-->
|
|
|
Óãëåâîäîðîäû è èõ ïðèðîäíûå èñòî÷íèêè § 3. Ïðèðîäíûé ãàç. ÀëêàíûÂî ââåäåíèè ìû îïðåäåëèëè îðãàíè÷åñêóþ õèìèþ êàê õèìèþ óãëåâîäîðîäîâ è èõ ïðîèçâîäíûõ. Íàçâàíèå óãëåâîäîðîäû ãîâîðèò çà ñåáÿ: ýòî âåùåñòâà, ìîëåêóëû êîòîðûõ ñîñòîÿò èç àòîìîâ äâóõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ — óãëåðîäà è âîäîðîäà. Áëàãîäàðÿ óíèêàëüíîé ñïîñîáíîñòè àòîìîâ óãëåðîäà ñîåäèíÿòüñÿ äðóã ñ äðóãîì â öåïè ðàçëè÷íîé ôîðìû è äëèíû, òàêèõ ñîåäèíåíèé ñóùåñòâóåò âåëèêîå ìíîæåñòâî. Ïîýòîìó èõ äåëÿò íà êëàññû. Çíàêîìèòüñÿ ñ íåêîòîðûìè èç ýòèõ êëàññîâ ìû áóäåì ïî ìåðå èçó÷åíèÿ ïðèðîäíûõ èñòî÷íèêîâ óãëåâîäîðîäîâ: ïðèðîäíîãî ãàçà è íåôòè. È ýòî íå ñëó÷àéíî, èáî íàøà ñòðàíà çàíèìàåò îäíî èç âåäóùèõ ìåñò â ìèðå ïî çàïàñàì, äîáû÷å, ýêñïîðòó è ïåðåðàáîòêå óãëåâîäîðîäíîãî ñûðüÿ.
Âìåñòå ñ òåì çíàíèå ýòîé òåìû ïðåäñòàâëÿåò îïðåäåëåííûé ïðîôåññèîíàëüíûé èíòåðåñ íå òîëüêî äëÿ õèìèêîâ, íî òàêæå äëÿ áóäóùèõ ãåîëîãîâ è ãåîãðàôîâ, þðèñòîâ è ýêîíîìèñòîâ, îáùåñòâîâåäîâ è ïîëèòîëîãîâ, èíæåíåðîâ è ýêîëîãîâ. Òîëüêî äåòàëüíîå âëàäåíèå ñèñòåìîé çíàíèé îá óãëåâîäîðîäíîì ñûðüå ïîçâîëèò ïðîôåññèîíàëüíî ñîñòîÿòüñÿ ñïåöèàëèñòàì, ñâÿçàííûì ñ ðàçâåäêîé, äîáû÷åé, òðàíñïîðòèðîâêîé è ïðîìûøëåííîé ïåðåðàáîòêîé ïðèðîäíîãî ãàçà (ðèñ. 8) è íåôòè (ðèñ. 9).
Ïðèðîäíûå èñòî÷íèêè óãëåâîäîðîäîâ ÿâëÿþòñÿ ñâÿçóþùèì çâåíîì ìåæãîñóäàðñòâåííûõ îòíîøåíèé â ïîëèòè÷åñêîé è ýêîíîìè÷åñêîé îáëàñòè è íåðåäêî ñëóæàò ïðè÷èíîé êîíôëèêòîâ è âîéí çà êîíòðîëü íàä ýòèìè èñòî÷íèêàìè. Çíàêîìñòâî ñ èñòî÷íèêàìè óãëåâîäîðîäîâ ìû íà÷íåì ñ ïðèðîäíîãî ãàçà. Ýòî ïîëåçíîå èñêîïàåìîå — âàæíåéøèé âèä òîïëèâà è ñûðüå äëÿ õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè, ïîñêîëüêó èìååò ðÿä äîñòîèíñòâ: Ïðèðîäíûé ãàç — ýòî ñìåñü ãàçîîáðàçíûõ óãëåâîäîðîäîâ ñ íåáîëüøîé ìîëåêóëÿðíîé ìàññîé. Îñíîâíûì êîìïîíåíòîì ïðèðîäíîãî ãàçà ÿâëÿåòñÿ ìåòàí, äîëÿ êîòîðîãî â çàâèñèìîñòè îò ìåñòîðîæäåíèÿ ñîñòàâëÿåò îò 75 äî 99% ïî îáúåìó. Êðîìå ìåòàíà, â ñîñòàâ ïðèðîäíîãî ãàçà âõîäÿò ýòàí, ïðîïàí, áóòàí è èçîáóòàí, à òàêæå àçîò è óãëåêèñëûé ãàç (ðèñ. 10). Êàê âû óæå çíàåòå, ìåòàí, ýòàí, ïðîïàí, áóòàí ÿâëÿþòñÿ ïåðâûìè ÷åòûðüìÿ ÷ëåíàìè ãîìîëîãè÷åñêîãî ðÿäà ïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ — àëêàíîâ. Ñâîå íàçâàíèå «ïðåäåëüíûå óãëåâîäîðîäû» àëêàíû ïîëó÷èëè ïîòîìó, ÷òî âñå âàëåíòíîñòè àòîìîâ óãëåðîäà â ýòèõ ìîëåêóëàõ íàñûùåíû àòîìàìè âîäîðîäà äî ïðåäåëà.
Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà àëêàíîâ çàâèñÿò îò ñîñòàâà èõ ìîëåêóë, ò. å. îò îòíîñèòåëüíîé ìîëåêóëÿðíîé ìàññû, ÷òî íàãëÿäíî èëëþñòðèðóåò òàáëèöà 2. Íåòðóäíî çàìåòèòü, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì îòíîñèòåëüíîé ìîëåêóëÿðíîé ìàññû ó àëêàíîâ óâåëè÷èâàþòñÿ òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ è ïëîòíîñòü, à òàêæå èçìåíÿåòñÿ àãðåãàòíîå ñîñòîÿíèå: ïåðâûå ÷åòûðå àëêàíà — ãàçîîáðàçíûå âåùåñòâà, ñëåäóþùèå îäèííàäöàòü — æèäêîñòè, à íà÷èíàÿ ñ ãåêñàäåêàíà — òâåðäûå âåùåñòâà. Ìîëåêóëà ïåðâîãî ÷ëåíà ãîìîëîãè÷åñêîãî ðÿäà àëêàíîâ — ìåòàíà — èìååò òåòðàýäðè÷åñêîå ñòðîåíèå, ò. å. ôîðìó ïðàâèëüíîé ïèðàìèäû (ðèñ. 11). Ìåòàí íå èìååò çàïàõà, ïîýòîìó äëÿ òîãî, ÷òîáû îáíàðóæèòü óòå÷êó áûòîâîãî ãàçà, îñíîâó êîòîðîãî è ñîñòàâëÿåò ìåòàí, ê íåìó äîáàâëÿþò ðåçêî ïàõíóùèå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ. Åñëè âû ïî÷óâñòâóåòå òàêîé çàïàõ, çíà÷èò, ïðîèñõîäèò óòå÷êà ãàçà è íåîáõîäèìî ñðî÷íî çâîíèòü â àâàðèéíóþ ñëóæáó ãîðãàçà ïî òåëåôîíó 04 èëè â ñëóæáó Ì×Ñ ïî òåëåôîíó 01.
Ïåðâûå ÷åòûðå ÷ëåíà ãîìîëîãè÷åñêîãî ðÿäà ìåòàíà ïîëó÷èëè òðèâèàëüíûå, èñòîðè÷åñêè ñëîæèâøèåñÿ íàçâàíèÿ. Îñíîâîé íàçâàíèÿ ñëåäóþùèõ àëêàíîâ íîðìàëüíîãî ñòðîåíèÿ ñòàëè ãðå÷åñêèå ÷èñëèòåëüíûå. Òàê êàê, íà÷èíàÿ ñ áóòàíà, ó êàæäîãî àëêàíà ñ ëèíåéíîé öåïüþ ïîÿâëÿþòñÿ èçîìåðû ñ ðàçâåòâëåííûì óãëåðîäíûì ñêåëåòîì, âîçíèêëà íåîáõîäèìîñòü âûðàáîòàòü ñèñòåìó èõ íàçâàíèé. Òàêàÿ ñèñòåìà áûëà ðàçðàáîòàíà Ìåæäóíàðîäíûì ñîþçîì òåîðåòè÷åñêîé è ïðèêëàäíîé õèìèè (ÈÞÏÀÊ) è ïîëó÷èëà íàçâàíèå ìåæäóíàðîäíîé íîìåíêëàòóðû ÈÞÏÀÊ. Äëÿ ñîñòàâëåíèÿ íàçâàíèé îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ ïî íîìåíêëàòóðå ÈÞÏÀÊ íåîáõîäèìî çíàòü ôîðìóëû è íàçâàíèÿ ðàäèêàëîâ è äðóãèõ çàìåñòèòåëåé (íàïðèìåð, ãàëîãåíîâ). Ðàäèêàë — ýòî îäíîâàëåíòíàÿ ÷àñòèöà, êîòîðàÿ ïîëó÷àåòñÿ ïðè îòùåïëåíèè îò ìîëåêóëû àëêàíà àòîìà âîäîðîäà, ò. å. ÷àñòèöà, ñîäåðæàùàÿ íåñïàðåííûé ýëåêòðîí. Íàçâàíèå ðàäèêàëà ïðîèñõîäèò îò íàçâàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî àëêàíà ñ çàìåíîé ñóôôèêñà  ñîîòâåòñòâèè ñ ìåæäóíàðîäíîé íîìåíêëàòóðîé ñëåäóåò ïðèäåðæèâàòüñÿ ñëåäóþùèõ ïðàâèë ïðè ñîñòàâëåíèè íàçâàíèÿ àëêàíîâ. 1.  ñòðóêòóðíîé ôîðìóëå âûáèðàþò ñàìóþ äëèííóþ öåïü àòîìîâ óãëåðîäà (ãëàâíóþ öåïü). 2. Àòîìû óãëåðîäà ãëàâíîé öåïè íóìåðóþò, íà÷èíàÿ ñ òîãî êîíöà, ê êîòîðîìó áëèæå ðàçâåòâëåíèå. 3.  íà÷àëå íàçâàíèÿ ïåðå÷èñëÿþò ðàäèêàëû è äðóãèå çàìåñòèòåëè ñ óêàçàíèåì íîìåðîâ àòîìîâ óãëåðîäà, ñ êîòîðûìè îíè ñâÿçàíû. Åñëè â ìîëåêóëå ïðèñóòñòâóåò íåñêîëüêî îäèíàêîâûõ ðàäèêàëîâ (äâà, òðè, ÷åòûðå è ò. ä.), òî öèôðîé óêàçûâàþò ìåñòî êàæäîãî èç íèõ â ãëàâíîé öåïè è ïåðåä èõ íàçâàíèåì ñòàâÿò ñîîòâåòñòâåííî ÷àñòèöû äè-, òðè-, òåòðà- è ò. ä. 4. Îñíîâîé íàçâàíèÿ ñëóæèò íàèìåíîâàíèå ïðåäåëüíîãî óãëåâîäîðîäà ñ òåì æå ÷èñëîì àòîìîâ óãëåðîäà, ÷òî è â ãëàâíîé öåïè. Ïðèâåäåì ïðèìåðû ñîñòàâëåíèÿ íàçâàíèé àëêàíîâ.
Ðàññìîòðèì ïðèìåíåíèå ïðèðîäíîãî ãàçà, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæàò õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà îòäåëüíûõ àëêàíîâ, â ïåðâóþ î÷åðåäü ìåòàíà. Îñíîâíûì õèìè÷åñêèì ñâîéñòâîì ïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ, îïðåäåëÿþùèì èõ èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå òîïëèâà (ðèñ. 12), ÿâëÿåòñÿ ðåàêöèÿ ãîðåíèÿ:
 îáùåì ñëó÷àå óðàâíåíèå ðåàêöèè ãîðåíèÿ ëþáîãî óãëåâîäîðîäà, èìåþùåãî ñîñòàâ ÑxÍy, ìîæíî çàïèñàòü â ñëåäóþùåì âèäå:
Îäíàêî ïðèðîäíûé ãàç — ýòî íå òîëüêî òîïëèâî, íî è öåííîå õèìè÷åñêîå ñûðüå (ðèñ. 13). Åãî ïåðåðàáîòêà îñíîâàíà íà äðóãèõ õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ àëêàíîâ. Äëÿ àëêàíîâ, êàê äëÿ ïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ, íàèáîëåå õàðàêòåðíû ðåàêöèè çàìåùåíèÿ.
Òàê, àòîìû âîäîðîäà â ìîëåêóëå ìåòàíà ñïîñîáíû ïîñëåäîâàòåëüíî çàìåùàòüñÿ íà àòîìû ãàëîãåíîâ, íàïðèìåð õëîðà:
Ðåàêöèÿ ãàëîãåíèðîâàíèÿ ìåòàíà ïðîòåêàåò ïî öåïíîìó ðàäèêàëüíîìó ìåõàíèçìó (ò. å. ñ îáðàçîâàíèåì ÷àñòèö, ñîäåðæàùèõ íåïàðíûé ýëåêòðîí) è ñîñòîèò èç ðÿäà ïîâòîðÿþùèõñÿ ñòàäèé: à) íà÷àëî öåïè, ïðîòåêàåò ïîä äåéñòâèåì ñâåòà è íàçûâàåòñÿ ñâåòîâîé ñòàäèåé: îáðàçóþòñÿ àòîìû õëîðà, èìåþùèå íåñïàðåííûå ýëåêòðîíû (ñâîáîäíûå ðàäèêàëû):
á) ðîñò öåïè, ìîæåò ïðîòåêàòü â îòñóòñòâèå ñâåòà è íàçûâàåòñÿ òåìíîâîé ñòàäèåé:
â) îáðûâ öåïè, çàêëþ÷àåòñÿ â ðåêîìáèíàöèè (ñîåäèíåíèè) äâóõ êàêèõ-ëèáî ñâîáîäíûõ ðàäèêàëîâ:
Çà èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìà öåïíûõ ðàäèêàëüíûõ ðåàêöèé âûäàþùèéñÿ ñîâåòñêèé ôèçèêîõèìèê Í. Í. Ñåìåíîâ (1896—1986) ïîëó÷èë Íîáåëåâñêóþ ïðåìèþ. Îáðàçóþùèåñÿ â ýòèõ ðåàêöèÿõ ñîåäèíåíèÿ øèðîêî èñïîëüçóþò êàê ðàñòâîðèòåëè, èñõîäíûå âåùåñòâà â îðãàíè÷åñêèõ ñèíòåçàõ, õëàäàãåíòû (ôðåîíû) â õîëîäèëüíûõ óñòàíîâêàõ. Ìåòàí âñòóïàåò â ðåàêöèè ïîëíîãî è íåïîëíîãî ðàçëîæåíèÿ â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé ïðîâåäåíèÿ ðåàêöèè. Ïðè òåìïåðàòóðå 1000 °Ñ ïðîèñõîäèò ïîëíîå ðàçëîæåíèå ìåòàíà. Ïðè ýòîì îáðàçóþòñÿ ñàæà è âîäîðîä:
Ñàæà èäåò íà èçãîòîâëåíèå òèïîãðàôñêîé êðàñêè è êàðòðèäæåé äëÿ ïðèíòåðîâ, à âîäîðîä, íàïðèìåð, äëÿ ïðîèçâîäñòâà àììèàêà. Íåïîëíîå ðàçëîæåíèå ìåòàíà ïðîâîäÿò ïðè òåìïåðàòóðå 1500 °Ñ è ðåçêîì îõëàæäåíèè ïðîäóêòîâ ðåàêöèè.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ïðîöåññà ïîëó÷àþò âàæíûé óãëåâîäîðîä — àöåòèëåí Ñ2Í2, à òàêæå âîäîðîä:
 ïðèñóòñòâèè êàòàëèçàòîðîâ îò ìîëåêóë àëêàíîâ îòùåïëÿþòñÿ ìîëåêóëû âîäîðîäà.
Íàïðèìåð, äåãèäðèðîâàíèåì ýòàíà ïîëó÷àþò ýòèëåí — öåííûé õèìè÷åñêèé ïðîäóêò:
Ýòèëåí è ðàññìîòðåííûé âûøå àöåòèëåí îòíîñÿò ê íåïðåäåëüíûì óãëåâîäîðîäàì — àëêåíàì è àëêèíàì. Ñëåäóþùèé ïàðàãðàô áóäåò ïîñâÿùåí àëêåíàì — ýòèëåíó è åãî ãîìîëîãàì.
1. Óêàæèòå âàæíåéøèå ìåñòîðîæäåíèÿ ïðèðîäíîãî ãàçà â Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè. Íàéäèòå èõ íà êàðòå ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ íàøåé ñòðàíû, âîñïîëüçîâàâøèñü ãåîãðàôè÷åñêèì àòëàñîì. 2. Íàçîâèòå èçâåñòíûå âàì ìåæäóíàðîäíûå âîîðóæåííûå êîíôëèêòû, êîòîðûå ñâÿçàíû ñ êîíòðîëåì íàä ïðèðîäíûìè èñòî÷íèêàìè óãëåâîäîðîäîâ. 3. Ïðèâåäèòå ïðèìåðû èíòåãðàöèè ýêîíîìèê ðàçëè÷íûõ ñòðàí, îñíîâó êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò èñïîëüçîâàíèå ïðèðîäíîãî ãàçà. 4. Ïîäãîòîâüòå ðàññêàç î òîì, êàê ñâÿçàíû çíàíèÿ ïî õèìèè ïðèðîäíîãî ãàçà ñ âàøåé áóäóùåé ïðîôåññèåé. 5. Íàçîâèòå ïðåèìóùåñòâà ïðèðîäíîãî ãàçà ïåðåä äðóãèìè âèäàìè òîïëèâà. 6. Ïðîèëëþñòðèðóéòå çàêîí ïåðåõîäà êîëè÷åñòâåííûõ îòíîøåíèé â êà÷åñòâåííûå íà ïðèìåðå ãîìîëîãè÷åñêîãî ðÿäà àëêàíîâ. 7. Íàçîâèòå óãëåâîäîðîäû, ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû êîòîðûõ:
8. Äëÿ óãëåâîäîðîäà, ñòðóêòóðíàÿ ôîðìóëà êîòîðîãî
íàïèøèòå ôîðìóëû âîçìîæíûõ èçîìåðîâ. Íàçîâèòå âñå ñîåäèíåíèÿ ïî ìåæäóíàðîäíîé íîìåíêëàòóðå ÈÞÏÀÊ. 9. Óêàæèòå îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ìåòàíà, â îñíîâå êîòîðûõ ëåæèò ðåàêöèÿ ãîðåíèÿ. 10. Óêàæèòå îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ âåùåñòâ, îáðàçóþùèõñÿ ïðè ïîëíîì è íåïîëíîì ðàçëîæåíèè ìåòàíà. 11. Óêàæèòå îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ñîåäèíåíèé, îáðàçóþùèõñÿ â ðåàêöèÿõ ìåòàíà ñ õëîðîì. 12. Âû÷èñëèòå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, êîòîðàÿ âûäåëèòñÿ ïðè ñãîðàíèè 11,2 ì3 ìåòàíà (í. ó.), åñëè òåðìîõèìè÷åñêîå óðàâíåíèå ðåàêöèè åãî ãîðåíèÿ
|
|
|