Химия нефти и газа

="justify">     Гексан (С₆) имеет 5 изомеров; декан (С₁₀) – 75, эйкозан (С₂₀) – 336319.

     Приведённые формулы изомеров бутана и пентана  называют структурными. Они показывают не только какие атомы и в каком количестве входят в молекулу данного соединения, но и отражают порядок и характер связей между ними. Различают полную, или развёрнутую, структурную формулу:

изооктан

и краткую, или звеньевую: 

изооктан

     В изооктане имеется четыре типа углеродных атомов: атомы 1,5,6,7,8 связаны только с одним углеродным атомом – такие атомы углерода называют первичными, атом 3 с двумя – вторичный атом, атом 4 с тремя – третичный углеродный атом. Углеродный атом 2 называется четвертичным. Соответственно первичными, вторичными и третичными называются связанные с ними атомы водорода. 

     2.2.2. Номенклатура 

     Существует  несколько способов наименования органических соединений: тривиальные (исторические) названия, рациональная и систематические номенклатуры.

     Тривиальные названия обычно связаны с источниками, первыми способами получения веществ, именами учёных или являются случайными. Они не говорят о структуре молекулы и в большинстве случаев возникли в начальный период развития химии.

     Названия  органических соединений по рациональной и систематической номенклатурам указывают не только вид и число атомов, входящих в его состав, но и дают представление о структуре молекулы.

     Наиболее  удобной, дающей возможность назвать  любое соединение, является систематическая  номенклатура органических соединений, использующая систему правил, разработанную комиссией по номенклатуре органических соединений при Международном союзе Чистой и Прикладной химии – International Union of Pure and Applied Chemistry – сокращённо IUPAC (ИЮПАК).

     Первые  четыре представителя алканов имеют случайные названия: метан, этан, пропан, бутан. По существу тривиальными можно считать и названия следующих алканов, хотя они и являются производными греческих числительных, соответствующих числу углеродных атомов в молекуле алкана [за исключением нонана и ундекана, корни названия которых латинские (табл. 2)], общим для всех гомологов является окончание «ан». Эти названия не дают представления о строении алканов (нормальная, разветвлённая цепь и т.д.), и поэтому однозначно могут быть использованы только для наименования алканов нормального строения.

     Для наименования алканов с разветвлённой  углеродной цепью необходимо знать названия углеводородных радикалов – алкилов, частиц, условно выделенных из молекулы углеводорода отнятием одного атома водорода. Их названия получают заменой окончания «ан» соответствующего алкана на «ил». Отсюда и их групповое название «алкилы». Общая формула алкилов C_nH_2n+1. В формулах органических соединений алкилы в общем виде обозначаются Alk или чаще R.

     Таблица 2

     Физические свойства нормальных алканов

 

     Согласно  номенклатуре ИЮПАК названия разветвлённых  алканов составляют следующим образом:

1. В молекуле углеводорода выбирают главную цепь – самую длинную:

 

 

2. Затем эту  цепь нумеруют с того конца, к которому ближе заместитель

      (радикал, имеющий меньшее число  углеродных атомов): 

 

3. Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают место

(цифрой) расположения заместителя, затем  этот заместитель, а в конце  – добавляют название главной (самой длинной) цепи. Вышеприведённый углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан.

     Если  в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным (ди-, три-, тетра- и т. д.), которое ставят перед названием этих радикалов, а их положение указывают одной и той же цифрой, повторенной дважды (или несколько раз – в зависимости от количества одинаковых заместителей). Например: 

     Приведём  ещё примеры:

 

     По  рациональной номенклатуре предельные углеводороды рассматриваются как производные метана, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Названия строят следующим образом. Называют по старшинству все заместители (указывая и

     х количество, если они одинаковые) и  основу названия – слово «метан». Приведём примеры углеводородов и назовём их по рациональной и систематической номенклатурам: 

 

     Как видно из этих примеров, систематическая  номенклатура – более удобная  и совершенная.

     2.2.3. Физические свойства 

     Четыре  первых представителя ряда метана – газообразные вещества, начиная с пентана (С₅) до гексадекана (С₁₆) углеводороды нормального строения – жидкости, С₁₇ и выше – твёрдые вещества. В ряду метана для алканов нормального строения по мере роста молекулярной массы (см. табл. 2) наблюдается увеличение температур кипения и плавления, а также плотности. Разница в температурах кипения соседних гомологов у нормальных алканов С₅ – С₁₀ составляет 20 – 30 ⁰С и постепенно она уменьшается до 15 ⁰С у углеводородов С₁₅ – С₂₀.

     Алканы  с разветвлённой цепью углеродных атомов кипят при более низких температурах по сравнению с алканами нормального строения; с увеличением числа заместителей, превращением молекул в более разветвлённые разница в температурах кипения алканов нормального и разветвлённого строения возрастает. Эта же закономерность наблюдается и для плотности. Это хорошо видно из табл. 3.

     Таблица 3

     Физические  свойства изомерных алканов

     Указанные закономерности становятся понятными, если вспомнить, что для перехода жидкого вещества в газообразное необходимо преодолеть межмолекулярные взаимодействия. Форма разветвлённых молекул стремится  к сферической, при этом площадь поверхности уменьшается, и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.

     На  температуру плавления алканов  в кристаллическом состоянии  большое влияние оказывает строение молекул, их способность «упаковываться» в кристаллы. Поэтому температура плавления приведённого ниже 2,2–диметилбутана – 99, 7 ⁰С, а 2,3–диметилбутана – 128,4 ⁰с.

     Все алканы легче воды, их плотность  не превышает 0,8 г∙см^-3.

     Алканы  практически не растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Метан, этан и высшие гомологи не имеют запаха, средние обладают запахом бензина. В молекулах алканов цепочки углеродных атомов имеют зигзагообразную форму. Угол между валентностями составляет 109⁰28¹; центры углеродных атомов расположены друг от друга на расстоянии 0,154 нм, расстояние от центра углеродного атома до центра атома водорода 0,11 нм.

     В процессе разработки месторождений  физическое состояние и свойства углеводородов с изменением температуры и давления не остаются постоянными. Для правильного установления технологического режима эксплуатации месторождений и систем сбора нефти и газа необходимо знать изменение состояний и свойств углеводородов в широком диапазоне давления и температуры.

     2.2.4. Химические свойства  и переработка

 

     В молекулах алканов, как известно, все атомы связаны между собой  прочными σ-связями, а валентности  углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. Они  проявляют при обычных условиях чрезвычайно высокую химическую инертность: не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), окислителями, активными металлами (поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине).

     По  этой причине предельные углеводороды в своё время получили название парафинов^* (от лат. рarum affinis - малое сродство).

     Основные  химические превращения алканов  идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (за счёт нагревания или УФ-облучения). При этом может произойти или разрыв связи С-Н с последующей заменой атома водорода на другой атом или группу атомов (реакции замещения), или же разрыв молекулы по связи С-С (реакции расщепления).