcí. V tabulce 4 ukazuje rozsahy bodů varu a složení různých ropných frakcí a Obr. Obrázek 5 ukazuje schéma konstrukce primární destilační (destilační) kolony pro destilaci oleje. Přejděme nyní k popisu vlastností jednotlivých ropných frakcí.
Ropná pole obsahují zpravidla velké nahromadění tzv. asociovaného ropného plynu, který se shromažďuje nad ropou v zemské kůře a pod tlakem nadložních hornin se v ní částečně rozpouští. Stejně jako ropa je i související ropný plyn cenným přírodním zdrojem uhlovodíků. Obsahuje především alkany, jejichž molekuly obsahují od 1 do 6 atomů uhlíku. Je zřejmé, že složení souvisejícího ropného plynu je mnohem chudší než ropa. Navzdory tomu je však také široce používán jako palivo i jako surovina pro chemický průmysl. Ještě před několika desetiletími se na většině ropných polí spaloval související ropný plyn jako neužitečný doplněk k ropě. V současné době se například v Surgutu, nejbohatší ropné zásobě v Rusku, vyrábí nejlevnější elektřina na světě pomocí souvisejícího ropného plynu jako paliva.
Děkuji za pozornost.
Přírodní zdroj uhlovodíků | Jeho hlavní vlastnosti |
Olej | Vícesložková směs sestávající převážně z uhlovodíků. Uhlovodíky jsou zastoupeny především alkany, cykloalkany a areny. |
Přidružený ropný plyn | Směs skládající se téměř výhradně z alkanů s dlouhým uhlíkovým řetězcem o 1 až 6 atomech uhlíku vzniká jako vedlejší produkt při výrobě ropy, odtud původ názvu. Existuje taková tendence: čím nižší je molekulová hmotnost alkanu, tím vyšší je jeho procento v souvisejícím ropném plynu. |
Zemní plyn | Směs sestávající převážně z alkanů s nízkou molekulovou hmotností. Hlavní složkou zemního plynu je metan. Jeho procento v závislosti na plynovém poli může být od 75 do 99 %. Na druhém místě z hlediska koncentrace je s velkým náskokem ethan, propan obsahuje ještě méně atd. Základní rozdíl mezi zemním plynem a souvisejícím ropným plynem je v tom, že podíl propanu a izomerních butanů v souvisejícím ropném plynu je mnohem vyšší. |
Uhlí | Vícesložková směs různých sloučenin uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku a síry. Uhlí také obsahuje značné množství anorganických látek, jejichž podíl je výrazně vyšší než v ropě. |
Čištění ropy
Ropa je vícesložková směs různých látek, především uhlovodíků. Tyto složky se od sebe liší v bodech varu. V tomto ohledu, pokud zahřejete olej, nejprve se z něj odpaří nejsnáze vroucí složky, poté sloučeniny s vyššími vysoká teplota varu atd. Na základě tohoto jevu primární rafinace ropy , spočívající v destilace (náprava) olej. Tento proces se nazývá primární, protože se předpokládá, že v jeho průběhu nedochází k žádným chemickým přeměnám látek a olej se pouze dělí na frakce s různými teplotami varu. Níže je schematický diagram destilační kolony s stručný popis samotný proces destilace:
Před rektifikačním procesem se olej připravuje speciálním způsobem, a to odstraněním znečištěné vody s rozpuštěnými solemi a pevných mechanických nečistot. Takto připravený olej vstupuje do trubkové pece, kde se zahřeje na vysokou teplotu (320-350 o C). Po zahřátí v trubkové peci se vysokoteplotní olej dostává do spodní části destilační kolony, kde se odpařují jednotlivé frakce a jejich páry stoupají vzhůru destilační kolonou. Čím vyšší je sekce destilační kolony, tím nižší je její teplota. V různých výškách jsou tedy vybrány následující frakce:
1) rektifikační plyny (volí se od samého vrcholu kolony, a proto jejich bod varu nepřesahuje 40 o C);
2) benzinová frakce (bod varu od 35 do 200 o C);
3) frakce nafty (bod varu od 150 do 250 o C);
4) petrolejová frakce (bod varu od 190 do 300 o C);
5) frakce nafty (bod varu od 200 do 300 o C);
6) topný olej (bod varu vyšší než 350 o C).
Je třeba poznamenat, že střední frakce uvolněné při rektifikaci oleje nesplňují normy pro kvalitu paliva. Navíc v důsledku destilace oleje vzniká značné množství topného oleje - daleko od nejoblíbenějšího produktu. V tomto ohledu je po primární rafinaci ropy úkolem zvýšit výtěžnost dražších, zejména benzinových frakcí, a také zlepšit kvalitu těchto frakcí. Tyto problémy se řeší pomocí různých procesů čištění ropy , například jako praskání Areformování .
Je třeba poznamenat, že počet procesů používaných při recyklaci ropy je mnohem větší a my se dotýkáme pouze některých hlavních. Pojďme nyní zjistit, jaký je význam těchto procesů.
Krakování (tepelné nebo katalytické)
Tento proces je určen ke zvýšení výtěžnosti benzinové frakce. Za tímto účelem jsou těžké frakce, například topný olej, vystaveny silnému zahřívání, nejčastěji v přítomnosti katalyzátoru. V důsledku tohoto efektu se molekuly s dlouhým řetězcem, které tvoří těžké frakce, trhají a vznikají uhlovodíky s nižší molekulovou hmotností. Ve skutečnosti to vede k dodatečnému výtěžku benzinové frakce, která je hodnotnější než původní topný olej. Chemická podstata tohoto procesu se odráží v rovnici:
Reformování
Tento proces plní úkol zlepšit kvalitu benzinové frakce, zejména zvýšit její odolnost proti klepání (oktanové číslo). Právě tato charakteristika benzínu je indikována na čerpacích stanicích (92., 95., 98. benzín atd.).
V důsledku procesu reformování se zvyšuje podíl aromatických uhlovodíků v benzínové frakci, která má mezi ostatními uhlovodíky jedno z nejvyšších oktanových čísel. Tohoto zvýšení podílu aromatických uhlovodíků je dosaženo především v důsledku dehydrocyklizačních reakcí probíhajících během reformačního procesu. Například pokud je topení dostatečně silné n-hexan v přítomnosti platinového katalyzátoru se mění na benzen a n-heptan podobným způsobem - na toluen:
Zpracování uhlí
Hlavním způsobem zpracování uhlí je koksování . Koksování uhlí je proces, při kterém se uhlí zahřívá bez přístupu vzduchu. V důsledku takového ohřevu se z uhlí izolují čtyři hlavní produkty:
1) Kola
Pevná látka, která je téměř čistým uhlíkem.
2) Černouhelný dehet
Obsahuje velké množství různých převážně aromatických sloučenin, jako je benzen, jeho homology, fenoly, aromatické alkoholy, naftalen, homology naftalenu atd.;
3) Amoniaková voda
Navzdory svému názvu tato frakce kromě amoniaku a vody obsahuje také fenol, sirovodík a některé další sloučeniny.
4) Koksárenský plyn
Hlavními složkami koksárenského plynu jsou vodík, metan, oxid uhličitý, dusík, ethylen atd.