Общая химия - Николай Глинка

В то же время предельные углеводороды в химическом отношении подобны метану. Они весьма инертны, вступают лишь в реакции замещения водорода, протекающие крайне медленно, и Не обесцвечивают на холоду растворы брома и перманганата калия.

Все предельные углеводороды горят и могут быть использованы в качестве топлива. Они входят в состав нефтей и продуктов Их перегонки. При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температурам кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:

а) бензины (темп. кип. 40-180°C) содержат углеводороды C5H12 до C10H22 при повторной перегонке из них могут быть быделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких пределах: петролейный эфир(40-70°C), авиационный бензин (70—100°C), автомобильный бензин (100—120°C);

б) керосины (темп. кип. 180-270°C) содержат углеводороды от C10H22 до C16H34;

- 454 -

в) соляровые масла (темп. кип. 270-360°C) содержат смеси углеводородов от C12 до C20 из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива;

г) мазут (нефтяные остатки — до 40-50%) содержит еще более тяжелые (высшие) углеводороды; из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин, парафин.

Как уже было указано, с увеличением числа С-атомов в молекулах резко возрастает число изомеров предельных углеводородов. Метан CH4, этан C2H6 и пропан C3H8 не имеют изомеров; бутанов C4H10 существует два:

Изомерных пентанов C5H12— три, гексанов C6H14 - пять, гептанов C7H16 — девять, октанов C8H18 - 18, нонанов C9H20 - 35. Все эти углеводороды получены. Деканов C10H22 может быть 75, а формулу C15H32 могут иметь уже 4347 изомерных углеводородов. Для высших гомологов пока известны лишь некоторые изомеры, однако принципиальная возможность их существования предсказана и доказана А. М. Бутлеровым; им был осуществлен первый синтез углеводорода с разветвленной цепью — изобутана.

Как отдельные гомологи, так и изомеры отличаются друг от друга не только физическими, но и химическими свойствами. Сильная разветвленность углеродной цепи часто приводит к повышению температур замерзания, и высокое содержание таких углеводородов в бензинах может ограничивать возможность использования последних в зимних условиях.

Различие в химических свойствах сказывается, в частности, на склонности некоторых углеводородов, входящих в состав моторного топлива, к детонации.

Детонация моторного топлива представляет собой чрезвычайно быстрое разложение (взрыв) углеводородов, которое происходит внезапно при сжатии горючей смеси в цилиндре двигателя. Детонация не дает возможности достигнуть высокой степени сжатия горючей смеси*, ведет к излишнему расходу топлива и быстрому износу мотора. Детонационные свойства топлива зависят от строения углеродных цепей в молекулах углеводородов, входящих в его состав. Изомеры с сильно разветвленной цепью детонируют гораздо труднее, чем изомеры с неразветвленной цепью.

* Увеличение степени сжатия повышает мощность двигателя.

- 455 -

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют так называемым октановым числом (о.ч.). В качестве стандартных образцов для определения октанового числа берут углеводород гептан C7H16 с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из изомеров октана (изооктан), с разветвленной цепью атомов, мало склонный к детонации:

Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о.ч. 100. Если о.ч. топлива равно 80, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 80% изооктана и 20% гептана.

Повышение октанового числа топлива достигается увеличением содержания в нем углеводородов с разветвленной цепью атомов, а также прибавлением антидетонаторов, обычно тетраэтилсвинца, небольшое количество которого значительно снижает детонацию.

Тетраэтилсвинец (ТЭС, «этиловая жидкость») представляет собой тяжелую ядовитую жидкость, строение молекул которой выражается формулой:

Тетраэтилсвинец относится к металлорганическим соединениям — веществам, в которых углеводородные радикалы непосредственно соединены с атомом какого-нибудь металла. Эти вещества находят все более широкое применение.

165. Непредельные (ненасыщенные) углеводороды.

Простейший непредельный углеводород с двойной связью — этилен C2H4 или CH2=CH2 , как уже указывалось, является родоначальником гомологического ряда непредельных этиленовых углеводородов:

Состав любого углеводорода этого ряда выражает общая формула CnH2n (где n — число атомов углерода).

- 456 -

Состав членов гомологического ряда непредельных ацетиленовых углеводородов (с тройной связью), родоначальником которых является ацетилен C2H2, или CH≡CH, выражается общей формулой CnH2n-2.

Общая формула CnH2n-2 выражает также состав углеводородов с двумя двойными связями* из них отметим бутадиен (или дивинил) C4H6 и изопрен C5H8 , имеющие следующее строение:

Известны углеводороды с большим числом двойных (полиены) или тройных (полиины) связей.

Непредельные углеводороды могут быть получены из предельных путем каталитического отщепления водорода (реакция дегидрирования, или дегидрогенизации). Например, из содержащегося в попутном нефтяном газе этана получают этилен, а из бутана — бутадиен:

Изопрен может быть получен дегидрированием изопентана:

Важным источником получения этилена и его гомологов служат газообразные и жидкие продукты крекинга углеводородов нефти. Крекингом называют процесс расщепления углеводородов с длинными цепями на молекулы меньшей длины, происходящий в присутствии катализаторов (каталитический крекинг) или при нагревании предельных углеводородов до 500-700°C под давлением (термический крекинг). Например:

* См. примечание на стр. 455.

- 457 -

Крекинг нефтяных продуктов позволяет получать смеси низкокипящих углеводородов (например, бензин) из углеводородов с высокой температурой кипения. При крекинге наряду с предельными углеводородами всегда получаются и непредельные. Непредельные углеводороды, образующиеся при крекинге, а также полученные дегидрированием предельных углеводородов, содержащихся в попутных газах нефтедобычи, все шире используются в промышленности органического синтеза в качестве сырья для производства пластических масс, химических волокон, спиртов, каучукоподобных материалов, моющих средств, растворителей и других ценных продуктов.

Физические свойства этиленовых и ацетиленовых углеводородов в гомологических рядах изменяются с той же закономерностью, как и у предельных: низшие представители — газы, более сложные жидкости, а затем — вещества с постепенно возрастающими температурами плавления и кипения, находящиеся при обычных условиях в твердом состоянии.

По химическим свойствам непредельные углеводороды резко отличаются от предельных; они исключительно реакционноспособны и вступают в разнообразные реакции присоединения. Такие реакции происходят путем присоединения атомов или групп атомов к атомам углерода, связанным двойной или тройной связью. При этом кратные связи довольно легко разрываются и превращаются в простые.

Так, этилен и ацетилен легко присоединяют бром, переходя в соответствующие ди- и тетрагалогенпроизводные:

ацетилен дибромэтилен тетрабромэтан

Реакция может служить для обнаружения непредельных углеводородов — бурая окраска брома быстро исчезает.

Другой качественной реакцией на наличие кратных связей служит окисление перманганатом калия: непредельные соединения окисляются очень легко с разрывом кратных связей, а фиолетовая окраска KMnO4 при этом исчезает.

Важным свойством непредельных углеводородов является способность их молекул соединяться друг с другом или с молекулами других непредельных углеводородов (реакция полимеризации, § 177).

Этилен C2H4 бесцветный газ со слабым приятным запахом, довольно хорошо растворимый в воде. Его температура кипения -103,8°C, температура затвердевания -169,5°C. На воздухе он горит слегка светящимся пламенем.

- 458 -

Этилен — весьма важное сырье для получения ряда синтетических продуктов, особенно этилового спирта, этиленоксида (окиси этилена), этиленгликоля (антифриз), полиэтилена (см. § 177) и др.

Ацетилен C2H2 бесцветный газ с характерным слабым запахом; температура кипения -83,8°C, температура затвердевания — -80,8°C. Технический ацетилен, получаемый из карбида кальция, пахнет неприятно из-за имеющихся в нем примесей. На воздухе ацетилен горит сильно коптящим пламенем. При его сгорании выделяется большое количество теплоты. Поэтому ацетилен в смеси с кислородом широко используют для сварки и резки металлов (автогенная сварка; температура пламени до 3350°C). Взрывоопасен; смеси с воздухом, содержащие от 2,3 до 80,7% ацетилена, взрывают от искры. Трудно растворим в воде; под небольшим давлением (1,2-1,5 МПа) хорошо растворяется в ацетоне (до 300 объемов) и в таком виде безопасен.