Физико-химические свойства нефти и газа

реферат

14. Групповой химический состав нефти

Углеводороды, составляющие основу нефти и горючих газов, представлены множеством индивидуальных соединений. Химический состав нефти полностью не известен, но уже установлено 425 углеводородных соединений, каждое из которых в свою очередь является исходным для более сложных соединений. В зависимости от строения молекул углеводороды, входящие в состав нефтей и природных газов, подразделяются на три основные группы: метановые, или парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены). Представители этих групп отличаются друг от друга соотношением числа атомов углерода и водорода, которое выражается общей формулой группы, и характером их внутренних структурных связей.

Рис. 3. Структурные формулы нафтеновых углеводородов

Таким образом, групповым химическим составом нефти называют содержание в ней углеводородов определенных химических групп, которые характеризуются соотношением и структурой соединений атомов углерода и водорода.

Метановые углеводороды (алканы) - насыщенные углеводороды, в которых отсутствуют двойные связи. Общая формула

С n Н 2 n+ 2,

где n - число атомов углерода. Такое атомарное соотношение углерода и водорода в углеводородах данной группы было установлено английскими химиками еще в 1833 г. В указанной формуле n изменяется от 1 до 60. Это значит, что в природе существует последовательный ряд постепенно усложняющихся метановых углеводородов. Каждый последующий член в этом ряду отличается от предыдущего на один атом углерода и два атома водорода. Подобный ряд называется гомологическим (греч. "хомос" - похожий), а его члены - гомологами.

Существование гомологических рядов для углеводородных соединений было установлено в 1843 г. выдающимся французским химиком Шарлем Фредериком Жераром. Это открытие имело большое значение для понимания закономерностей изменения состава нефтей.

Для углеводородов метанового ряда характерно образование открытых увеличивающихся цепочек (рис. 2).

В молекулах углеводородов метанового ряда валентность всех атомов углерода насыщена до предела, поэтому метановые углеводороды называются насыщенными, или предельными. В силу этого они обладают малой химической активностью. Отсюда произошло еще одно их название - парафиновые (лат. "парум аффинис" - малородственный, т.е. инертный, не склонный к реакциям) углеводороды. Парафинами называется смесь углеводородов метанового ряда с молекулярной массой от 240 и выше. Содержание парафиновых углеводородов в нефтях колеблется от долей процента до 20% и больше.

В зависимости от молекулярной массы и химической структуры метановые углеводороды находятся в газообразной, жидкой и твердой фазах. Так, первые четыре члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) при нормальных условиях (101,32 кПа и 0°С) - газы, углеводороды от пентана до пентадекана C15 H32 при тех же условиях - жидкости, а от гексадекана C16 H34 и выше - твердые вещества.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) были открыты в 80-х годах прошлого века русским ученым В. В. Марковниковым. Их общая формула Сn Н2n. Молекулы нафтеновых углеводородов состоят из нескольких метиле новых групп - СН2, соединенных в замкнутое кольцо, или цикл (рис. 3).

Поэтому такие углеводороды называют еще полиметиленовыми, или цикланами (греч. "циклос" - круг, окружность). Нафтеновые углеводороды, как и метановые, являются насыщенными. Молекулы могут состоять из одного или двух, трех и более объединенных метиленовых колец.

В нефти содержатся преимущественно нафтены, кольца которых состоят из пяти или шести групп - СН2. К кольцам - циклам - могут присоединяться и боковые цепочки метанового строения. В этом случае атом водорода в метиленовой группе =СН2 будет замещен на какой-либо углеводородный радикал - метил СН3, этил C2H5 и др. Таким образом, без разрыва нафтенового кольца получаются новые углеводороды - производные циклопентана и циклогексана. Ими могут быть, например, метилциклопентан, или метилпентаметилен (C6 H12), этилциклогексан, или этилгексаметилен (C8 H16), и т.д.

Таб. 2. Содержание углеводородных фракций, %

Регион размещения нефтяных месторождений

Парафиновые фракции

Нафтеновые фракции

Ароматические фракции

Предкарпатье

47-49

26-35

18-25

Днепровско-Донецкая впадина

28-66

22-53

12-33

Беларусь

60-71

13-27

11-21

Литва

73-74

22-23

4-5

Азербайджан (материк)

28-56

39-68

2-17

Азербайджан (море)

35-56

27-60

1-20

Дагестан

58-62

25-31

11-13

Чечено-Ингушетия

51-61

16-41

8-28

Калининградская обл.

70-74

21-26

4-5

Краснодарский край

20-47

42-56

11-50

Ставропольский край

51-65

20-37

12-15

Рис. 4. Структурные формулы ароматических углеводородов

Нафтеновые углеводороды - важная составная часть моторного топлива и масел. Автомобильным бензинам они придают высокие эксплуатационные свойства.

Нафтеновые углеводороды легких фракций нефтей широко используются как сырье для получения ароматических углеводородов, бензола и толуола, а нафтеновые углеводороды бензиновых фракций в процессе каталитического риформинга превращаются в ароматические.

Ароматические углеводороды - одна из наиболее важных и обширных групп углеводородов. Их формула Сn Н2n3m, где n начинается с 6, m может быть выражено четными числами от 6 и выше. В структурном отношении молекула ароматических углеводородов имеет вид замкнутого кольца (цикла), объединяющего радикалы - СH (рис. 4).

В отличие от молекулы нафтенов в ароматическом кольце атомы углерода через один соединены не одинарными связями, а двойными. Поэтому ароматические углеводороды являются ненасыщенными (непредельными) соединениями, но в то же время вследствие замкнутого циклического (кольцевого) строения они малоактивны. Для них характерны реакции замещения атомов водорода атомами других элементов - хлора, брома, йода и др.

Самое простое строение среди ароматических углеводородов характерно для бензола С6Н6 (кольцо - "шестиугольник"). Остальные известные ароматические углеводороды являются, по сути дела, его производными.

В сравнении с другими группами углеводородов ароматические имеют наибольшую плотность. По вязкости они занимают промежуточное положение между парафиновыми и нафтеновыми.

Ароматические углеводороды - ценные компоненты бензинов, однако они снижают качество реактивных и дизельных топлив, поскольку ухудшают характеристики их сгорания.

Ненасыщенные углеводороды (алкены, алкадиены) встречаются в нефтях очень редко и в небольших количествах.[2]

Делись добром ;)