Предельные углеводороды (алканы)

Предельные, или насыщенные углеводороды состоят из молекул, в которых атомы углерода связаны простой связью. Общая формула гомологического ряда С_nH_2n+2. Алканы – бесцветные вещества, практически в воде не растворимые. Первые четыре члена гомологического ряда метана при обычных условиях – газы; с С₅ до С₁₅ – жидкости. Высшие предельные углеводороды, начиная с С₁₆Н₃₄ – твердые тела.

Соединения с прямой цепью называют нормальными(н-), а с разветвленной – изосоединениями (изо-). Эти соединения называют изомерами. Изомеры с нормальной цепью кипят при более высокой температуре, чем с разветвленной.

Химические реакции предельных углеводородов осуществляются путем расщепления связей С─Н и разрыва цепи углеродных атомов. Это реакции замещения при насыщенном атоме углерода или радикальные реакции замещения. Примером реакций замещения являются процессы галогенирования, сульфирования, нитрования, сульфохлорирования и др. Последние весьма важны для практики, позволяя получать полупродукты для производства поверхностно-активных веществ (ПАВ). Реакция сульфохлорирования такова:

R─H + SO₂ + Cl₂ = R─ SO₂ Cl + HCl

^{алкилсульфохлорид}

При действии галогенов на предельные углеводороды под влиянием света в результате замещения атомов водорода образуются галогеналкилы:

СН₄ +Cl₂ → CH₃Cl + HCl

^{хлористый метил}

Хлоропроизводные алканов широко применяются в строительстве. Это их представители, содержащие 15 и более атомов углерода, употребляемые в производстве труб, шлангов, пленок, покрытий для полов и т. д. Их применяют также для получения термо- и водостойких красок. Жидкие хлоралканы используют в качестве смазок.

Концентрированная азотная кислота при нагревании окисляет предельные углеводороды, образуя нитросоединения:

R─H + HONO₂ → R─ NO₂ + H₂O

При нитровании по Коновалову наиболее легко на нитрогруппу замещается водород у третичного атома углерода, медленнее – у вторичного и труднее всего – у первичного. Первичным атомом углерода считается тот, который затратил только одну валентную связь на соединение с другим углеродным атомом; вторичным – две; третичным – три и четвертичным – четыре.

При окислении предельных углеводородов в присутствии катализаторов получают карбоновые кислоты:

СН₄ + 1,5О₂ ─→ НСООН + Н₂О

Предельные углеводороды можно получить следующими способами:

1. Гидрированием непредельных углеводородов C_nH_2n + H₂→ C_nH_2n+2

2. Восстановлением галогеналкилов R─I + H₂ → R─H + HI

3. Взаимодействием галогеналкилов с HГ R─I + HI → R─H +I₂

4. При разложении карбоновых кислот R─COOH →R─H + СО₂

5. Методом Вюрца CH₃I + 2Na + ICH₃ →C₂H₆ + 2NaI

6. Восстановлением монооксида углерода 2nCO + (n+1)H₂ →C_nH_2n+2 +nCO₂ Эта реакция лежит в основе получения синтетического бензина

Природные источники алканов

Нефть является одним из основных природных источников углеводородов наряду с природным газом. По запасам нефти и газа Россия занимает одно из ведущих мест в мире. Значение нефти в промышленности, энергетике, на транспорте очень велико. Это не только сырье для производства бензина, керосина и других видов моторного топлива, но и для получения органических продуктов – высокомолекулярных соединений, пластмасс, ПАВ и ряда других.

Нефть является многокомпонентной системой, состоящей из предельных, циклических и ароматических углеводородов жидкого и незначительно по содержанию твердого вида. В зависимости от состава природные нефти подразделяются на метановые, нафтеновые и ароматические. Примесями сырой нефти являются сера и ее производные (тиолы, сульфиды), вода, содержащая соли кальция и магния, газы (углеводороды). Процесс переработки нефти начинается с оббесоливания, первичной очистки и последующего фракционирования методом прямой перегонки. При этом нефть разделяют нагревом на ряд фракций, различающихся по температурам кипения и молекулярным массам. К ним относятся:

1. бензиновая (при нагреве до 180^оС); может быть разделена на петролейный эфир, бензин (т.кип. 70-120^оС) и лигроин;

2. керосиновая фракция (т.кип. 180-270^оС_; из нее выделяют при 165-200^оС Уайт-спирит, который используется как прекрасный растворитель лакокрасочных материалов. При 230-300^оС получают дизельное топливо (газойль). Керосин является топливом для тракторов и реактивных двигателей.

3. мазут, из которого специальными способами получают соляровые и смазочные масла, вазелин и парафин.

4. оставшийся продукт – гудрон (нефтяной пек) служит для изготовления битума, применяемого как органический вяжущий материал в строительстве автодорог, для гидроизоляции и других целей. Растворы гудрона – защитные покрытия, используемые в технике.

Растущие потребности в моторных и газогенераторных топливах, бензине и других продуктах перегонки нефти приводят к необходимости использовать вторичную химическую переработку высококипящих нефтяных фракций и остатков от перегонки. Термический крекинг представляет процесс распада нефтепродуктов под действием высоких температур (~ 400^оС), давления и катализаторов с целью получения низкокипящих углеводородов – бензинов (С₄─С₁₀). Разработан также метод гидрокрекинга с гидрорафинацией под действием водорода. При крекинге происходят реакции гомолитического расщепления, диспропорционирования, изомеризации и циклизации углеводородов.

С₈Н₁₈→ С₆Н₁₄ + С₂Н₄

С₈Н₁₈→ С₄Н₁₀ + С₄Н₈

С₈Н₁₈→ С₅Н₁₂ + С₃Н₆

Как видим при крекинге получаются в значительном количестве низшие углеводороды (С₄, С₅ и С₆) которые является составными частями бензина. При крекинге нефти с участием катализаторов получаются с высоким выходом непредельные (этиленовые и диеновые) углеводороды – важнейшее сырье для производства дизельного топлива и ракетного топлива, полимерных материалов, химических волокон. При гидрокрекинге участвует водород: С₈Н₁₈ + Н₂→ С₄Н₁₀ + С₄Н₁₀