Семейство углерода
Нефть представляет собой смесь углеводородов — соединений, состоящих только из углерода и водорода, — от самых мелких молекул газовой фракции до битумных смол. В этом разделе они структурированы по семействам, прослеживается путь нефти от скважины до фракции, после чего последовательно рассматривается каждое семейство: инертные алканы, алкены с двойной связью и (C) спирты, кислоты, эфиры и полимеры, которые следуют за ними.
Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Раздел 4 (утверждения 4.1–4.50C) завершает курс. Утверждения с суффиксом C относятся только к химии.
Введение и нефть
Углеводород содержит только водород и углерод. Молекулы изображаются с помощью эмпирической, молекулярной, общей, структурной и развернутой формул. Гомологический ряд характеризуется общей формулой и функциональной группой, члены ряда отличаются на CH₂; изомерия — изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различаются по структуре. Номенклатура IUPAC охватывает цепочку из шести атомов углерода.
Нефть разделяют методом фракционной перегонки: печь испаряет нефть, пары поднимаются вверх по колонне, охлаждаясь по мере подъёма — мелкие молекулы с низкими температурами кипения скапливаются сверху, крупные вязкие вещества — внизу.
Фракции темнеют и густеют вниз по колонне (повышение температуры кипения и вязкости). Полное горение даёт CO₂ + H₂O; неполное горение также образует угарный газ — ядовитый, поскольку он снижает способность крови переносить кислород — и сажу. В двигателях горячий воздух заставляет азот и кислород реагировать с образованием оксидов азота; примеси серы сгорают, образуя SO₂; оба газа растворяются в осадках, делая их кислыми (кислотные дожди повреждают листья, озёра и здания). Крекинг превращает длинноцепочечные алканы в алкены и короткоцепочечные алканы на диоксиде кремния/алюминии при 600–700 °C — потому что предложение длинных фракций на нефтеперерабатывающем заводе превышает спрос, тогда как короткие фракции требуются в большем объёме.
Алканы и алкены
Алканы ($C_nH_{2n+2}$) являются насыщенными — содержат только одинарные связи C–C. Метан, этан, пропан, бутан, пентан. С галогенами под действием ультрафиолетового света происходит замещение одного атома водорода: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (замещение).
Алкены ($C_nH_{2n}$) содержат C=C — ненасыщенные. С бромом они присоединяются по двойной связи, образуя дибромалкан (присоединение): C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂. Бромная вода позволяет их различить: обесцвечивается (оранжевый → бесцветный) алкеном, остаётся неизменной при взаимодействии с алканом.
Спирты, кислоты и эфиры (C)
Спирты содержат –OH: метанол, этанол, пропан-1-ол, бутан-1-ол. Этанол окисляется до уксусной кислоты путём полного сгорания, микробного окисления на воздухе или нагревания с дихроматом калия(VI) в разбавленной серной кислоте. Этанол получают реакцией этена + пара над фосфорнокислотным катализатором (≈300 °C, 60–70 атм) или ферментацией глюкозы с участием ферментов дрожжей в отсутствие воздуха при ≈30 °C — оптимальной температуре для ферментов, при отсутствии кислорода дрожжи производят этанол, а не воду.
Карбоновые кислоты содержат –COOH: метановая, уксусная (этановая), пропановая, бутановая. Их растворы реагируют с металлами (выделяя H₂) и карбонатами (выделяя CO₂), как и другие кислоты; уксус — это разбавленный раствор уксусной (этановой) кислоты.
Эфиры содержат –COO–: этанол + уксусная (этановая) кислота в присутствии кислотного катализатора дают уксусно-этиловый эфир (этилэтанат) и воду (эфирный синтез). Зная спирт и кислоту, соедините –COOH кислоты с –O– спирта. Эфиры летучи, имеют сладкий запах, применяются как ароматизаторы и отдушки.
Синтетические полимеры
Присоединительные полимеры образуются при соединении множества алкеновых мономеров с раскрытием их двойных связей C=C.
Нарисуйте повторяющееся звено полиэтилена, полипропилена, полихлорэтена, тефлона; по повторяющемуся звену закройте две связи обратно в C=C, чтобы восстановить мономер. Проблемы утилизации: полимеры инертны и не биоразлагаются, а при горении могут выделяться токсичные газы. (C) Конденсационная полимеризация: дикарбоновая кислота + диол образуют сложноэфирные связи с выделением воды — полиэстер; некоторые (биопolíэстеры) биоразлагаются.
Проверьте себя
- Дайте определения углеводороду, гомологическому ряду и изомерии.
- Назовите шесть основных фракций нефти в порядке повышения температуры кипения.
- Запишите продукты полного и неполного горения углеводорода.
- Приведите два загрязняющих газа, образующихся при сжигании топлива, и источник каждого из них.
- Почему необходима крекинг?
- Напишите уравнение реакции метана с хлором под действием УФ-света, указав тип реакции.
- Как бромная вода различает алкен и алкан?
- (C) Назовите два способа получения этанола, указав одно условие для каждого.
- (C) Какой спирт и какая кислота образуют уксусно-этиловый эфир, и что еще образуется?
- (C) Какие мономеры образуют полиэстер, и какая малая молекула выделяется?
Ответы: 1 соединение, состоящее только из водорода и углерода; семейство с общей формулой и функциональной группой, отличающееся на CH₂; молекулы с одинаковой молекулярной формулой, но разной структурой; 2 нефтегазовые газы, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, битум; 3 полное: углекислый газ + вода; неполное добавляет угарный газ (и сажу); 4 угарный газ — неполное горение; оксид серы — сгорание примесей серы; оксиды азота — горячий воздух в двигателе; 5 предложение длинноцепочечных фракций превышает спрос, тогда как короткие фракции и алкены в дефиците; 6 CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl — замещение (фотохимическое, УФ); 7 алкен обесцвечивает оранжевую бромную воду; алкан оставляет её оранжевой; 8 (C) этилен + водяной пар, катализатор фосфорная кислота, ~300 °C, 60–70 атм; брожение глюкозы с дрожжами, без доступа воздуха, ~30 °C; 9 (C) этанол + уксусная (этановая) кислота — также образуется вода (кислотный катализатор); 10 (C) дикарбоновая кислота и диол; вода выделяется на каждой сложноэфирной связи.