Получение предельных углеводородов из природных продуктов. Природными источниками предельных углеводородов служат раз­нообразные продукты, из которых наиболее важны природные горю­чие газы, нефть и горный воск.

Природные горючие газы представляют собой смеси газообразных углеводородов; они содержатся в земной коре, образуя огромные газовые месторождения. Кроме того, горючие газы сопутствуют нефти (природный нефтяной газ) и часто в больших количествах (например, в районе Грозного и Баку) выделяются из скважин в процессе нефтедобычи (попутный нефтя­ной газ).

Главная составная часть природных газов - метан. Неф­тяной газ наряду с метаном содержит этан, пропан, бутан и изобутан. Содержание этих углеводородов неодинаково для газов различ­ных месторождений. Так, в состав нефтяного газа, добываемого в районе Баку и Саратова, входит 85-94% метана и лишь неболь­шое количество его гомологов. В то же время в нефтяном газе некото­рых месторождений района Грозного, а также в Краснодарском крае содержание этана, пропана и бутанов достигает 50%. Иногда в неф­тяном газе содержится и значительное количество паров низко­кипящих углеводородов, входящих в состав бензинов; поэтому он может служить источником легких бензиновых фракций (см. ниже).

Природные газы - дешевое и эффективное топливо, используе­мое как в промышленности, так и в быту. Кроме того, они служат ценным химическим сырьем. Особенно перспективно в этом отноше­нии использование попутного нефтяного газа: содержащиеся в нем углеводороды являются исходными веществами для получения синтетического каучука, пластических масс и других синтетических атериалов.

В России имеются богатейшие газовые месторождения; на­пример, Москва снабжается газом из Саратовских месторождений, Киев - из месторождений Западной Украины и т. п.

Нефть и её переработка. Нефть - природное иско­паемое, представляющее собой сложную смесь органических ве­ществ, главным образом углеводородов. Она является ценнейшим продуктом, с использованием ее связаны самые разнообразные от­расли народного хозяйства. Состав нефти неодинаков в различных месторождениях. Так, в России предельные углеводороды ряда ме­тана преобладают, например, в ромашкинской (Татария), долинской (Украина), жетыбайской (Казахстан) нефтях. Нефть, добываемая в Азербайджане и на о. Сахалин, бога­та преимущественно циклическими предельными углеводородами - циклопарафинами. Некоторые нефти (например, павлов­ская, Пермская обл.) содержат значительные количества ароматических углеводородов.

Нефть содержит как жидкие, так и растворенные в них твердые и в некотором количестве газообразные углеводороды. При большом содержании последних нефть иногда под давлением газов фонтаном выбивается из буровых скважин.

Нефть - эффективное и дешевое топливо. Кроме того, она является наиболее ценным химическим сырьем, на основе которого получают синтетический каучук, пластмассы и т.п.

Путем переработки из нефти получают продукты различного назначения. Главный способ переработки нефти - фракциониро­вание (перегонка), при котором (после предварительного удаления газов) выделяют следующие основные нефтепродукты:

1. Бензин (сырой); температура кипения до 150-205°С.

2. Керосин; температура кипения от 150 до 300°С.

3. Нефтяные остатки (мазут).

Бензиновая фракция содержит углеводороды с 5-9 атомами углерода. Повторными разгонками из нее выделяют петролейный, или нефтяной, эфир (темп. кип. 40-70°С), бензины различных назначений - авиационный, автомобильный (темп. кип. 70-120 С С) и др.

Керосиновая фракция содержит углеводороды с 10-16 угле­родными атомами, а нефтяные остатки (мазут) - смесь высших углеводородов.

Из мазута при температуре выше 300°С отгоняется некоторое количество не разлагающихся при этой температуре продуктов, которые называют соляровыми маслами и применяют в качестве раз­личных смазочных средств. Кроме того, из мазута путем очистки, перегонки под уменьшенным давлением или с водяным паром получают и такие ценные продукты, как вазелин и парафин (послед­ний представляет собой смесь твердых углеводородов, которыми особенно богаты некоторые сорта нефти). Остаток после переработки мазута - так называемый гудрон - применяют для покрытия дорог. Мазут используют и непосредственно как топливо.

Наиболее ценными для современной техники продуктами пере­работки нефти являются бензины. Однако при прямой перегонке из нефти получается лишь до 20% (в зависимости от сорта и место­рождения нефти) бензиновой фракции. Выход ее может быть увели­чен до 60-80% при помощи крекинга высших нефтяных фракций. Первая установка по крекингу нефти была построена в 1891 году в России инженером В. Г. Шуховым.

В настоящее время различают следующие основные типы кре­кинга: а) жидкофазный, при котором сырье (мазут) подается в печи крекинга в жидком виде; б) парофазный, когда сырье подается в виде паров, и в) каталитический, при котором сырье разлагается на специальных катализаторах. В зависимости от типа крекинга получаются крекинг-бензины, отличающиеся по составу и имеющие различные назначения.

При крекинге, наряду с жидкими бензиновыми углеводородами, получаются более простые газообразные, главным образом непре­дельные углеводороды. Они образуют так называемые газы крекинга (до 25% от крекируемого нефтепродукта). Последние являются цен­ным промышленным источником непредельных углеводородов. Некоторое количество легкого бензина может быть получено путем сжатия из нефтяного газа, при этом содержащиеся в нем пары бензиновых углеводородов сгущаются, образуя так называемый газовый бензин.

Горный воск. Горный воск, или озокерит, представляет собой смесь твердых углеводородов. Залежи его имеются на острове Челекен (Каспийское море), в Средней Азии, в Краснодарском крае, в Польше. Из озокерита выделяют твердое вещество церезин - заме­нитель воска.

Углеводороды разных классов (алканы, алкены, алкины, алкадиены, арены) можно получать различными способами.

Получение алканов

Крекинг алканов с изначально бо льшей длиной цепи

Процесс, используемый в промышленности, протекает в интервале температур 450-500 o C в присутствии катализатора и при температуре 500-700 o C в отсутствие катализатора:

Важность промышленного процесса крекинга заключается в том, что он позволяет повысить выход бензина из тяжелых фракций нефти, которые не представляют существенной ценности сами по себе.

Гидрирование непредельных углеводородов

• алкенов:

• алкинов и алкадиенов:

Газификация каменного угля

в присутствии никелевого катализатора при повышенных температуре и давлении может быть использована для получения метана:

Процесс Фишера-Тропша

С помощью данного метода могут быть получены предельные углеводороды нормального строения, т.е. алканы. Синтез алканов осуществляют, используя синтез-газ (смеси угарного газа CO и водорода H 2), который пропускают через катализаторы при высоких температуре и давлении:

Реакция Вюрца

С помощью данной реакции могут быть получены углеводороды с бо льшим числом атомов углерода в цепи, чем в исходных углеводородах. Реакция протекает при действии на галогеналканы металлического натрия:

Декарбоксилирование солей карбоновых кислот

Сплавление твердых солей карбоновых кислот со щелочами приводит к реакции декарбоксилирования, при этом образуются углеводород с меньшим числом атомов углерода и карбонат металла (реакция Дюма):

Гидролиз карбида алюминия

Взаимодействие карбида алюминия с водой, а также кислотами-неокислителями приводит к образованию метана:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4

Al 4 C 3 + 12HCl = 4AlCl 3 + 3CH 4

Получение алкенов

Крекинг алканов

Реакция в общем виде уже была рассмотрена выше (получение алканов). Пример реакции крекинга:

Дегидрогалогенирование галогеналканов

Дегидрогалогенирование галогеналканов протекает при действии на них спиртового раствора щелочи:

Дегидратация спиртов

Данный процесс протекает в присутствии концентрированной серной кислоты и нагревании до температуры более 140 о С:

Обратите внимание, что и в случае дегидратации, и в случае дегидрогалогенирования отщепление низкомолекулярного продукта (воды или галогеноводорода) происходит по правилу Зайцева: водород отщепляется от менее гидрированного атома углерода.

Дегалогенирование вицинальных дигалогеналканов

Вицинальными дигалогеналканами называют такие производные углеводородов, у которых атомы хлора прикреплены к соседним атомам углеродной цепи.

Дегидрогалогенирование вицинальных галогеналканов можно осуществить, используя цинк или магний:

Дегидрирование алканов

Пропускание алканов над катализатором (Ni, Pt, Pd, Al 2 O 3 или Cr 2 O 3) при высокой температуре (400-600 о С) приводит к образованию соответствующих алкенов:

Получение алкадиенов

Дегидрирование бутана и бутена-1

В настоящий момент основным методом производства бутадиена-1,3 (дивинила) является каталитическое дегидрирование бутана, а также бутена-1, содержащихся в газах вторичной переработки нефти. Процесс проводят в присутствии катализатора на основе оксида хрома (III) при 500-650°С:

Действием высоких температур в присутствии катализаторов на изопентан (2-метилбутан) получают промышленно важный продукт – изопрен (исходное вещество для получения так называемого «натурального» каучука):

Метод Лебедева

Ранее (в Советском Союзе) бутадиен-1,3 получали по методу Лебедева из этанола:

Дегидрогалогенирование дигалогензамещенных алканов

Осуществляется действием на галогенпроизводные спиртового раствора щелочи:

Получение алкинов

Получение ацетилена

Пиролиз метана

При нагревании до температуры 1200-1500 о С метан подвергается реакции дегидрирования с одновременным удваиванием углеродной цепи – образуются ацетилен и водород:

Гидролиз карбидов щелочных и щелочноземельных металлов

Действием на карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов воды или кислот-неокислителей в лаборатории получают ацетилен. Наиболее дешев и, как следствие, наиболее доступен для использования карбид кальция:

Дегидрогалогенирование дигалогеналканов

Получение гомологов ацетилена

Дегидрогалогенирование дигалогеналканов:

Дегидрирование алканов и алкенов:

Получение ароматических углеводородов (аренов)

Декарбоксилирование солей ароматических карбоновых кислот

Сплавлением солей ароматических карбоновых кислот со щелочами удается получить ароматические углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле по сравнению с исходной солью:

Тримеризация ацетилена

При пропускании ацетилена при температуре 400°C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол:

Аналогичным способом можно получать симметричные триалкилзамещенные бензолы из гомологов ацетилена. Например:

Дегидрирование гомологов циклогексана

При действии на циклоалканы с 6-ю атомами углерода в цикле высокой температуры в присутствии платины происходит дегидрирование с образованием соответствующего ароматического углеводорода:

Дегидроциклизация

Также возможно получение ароматических углеводородов из углеводородов нециклического строения при наличии углеродной цепи с длиной в 6 или более атомов углерода (дегидроциклизация). Процесс осуществляют при высоких температурах в присутствии платины или любого другого катализатора гидрирования-дегидрирования (Pd, Ni):

Алкилирование

Получение гомологов бензола алкилированием ароматических углеводородов хлорпроизоводными алканов, алкенами или спиртами.

Выделение углеводородов из природного сырья

Источниками предельных углеводородов являются нефть и природный газ .

Основной компонент при­родного газа - простейший углеводород метан, который используется непосредственно или подвергается переработ­ке. Нефть, извлеченная из земных недр, также под­вергается переработке, ректификации, крекингу.

Больше всего углеводородов получают при пере­работке нефти и других природных ресурсов. Но значительное количество ценных углеводородов по­лучают искусственно, синтетическими способами.

Наличие катализаторов изомеризации ускоряет образование углеводородов с разветвленным скелетом из линейных углеводородов:

Добавление катализаторов позволяет несколько уменьшить температуру, при которой протекает реакция.

Гидрирование (присоединение водорода) алкенов

В результате крекинга образуется большое коли­чество непредельных углеводородов с двойной свя­зью - алкенов. Уменьшить их количество можно, добавив в систему водород и катализаторы гидри­рования - металлы (платина, палладий, никель):

Крекинг в присутствии катализаторов гидриро­вания с добавлением водорода называется восста­новительным крекингом . Основными его продук­тами являются предельные углеводороды.

Таким образом, повыше­ние давления при крекинге (крекинг высокого давления) позволяет уменьшить коли­чество газообразных (СН 4 - С 4 Н 10) углеводородов и по­высить содержание жидких углеводородов с длиной цепи 6-10 атомов углерода, которые составляют основу бензинов.

Это были промышленные способы получения алканов, которые являются основой промышлен­ной переработки основного углеводородного сы­рья - нефти.

Теперь рассмотрим несколько лабораторных способов получения алканов.

Нагревание натриевой соли уксусной кисло­ты (ацетата натрия) с избытком щелочи приводит к отщеплению карбоксильной группы и образова­нию метана:

Если вместо ацетата натрия взять пропионат натрия , то образуется этан, из бутаноата натрия - пропан и т. д.

При взаимодействии галогеналканов со щелоч­ным металлом натрием образуются предельные углеводороды и галогенид щелочного металла, на­пример:

Действие щелочного металла на смесь галоген­углеводородов (например, бромэтана и бромметана) приведет к образованию смеси алканов (этана, пропа­на и бутана).

Реакция, на которой ос­нован синтез Вюрца, хорошо протекает только с галоген-алканами, в молекулах которых атом галогена присоединен к первичному атому углерода .

При обработке некоторых карбидов, содержащих углерод в степени окисления -4 (например, карбида алюминия), водой образуется метан:

Основные способы получения кислородсодержащих соединений

Образование галокеналканов при взаимодействии спиртов с галогеноводородами - обратимая реакция. Поэтому понятно, что спирты могут быть получены при гидролизе галогеналканов - реакции этих соединений с водой:

Многоатомные спирты можно получить при гидролизе галогеналканов , содержащих более одного атома галогена в молекуле. Например:

Присоединение воды по π-связи молекулы алкена, например:

Приводит в соответствии с правилом Марковникова к образованию вторичного спирта - пропанола-2:

Гидрирование альдегидов и кетонов

Окисление спиртов в мягких условиях приводит к образованию альдегидов или кетонов. Очевидно, что спирты могут быть получены при гидрирова­нии (востановлении водородом, присоединении во­дорода) альдегидов и кетонов:

Гликоли, как уже отмечалось, могут быть полу­чены при окислении алкенов водным раствором пер­манганата калия . Например, этиленгликоль (этан- диол-1,2) образуется при окислении этилена (этена):

Специфические способы получения спиртов

1. Некоторые спирты получают характерными только для них способами. Так, метанол в про­мышленности получают ре­акцией взаимодействия водо­рода с оксидом углерода (II) (угарным газом) при повы­шенном давлении и высокой температуре на поверхности катализатора (оксида цинка):

Необходимую для этой реакции смесь угарного га­за и водорода, называемую также «синтез-газ», получа­ют при пропускании паров воды над раскаленным углем:

2. Брожение глюкозы . Этот способ получения этилового (винного) спирта известен человеку с древнейших времен:

Способы получения альдегидов и кетонов

1. Альдегиды и кетоны могут быть получены окислением или дегидрированием спиртов. При окислении или дегидрировании первичных спир­тов могут быть получены альдегиды, а вторичных спиртов - кетоны:

2. . Из ацетилена в результате реакции получается уксусный альдегид, из гомо­логов ацетилена - кетоны:

3. При нагревании кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот образуются кетон и кар­бонат металла:

Способы получения карбоновых кислот

1. Карбоновые кислоты могут быть получены окислением первичных спиртов или альдегидов :

2. Ароматические карбоновые кислоты образу­ются при окислении гомологов бензола :

3. Гидролиз различных производных карбоновых кислот также приводит к получению кислот. Так, при гидролизе сложного эфира образуются спирт и карбоновая кислота. Реакции этерификации и ги­дролиза, катализируемой кислотой, обратимы:

4. Гидролиз сложного эфира под действием во­дного раствора щелочи протекает необратимо, в этом случае из сложного эфира образуется не кислота, а ее соль:

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости

Углеводороды, атомы углерода которых связаны одинарными связями, называются насыщенными или предельными углеводородами.

Общее описание

К насыщенным углеводородам относятся ациклические (алканы) и карбоциклические (циклоалканы) соединения. Они отличаются пространственным строением и количеством атомов.

Ряд веществ, сходных по строению, химическим свойствам, но отличающихся количеством атомов, называется гомологическим. Вещества, входящие в состав гомологического ряда, называются гомологами.

Алканы - это гомологический ряд метана CH 4 .

Циклоалканы или нафтены - гомологический ряд циклопропана. Общее описание предельных углеводородов представлено в таблице.

Соединения, которые имеют одинаковое количество атомов, но разное строение, называются изомерами. Все алканы, начиная с бутана, имеют изомеры. К названию прибавляется приставка изо- (изобутан, изопентан, изогексан). Формула остаётся неизменной.

Рис. 1. Структурная формула бутана и изобутана.

Для циклоалканов характерны три вида изомерии:

• пространственная - расположение относительно плоскости цикла;
• углеродная - присоединение к СН 2 -группе дополнительных групп;
• межклассовая - образование изомеров с алкенами.

В зависимости от присоединяемой группы меняется название вещества. Например, метилциклопропан имеет циклическую структуру в виде треугольника с присоединённым метилом (СН 3). Название «1,2-диметилциклопентан» говорит о циклическом строении с двумя присоединёнными молекулами метила. Цифры указывают, к каким углам пятиугольника присоединён метил.

В углах фигуры циклоалканов всегда находится группа CH 2 , поэтому её часто не записывают, а просто рисуют фигуру. Количество углов указывает на количество атомов углерода. Дополнительные группы дописывают к углам через штрих.

Рис. 2. Примеры графических формул циклоалканов.

Получение

Существуют промышленные и лабораторные способы получения алканов. В промышленности:

• выделение из нефти, газа, каменного угля;
• газификация твёрдого топлива: C + 2H 2 → CH 4 .

В лаборатории:

• гидролиз карбида алюминия:

  Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ;

• реакция замещения:

  2CH 3 Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl;

• реакция обмена:

  CH 3 COONa + NaOH → Na 2 CO 3 + CH 4 .

Циклоалканы получают путём выделения из природных источников - нефти, газа, а также при дегидрировании алканов и гидрировании аренов:

• С 6 Н 14 ↔ C 6 H 12 + Н 2 ;
• C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .

Свойства

Алканы и циклоалканы имеют схожие химические свойства. Это малоактивные вещества, реагирующие только при дополнительных условиях - нагревании, давлении. Реакции предельных углеводородов:

• горение:

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;

• замещение (например, галогенирование):

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• присоединение:

  C 6 H 12 + H 2 → C6H 14 ;

• разложение:

  C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 .

Рис. 3. Горение метана.

С увеличением молекулярной массы предельных углеводородов и, соответственно, числа атомов углерода в гомологических рядах увеличивается температура кипения веществ. Циклоалканы кипят и плавятся при более высоких температурах, чем алканы. Метан, этан, пропан, бутан - газы. Вещества, в состав которых входит 5-15 атомов углерода (с C 5 H 12 по C 15 H 32) - жидкости. Вещества, содержащие более 15 атомов углерода, - находятся в твёрдом состоянии.

Что мы узнали?

Схожие по свойствам вещества - алканы и циклоалканы - относятся к предельным углеводородам. Алканы - соединения с линейным строением молекул, циклоалканы - циклические углеводороды, образующие треугольные, четырёхугольные, пятиугольные структуры. Насыщенные углеводороды получают из полезных ископаемых, а также промышленным или лабораторным путём. Это малоактивные вещества, вступающие в реакции замещения, присоединения, горения, разложения только при дополнительных условиях.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 117.

Предельные углеводороды - это углеводороды, в молекулах которых имеются только простые (одинарные) связи (-связи). Предельными углеводородами являются алканы и циклоалканы.

Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.

Алканы - предельные углеводороды, состав которых выражается общей формулой C n H 2n+2 . Алканы являются насыщенными углеводородами.

Изомеры и гомологи

Физические свойства алканов

При комнатной температуре С 1 -C 4 - газы, C 5 -C 15 - жидкости, C 16 и следующие - твердые вещества; нерастворимы в воде; плотность меньше 1 г/см 3 ; жидкие - с запахом бензина.

С увеличением числа атомов углерода в молекуле возрастает температура кипения.

Химические свойства алканов

Малоактивны в обычных условиях, не реагируют с растворами кислот и щелочей, не обесцвечивают раствор KMnO 4 и бромную воду.

Получение алканов

Циклоалканы - предельные углеводороды, состав которых выражается формулой C n H 2n . В состав молекул циклоалканов входят замкнутые углеродные цепи (циклы).

Изомеры и гомологи

Упрощенно углеводородный цикл часто изображают правильным многоугольником с соответствующим числом углов.

Физические свойства мало отличаются от свойств алканов.

Химические свойства

За исключением циклопропана и циклобутана циклоалканы, как и алканы, малоактивны в обычных условиях.

Общие свойства циклоалканов (на примере циклогексана):

Особые свойства циклопропана и циклобутана (склонность к реакциям присоединения):

Способы получения циклоалканов

Алгоритм составления названий предельных углеводородов

1. Найдите главную углеродную цепь: это самая длинная цепь атомов углерода.
2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе разветвление.
3. Укажите номер атома углерода в главной цепи, у которого есть заместитель и дайте название заместителю. Если заместителей несколько, расположите их по алфавиту. Перед названием одинаковых заместителей укажите номера всех атомов углерода, с которыми они связаны, и используйте умножающие приставки (ди-, три-, тетра-).
4. Напишите название главной цепи с суффиксом -ан. Корни названий главной цепи: C 1 - мет, С 2 - эт, С 3 - проп, C 4 - бут, C 5 - пент, C 6 - гекс, С 7 - гепт, C 8 - окт, С 9 - нон, C 10 - дек. Названия незамещенных циклоалканов образуются из названия предельного углеводорода с добавлением префикса цикло-. Если в циклоалкане есть заместители, то атомы углерода в цикле нумеруются от самого простого заместителя (самого старшего, метила) к более сложному кратчайшим путем, и положения заместителей указываются так же, как и в алканах.

Задачи и тесты по теме "Тема 1. "Предельные углеводороды"."

• Углеводороды. Полимеры - Органические вещества 8–9 класс

  Уроков: 7 Заданий: 9 Тестов: 1

• - Человек в мире веществ, материалов и химических реакций 8–9 класс

  Уроков: 2 Заданий: 6 Тестов: 1

• Классификация веществ - Классы неорганических веществ 8–9 класс

  Уроков: 2 Заданий: 9 Тестов: 1

• 
  А. Дана характеристика одного вещества-участника реакции (масса, объем, количество вещества), нужно найти характеристику другого вещества.

  Пример. Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана.

  Ответ: m (Cl 2) = 35,5 г.

  Б. Расчеты с использованием правила объемных отношений газов.

  Пример. Определите, какой объем кислорода, измеренного при нормальных условиях (н. у.), потребуется для полного сгорания 10 м 3 пропана (н. у.).
  
  Ответ: V (O 2) = 50 м 3 .

  Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий к теме 1. Желаем успехов.

  
  Рекомендованная литература:
  • О. С. Габриелян и др. Химия 10 кл. М., Дрофа, 2002;
  • Л. С. Гузей, Р. П. Суровцева, Г. Г. Лысова. Химия 11 кл. Дрофа, 1999.
  • Г. Г. Лысова. Опорные конспекты и тесты по органической химии. М., ООО "Глик плюс", 1999.