Страница 86 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Назовите важнейшие нефтепродукты, укажите их состав и области их применения.

Нефтепродукты — это смеси углеводородов и других химических соединений, получаемые в результате переработки сырой нефти. Важнейшие из них получают методом фракционной перегонки (ректификации), основанном на различии температур кипения компонентов нефти.

Бензин

Состав: Бензин представляет собой смесь легких жидких углеводородов с числом атомов углерода в молекулах от 5 до 12 ($C_5$ – $C_{12}$). В его состав входят алканы (парафины), циклоалканы (нафтены) и ароматические углеводороды. Температура кипения этой фракции находится в диапазоне от 40 до 200 °C.

Области применения: Основное применение бензина — это топливо для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием (автомобили, мотоциклы, легкая авиация). Также он используется в качестве растворителя для масел, жиров, смол, как сырье в нефтехимической промышленности для производства этилена, пропилена, бензола, которые, в свою очередь, идут на изготовление пластмасс, синтетических каучуков, волокон и других органических продуктов.

Ответ: Бензин — это смесь легких углеводородов ($C_5-C_{12}$), используемая как топливо для двигателей внутреннего сгорания и как сырье в химической промышленности.

Керосин

Состав: Керосин — это фракция, состоящая из углеводородов с числом атомов углерода от 12 до 18 ($C_{12}$ – $C_{18}$). Температура кипения керосиновой фракции лежит в пределах 150–250 °C.

Области применения: Основная область применения — авиационное топливо для турбовинтовых и турбореактивных двигателей (авиакеросин). Осветительный керосин используется в бытовых керосиновых лампах и нагревательных приборах. Также керосин применяется как растворитель, компонент ракетного топлива и сырье для нефтехимического синтеза (например, для получения высших олефинов).

Ответ: Керосин — это смесь углеводородов ($C_{12}-C_{18}$), применяемая в основном как авиационное топливо, а также в бытовых осветительных и нагревательных приборах и как растворитель.

Дизельное топливо (Газойль)

Состав: Дизельное топливо (газойлевая фракция) — это смесь углеводородов с числом атомов углерода от 15 до 22 ($C_{15}$ – $C_{22}$). Выкипает в интервале температур 180–360 °C.

Области применения: Является основным топливом для дизельных двигателей (с воспламенением от сжатия), которые устанавливаются на грузовых автомобилях, автобусах, тепловозах, судах, сельскохозяйственной и военной технике. Легкие сорта дизельного топлива используются как печное и котельное топливо.

Ответ: Дизельное топливо — это газойлевая фракция ($C_{15}-C_{22}$), служащая топливом для дизельных двигателей и котельных установок.

Мазут

Состав: Мазут — это тяжелый, вязкий остаток после отгонки из нефти светлых фракций (бензина, керосина, дизельного топлива). Он состоит из тяжелых углеводородов (с числом атомов углерода свыше 20, $C_{>20}$), а также нефтяных смол, асфальтенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni).

Области применения: Мазут широко используется в качестве котельного топлива для стационарных паровых котлов на электростанциях, в промышленных печах, а также в судовых энергетических установках. Кроме того, мазут является сырьем для дальнейшей переработки с целью получения смазочных масел, битума и кокса.

Ответ: Мазут — это тяжелый остаток перегонки нефти ($C_{>20}$), используемый как котельное топливо и как сырье для получения масел и битума.

Смазочные масла

Состав: Это высококипящие фракции нефти (с числом атомов углерода от 20 до 50, $C_{20}-C_{50}$), получаемые преимущественно из мазута путем вакуумной дистилляции и последующей глубокой очистки для удаления нежелательных компонентов (смол, полициклических ароматических углеводородов, сернистых соединений).

Области применения: Основная функция — уменьшение трения и износа между движущимися частями механизмов. Применяются в двигателях, трансмиссиях, гидравлических системах, промышленных станках и машинах. Также выполняют функции охлаждения, защиты от коррозии и очистки.

Ответ: Смазочные масла — это очищенные тяжелые фракции нефти ($C_{20}-C_{50}$), применяемые для снижения трения и износа в механизмах.

Битум (Гудрон)

Состав: Битум — это твердый или вязкий продукт, который является самым тяжелым остатком переработки нефти (гудрон). Он состоит из сложной смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (соединений серы, кислорода, азота), включая смолы и асфальтены.

Области применения: Основное применение битума — в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий (в составе асфальтобетона). Он также широко используется в строительстве для гидроизоляции фундаментов, плоских кровель и для производства кровельных материалов (рубероид, битумная черепица).

Ответ: Битум — это тяжелый остаток переработки нефти, состоящий из сложных углеводородов, который используется в дорожном и гражданском строительстве как вяжущий и гидроизоляционный материал.

Нефтяные газы

Состав: Это смесь самых легких газообразных углеводородов (с числом атомов углерода от 1 до 4, $C_1-C_4$), в основном метана, этана, пропана и бутана. Эти газы выделяются как при добыче нефти (попутный нефтяной газ), так и при ее переработке на нефтеперерабатывающих заводах.

Области применения: Пропан-бутановая фракция сжижается и используется в качестве сжиженного углеводородного газа (СУГ, или LPG) как бытовое топливо (в баллонах) и моторное топливо для автомобилей. Этан и пропан являются ценнейшим сырьем для нефтехимической промышленности для производства пластмасс (полиэтилен, полипропилен), этанола и других химических продуктов.

Ответ: Нефтяные газы — это легчайшие углеводороды ($C_1-C_4$), используемые как топливо (СУГ) и как сырье для химической промышленности.

2. Какие смазочные масла используют на производстве?

2. На производстве используется широкий спектр смазочных масел, выбор которых зависит от типа оборудования, условий эксплуатации (температуры, давления, скорости), требований к долговечности и специфики технологического процесса. Все промышленные масла можно классифицировать по нескольким признакам.

По типу базового масла:

• Минеральные масла: Наиболее распространенный и экономичный тип. Их получают путем переработки нефти. Они подходят для большинства стандартных применений, где нет экстремальных нагрузок и температур.
• Синтетические масла: Создаются путем химического синтеза. Они обладают превосходными эксплуатационными характеристиками: стабильностью при очень высоких и низких температурах, увеличенным сроком службы, лучшей стойкостью к окислению. Примеры: полиальфаолефины (ПАО), эстеры, полигликоли. Их главный недостаток — высокая стоимость.
• Полусинтетические масла: Представляют собой смесь минеральной и синтетической основ. Это компромиссный вариант, сочетающий улучшенные по сравнению с минеральными маслами свойства и более доступную цену, чем у полностью синтетических.

По назначению и области применения:

• Гидравлические масла: Применяются в гидравлических системах для передачи энергии и смазки узлов (насосов, клапанов, цилиндров). Должны обладать стабильной вязкостью, хорошими противоизносными и антиокислительными свойствами.
• Редукторные (трансмиссионные) масла: Используются для смазки зубчатых передач в редукторах. Они должны выдерживать высокие контактные нагрузки, поэтому часто содержат противозадирные (EP – Extreme Pressure) присадки.
• Компрессорные масла: Предназначены для смазывания поршневых, винтовых и ротационных компрессоров. Ключевые требования — высокая термическая и окислительная стабильность для предотвращения образования нагара и отложений.
• Турбинные масла: Применяются в паровых, газовых и гидравлических турбинах. Отличаются исключительно высокой стойкостью к окислению, отличными деэмульгирующими (способность отделять воду) и антипенными свойствами.
• Масла для направляющих скольжения: Используются в металлообрабатывающих станках для смазывания направляющих. Их главная задача — предотвращать скачкообразное движение (эффект stick-slip) и обеспечивать плавное перемещение узлов.
• Циркуляционные масла: Масла общего назначения для смазывания подшипников, цепей и других механизмов, работающих в циркуляционных системах смазки.
• Трансформаторные масла: Используются в качестве жидкого диэлектрика и теплоносителя в силовых трансформаторах и другом высоковольтном оборудовании.
• Закалочные масла: Применяются в процессах термической обработки металлов (закалки) для обеспечения контролируемой скорости охлаждения деталей.

Практически все современные смазочные масла, помимо базовой основы, содержат пакет присадок — специальных химических соединений, улучшающих их свойства: противоизносные, противозадирные, антиокислительные, антикоррозионные, вязкостно-загущающие, моюще-диспергирующие, антипенные и другие.

Ответ: На производстве используют минеральные, синтетические и полусинтетические смазочные масла, которые классифицируются по назначению: гидравлические, редукторные, компрессорные, турбинные, для направляющих скольжения, циркуляционные и другие специализированные масла. Выбор конкретного типа масла зависит от оборудования и условий его эксплуатации.

3*. Как осуществляют перегонку нефти?

Перегонка нефти, или фракционная дистилляция (ректификация), — это основной промышленный процесс её первичной переработки. Он основан на физическом разделении сырой нефти на отдельные компоненты, называемые фракциями, которые отличаются друг от друга температурами кипения. В основе лежит принцип: чем легче углеводороды (чем меньше атомов углерода в их молекулах), тем ниже их температура кипения.

Процесс осуществляется на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) в несколько основных стадий:

1. Подготовка нефти
Перед перегонкой сырую нефть необходимо очистить от примесей: воды, механических частиц (песка, глины) и растворенных минеральных солей (в основном хлоридов). Этот этап (обезвоживание и обессоливание) крайне важен, так как примеси могут вызывать коррозию оборудования и отложения, снижающие эффективность процесса.

2. Нагрев
Подготовленная нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до температуры около $350-370^\circ\text{C}$. При такой температуре большинство углеводородов, составляющих бензиновые, керосиновые и дизельные фракции, испаряется. Образуется горячая парожидкостная смесь. Нагрев до более высоких температур при атмосферном давлении не применяют, чтобы избежать термического разложения (крекинга) углеводородов.

3. Разделение в ректификационной колонне
Парожидкостная смесь подается в нижнюю часть ректификационной колонны — высокого вертикального аппарата (высотой до 60 метров), внутри которого на разных уровнях установлены контактные устройства (тарелки). Пары, как более легкая фаза, устремляются вверх по колонне, постепенно охлаждаясь. Жидкая фаза стекает вниз. Внутри колонны устанавливается градиент температур: внизу она максимальна, а вверху — минимальна. При подъеме пары охлаждаются, и компоненты с более высокой температурой кипения конденсируются на тарелках, превращаясь в жидкость. Менее летучие компоненты конденсируются на нижних (более горячих) тарелках, а более летучие — на верхних (более холодных). С определенных уровней (тарелок) отводятся целевые фракции.

4. Продукты перегонки
В результате разделения в колонне получают следующие основные фракции (перечислены в порядке отбора сверху вниз):

• Нефтяные газы (температура кипения $t_{\text{кип}} < 40^\circ\text{C}$). Это самые легкие углеводороды (пропан, бутан), которые не конденсируются в колонне и отводятся сверху в газообразном состоянии.

• Бензиновая фракция ($t_{\text{кип}} \approx 40-200^\circ\text{C}$). Отбирается в верхней части колонны и является основой для производства автомобильных бензинов.

• Керосиновая фракция ($t_{\text{кип}} \approx 180-300^\circ\text{C}$). Используется как топливо для реактивных двигателей (авиакеросин), а также в бытовых целях.

• Дизельная фракция (газойль) ($t_{\text{кип}} \approx 270-350^\circ\text{C}$). Является основным компонентом дизельного топлива.

• Мазут (остаток, $t_{\text{кип}} > 350^\circ\text{C}$). Это тяжелый жидкий остаток, который не испарился в печи и собирается в нижней части (кубе) колонны. Мазут используют как котельное топливо или направляют на дальнейшую переработку — вакуумную дистилляцию, чтобы получить из него смазочные масла, парафин и гудрон (сырье для производства битума).

Ответ: Перегонку нефти осуществляют путем ее нагрева до парожидкостного состояния с последующим разделением в ректификационной колонне. Разделение основано на различии температур кипения компонентов нефти: легкие фракции с низкой температурой кипения испаряются и конденсируются в верхней, холодной части колонны, а тяжелые фракции с высокой температурой кипения остаются в жидком виде в нижней, горячей части. Это позволяет отбирать на разных уровнях колонны такие нефтепродукты, как газы, бензин, керосин, дизельное топливо и мазут.

4. Что такое крекинг нефти? Составьте уравнения реакций расщепления углеводородов $C_8H_{18}$ и $C_{12}H_{26}$ при этом процессе.

Что такое крекинг нефти?

Крекинг (от англ. cracking — расщепление) — это процесс высокотемпературной переработки нефти и её фракций, целью которого является получение продуктов с меньшей молекулярной массой. В первую очередь, это способ увеличения выхода ценных светлых нефтепродуктов, таких как бензин и керосин, из тяжелых фракций (мазута, гудрона, газойля). Суть процесса заключается в разрыве углерод-углеродных ($C-C$) и углерод-водородных ($C-H$) связей в крупных молекулах углеводородов под действием высокой температуры и, в некоторых случаях, катализаторов.

Различают два основных вида крекинга:

• Термический крекинг — проводится при высокой температуре (около 470–550°C) и давлении. Этот метод позволяет получать бензин, но с невысоким октановым числом.
• Каталитический крекинг — протекает при более низкой температуре (450–520°C) и давлении, но в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов). Этот процесс позволяет получать бензин с более высоким октановым числом и является основным процессом для производства высококачественного автомобильного топлива.

В результате крекинга длинные молекулы алканов распадаются на более короткие алканы и алкены, которые являются важным сырьем для дальнейшего химического синтеза.

Ответ: Крекинг нефти — это процесс расщепления длинных молекул углеводородов, содержащихся в тяжелых нефтяных фракциях, на более короткие и коммерчески ценные молекулы (например, компоненты бензина) под воздействием высокой температуры и/или катализаторов.

Составьте уравнения реакций расщепления углеводородов C₈H₁₈ и C₁₂H₂₆ при этом процессе.

При крекинге алканов происходит разрыв углеродной цепи. Этот процесс не является однозначным и может протекать по разным путям, приводя к образованию смеси различных продуктов. Как правило, при разрыве одной $C-C$ связи в молекуле алкана образуются алкан и алкен с меньшей молекулярной массой. Ниже приведены наиболее вероятные примеры уравнений реакций.

Уравнения реакций крекинга октана ($C_8H_{18}$):

1. Расщепление молекулы октана примерно пополам:

$C_8H_{18} \xrightarrow{t, p, kat} C_4H_{10} + C_4H_8$

В результате образуются предельный углеводород бутан и непредельный — бутен.

2. Другой возможный путь расщепления:

$C_8H_{18} \xrightarrow{t, p, kat} C_6H_{14} + C_2H_4$

Здесь продуктами являются гексан и этен (этилен).

Уравнения реакций крекинга додекана ($C_{12}H_{26}$):

1. Расщепление молекулы додекана на два равных фрагмента:

$C_{12}H_{26} \xrightarrow{t, p, kat} C_6H_{14} + C_6H_{12}$

Продуктами реакции являются гексан и гексен.

2. Расщепление на более крупные и мелкие фрагменты:

$C_{12}H_{26} \xrightarrow{t, p, kat} C_{10}H_{22} + C_2H_4$

В этом случае образуются декан и этен (этилен).

Ответ:

Примеры уравнений реакций расщепления:

Для октана ($C_8H_{18}$):
$C_8H_{18} \rightarrow C_4H_{10} + C_4H_8$
$C_8H_{18} \rightarrow C_6H_{14} + C_2H_4$

Для додекана ($C_{12}H_{26}$):
$C_{12}H_{26} \rightarrow C_6H_{14} + C_6H_{12}$
$C_{12}H_{26} \rightarrow C_8H_{18} + C_4H_8$

5. Почему при прямой перегонке нефти удается получить не более 20 % бензина?

5. Причина, по которой при прямой перегонке (фракционной дистилляции) нефти удается получить ограниченное количество бензина (обычно не более 15–20 %), заключается в естественном составе самой сырой нефти и в природе самого процесса перегонки.

1. Состав нефти. Сырая нефть — это сложная природная смесь тысяч различных углеводородов, которые отличаются друг от друга размером молекул (длиной углеродной цепи) и, как следствие, физическими свойствами, в первую очередь — температурой кипения. Бензин представляет собой фракцию, состоящую из относительно легких углеводородов, содержащих в молекулах в среднем от 5 до 12 атомов углерода ($C_5$ – $C_{12}$). Доля именно таких углеводородов в большинстве видов сырой нефти от природы невелика и составляет те самые 15–20 %. Основную же массу (80–85 %) составляют более тяжелые углеводороды с длинными цепями, из которых получают керосин, дизельное топливо, мазут и гудрон.

2. Сущность прямой перегонки. Прямая перегонка — это физический процесс разделения. Нефть нагревают, и ее компоненты испаряются, а затем конденсируются при разных температурах в ректификационной колонне. Этот процесс позволяет лишь разделить те вещества, которые уже содержатся в исходной смеси, но он не изменяет их химическую структуру. То есть, с помощью перегонки невозможно превратить тяжелые молекулы мазута в легкие молекулы бензина. Можно лишь выделить тот бензин, который уже был в нефти.

Для того чтобы увеличить выход бензина, применяют методы вторичной, более глубокой переработки нефти. Основным из них является крекинг (термический или каталитический). В процессе крекинга длинные молекулы тяжелых углеводородов под воздействием высокой температуры и катализаторов расщепляются (рвутся) на более короткие и легкие, в том числе и на те, что входят в состав бензиновой фракции. Это позволяет значительно увеличить выход бензина из того же объема нефти, доведя его до 60–70 % и более.

Ответ: Выход бензина при прямой перегонке ограничен его естественным содержанием в сырой нефти, которое обычно не превышает 20 %. Прямая перегонка является физическим процессом разделения и не способна превращать более тяжелые углеводородные фракции в легкие, из которых состоит бензин. Для увеличения выхода бензина необходимы химические процессы, такие как крекинг.

6. Чем отличается термический крекинг от каталитического? Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов.

Крекинг – это процесс расщепления крупных молекул углеводородов, содержащихся в тяжелых нефтяных фракциях, на более мелкие и ценные молекулы. Основная цель крекинга – увеличение выхода светлых нефтепродуктов, в первую очередь автомобильного бензина. Существует два главных промышленных метода крекинга: термический и каталитический, которые существенно различаются по технологии и результатам.

Чем отличается термический крекинг от каталитического?

Ключевые отличия между термическим и каталитическим крекингом заключаются в условиях проведения процесса, механизме химических реакций и, как следствие, в выходе и качестве получаемых продуктов.

• Условия процесса: Термический крекинг проводится в жестких условиях: при высокой температуре (470–550°C) и высоком давлении (2–7 МПа) без участия катализаторов. Каталитический крекинг протекает в более мягких условиях: температура несколько ниже (450–520°C), а давление близко к атмосферному, но процесс идет в присутствии катализатора (чаще всего это алюмосиликаты, например, цеолиты).
• Механизм реакции: В основе термического крекинга лежит свободно-радикальный механизм. Разрыв углерод-углеродных связей происходит случайным образом, что ведет к образованию большого количества непредельных углеводородов (алкенов) и низкомолекулярных газов. Например, расщепление додекана:
  $C_{12}H_{26} \rightarrow C_6H_{14} + C_6H_{12}$
  Каталитический крекинг протекает по ионному (карбокатионному) механизму. На активных центрах катализатора образуются карбокатионы, которые перед расщеплением успевают претерпеть изомеризацию — перестройку в более стабильные разветвленные структуры. Это позволяет получать более ценные продукты.
• Выход продуктов: Термический крекинг характеризуется невысоким выходом бензина (до 35%) и образованием значительного количества крекинг-газа и тяжелого остатка (крекинг-мазута). Каталитический крекинг обеспечивает значительно более высокий выход бензина (40–60% и выше) и ценного сырья для нефтехимии, при этом образуется меньше газа и кокса.

Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов

Качество бензина напрямую зависит от метода крекинга, которым он был получен.

Бензин термического крекинга:

• Октановое число: Невысокое, обычно в пределах 65–70. Это связано с преобладанием в его составе алканов линейного строения, которые склонны к детонации.
• Химический состав: Содержит большое количество (до 50%) непредельных углеводородов (алкенов), которые отрицательно влияют на его свойства.
• Стабильность: Низкая химическая стабильность. Из-за высокого содержания алкенов бензин склонен к окислению и полимеризации при хранении, что приводит к образованию смолистых отложений.

Бензин каталитического крекинга:

• Октановое число: Высокое, как правило, 80–92 и выше. Такая высокая детонационная стойкость обусловлена преобладанием в составе изоалканов (углеводородов с разветвленной цепью) и ароматических углеводородов.
• Химический состав: Богат изопарафинами и ароматическими соединениями. Содержание непредельных углеводородов значительно ниже, чем в бензине термического крекинга.
• Стабильность: Высокая химическая стабильность, что позволяет хранить его длительное время без потери эксплуатационных качеств. Он является основным высокооктановым компонентом при производстве товарных автомобильных бензинов (АИ-92, АИ-95).

Ответ:
Термический крекинг отличается от каталитического более жесткими условиями (высокие температура и давление), отсутствием катализатора и свободно-радикальным механизмом реакции, что ведет к получению низкооктанового и нестабильного бензина с высоким содержанием алкенов. Каталитический крекинг протекает в более мягких условиях с использованием катализатора по ионному механизму, который способствует реакциям изомеризации; в результате получается высокооктановый, стабильный бензин, богатый изоалканами и ароматическими углеводородами. Бензин каталитического крекинга является основным компонентом для производства современных автомобильных топлив, в то время как бензин термического крекинга используется в основном как компонент для смешения после дополнительной обработки.

7. Как практически можно отличить крекинг-бензин от бензина прямой перегонки?

Основное химическое различие между крекинг-бензином и бензином прямой перегонки заключается в их составе. Бензин прямой перегонки состоит преимущественно из предельных углеводородов (алканов и циклоалканов). Крекинг-бензин, получаемый при расщеплении более тяжелых нефтяных фракций, содержит значительное количество непредельных углеводородов (алкенов) и ароматических углеводородов. Наличие алкенов с их реакционноспособными двойными связями $C=C$ позволяет легко отличить эти два вида бензина с помощью качественных реакций.

Для этого можно провести один из следующих экспериментов:

Взаимодействие с бромной водой

В две пробирки наливают образцы бензина и добавляют по несколько капель бромной воды ($Br_2(aq)$), имеющей характерную желто-бурую окраску, после чего содержимое встряхивают.

• В пробирке с крекинг-бензином произойдет быстрое обесцвечивание бромной воды. Это связано с тем, что непредельные углеводороды вступают в реакцию присоединения с бромом, разрывая двойную связь. Например, для гексена: $CH_2=CH-(CH_2)_3-CH_3 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CHBr-(CH_2)_3-CH_3$.
• В пробирке с бензином прямой перегонки цвет бромной воды не изменится, так как предельные углеводороды не реагируют с бромом в обычных условиях.

Взаимодействие с раствором перманганата калия (проба Вагнера)

В две пробирки с образцами бензина добавляют по несколько капель слабого водного раствора перманганата калия ($KMnO_4(aq)$), имеющего фиолетовую окраску, и встряхивают.

• В пробирке с крекинг-бензином фиолетовая окраска быстро исчезнет и образуется бурый осадок диоксида марганца ($MnO_2$). Это результат реакции окисления алкенов перманганатом калия. Упрощенное уравнение реакции: $3R-CH=CH-R' + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3R-CH(OH)-CH(OH)-R' + 2MnO_2 \downarrow + 2KOH$.
• В пробирке с бензином прямой перегонки фиолетовая окраска раствора сохранится, так как алканы устойчивы к действию слабых окислителей.

Ответ: Практически отличить крекинг-бензин от бензина прямой перегонки можно с помощью качественных реакций на непредельные углеводороды (алкены), которые присутствуют в крекинг-бензине и отсутствуют в бензине прямой перегонки. Для этого можно использовать: бромную воду, которая обесцветится при контакте с крекинг-бензином, или раствор перманганата калия, который также обесцветится с образованием бурого осадка $MnO_2$ при взаимодействии с крекинг-бензином. Бензин прямой перегонки не будет реагировать с этими реагентами в данных условиях.

8. Как называют процесс ароматизации нефти? Вспомните основные способы получения ароматических углеводородов и составьте уравнения реакций, происходящих при ароматизации нефти.

Процесс превращения алканов и циклоалканов, содержащихся в нефтяных фракциях, в ароматические углеводороды (арены) называют каталитическим риформингом или просто ароматизацией. Это один из важнейших процессов нефтепереработки, основной целью которого является повышение октанового числа бензинов и получение индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов), являющихся ценным сырьем для химической промышленности.

Основные способы получения ароматических углеводородов

Существует несколько промышленных и лабораторных способов получения аренов:

• Каталитический риформинг (ароматизация) нефтяных фракций. Это основной промышленный метод. В качестве сырья используют бензиновые и лигроиновые фракции нефти. Процесс ведут при высокой температуре ($480–540$ °C), давлении ($1–4$ МПа) в присутствии катализаторов (обычно платина или платино-рениевые катализаторы на оксиде алюминия).

• Коксование каменного угля. При нагревании каменного угля без доступа воздуха до $900–1050$ °C образуется коксовый газ, каменноугольная смола и кокс. Из каменноугольной смолы путем ректификации выделяют бензол, толуол, ксилолы, нафталин и другие ароматические соединения.

• Дегидрирование циклоалканов (реакция Зелинского). Шестичленные циклоалканы (нафтены) при пропускании над катализатором (платина, палладий, никель, оксид хрома) при температуре около $300$ °C отщепляют водород и превращаются в арены. Этот процесс является одной из ключевых реакций риформинга.

• Дегидроциклизация алканов. Алканы, содержащие в цепи не менее 6 атомов углерода, при нагревании ($~500$ °C) в присутствии платинового катализатора претерпевают одновременно циклизацию и дегидрирование, образуя ароматические углеводороды. Это также одна из главных реакций риформинга.

• Тримеризация ацетилена и его гомологов (реакция Зелинского-Казанского). При пропускании ацетилена над активированным углем при $600$ °C происходит его тримеризация с образованием бензола. Этот метод имеет в основном историческое и лабораторное значение.

Уравнения реакций, происходящих при ароматизации нефти (каталитическом риформинге)

В ходе каталитического риформинга протекают в основном два типа реакций, ведущих к образованию аренов:

1. Дегидрирование нафтенов (циклоалканов с шестичленным кольцом):

- Превращение циклогексана в бензол:
$C_6H_{12} \text{ (циклогексан)} \xrightarrow{t, p, Pt} C_6H_6 \text{ (бензол)} + 3H_2$

- Превращение метилциклогексана в толуол:
$C_7H_{14} \text{ (метилциклогексан)} \xrightarrow{t, p, Pt} C_7H_8 \text{ (толуол)} + 3H_2$

2. Дегидроциклизация парафинов (алканов):

- Превращение н-гексана в бензол:
$C_6H_{14} \text{ (н-гексан)} \xrightarrow{t, p, Pt/Cr_2O_3} C_6H_6 \text{ (бензол)} + 4H_2$

- Превращение н-гептана в толуол:
$C_7H_{16} \text{ (н-гептан)} \xrightarrow{t, p, Pt/Cr_2O_3} C_7H_8 \text{ (толуол)} + 4H_2$

Ответ: Процесс ароматизации нефти называют каталитическим риформингом. Основные способы получения ароматических углеводородов включают каталитический риформинг, коксование каменного угля, дегидрирование циклоалканов и дегидроциклизацию алканов. Ключевые реакции при ароматизации нефти — это дегидрирование нафтенов (например, $C_6H_{12} \rightarrow C_6H_6 + 3H_2$) и дегидроциклизация алканов (например, $C_6H_{14} \rightarrow C_6H_6 + 4H_2$).

9. Вычислите, какой объём (в л) и какая масса (в кг) оксида углерода(IV) получится при сгорании 5 моль октана (н. у.).

Дано:

Количество вещества октана $n(\text{C}_8\text{H}_{18}) = 5 \text{ моль}$

Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

Объём оксида углерода(IV) $V(\text{CO}_2)$ (в л) - ?

Массу оксида углерода(IV) $m(\text{CO}_2)$ (в кг) - ?

Решение:

1. Первым шагом составим уравнение реакции полного сгорания октана ($\text{C}_8\text{H}_{18}$). При горении углеводородов в избытке кислорода образуются оксид углерода(IV) ($\text{CO}_2$) и вода ($\text{H}_2\text{O}$).

Схема реакции: $\text{C}_8\text{H}_{18} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

Чтобы найти стехиометрические коэффициенты, уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения:

$2\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\text{O}_2 \rightarrow 16\text{CO}_2 + 18\text{H}_2\text{O}$

2. Из сбалансированного уравнения реакции следует, что при сгорании 2 моль октана образуется 16 моль оксида углерода(IV). Таким образом, мольное соотношение между октаном и оксидом углерода(IV) составляет 2:16, или 1:8.

Зная это соотношение, найдем количество вещества ($n$) $\text{CO}_2$, которое образуется при сгорании 5 моль октана:

$\frac{n(\text{C}_8\text{H}_{18})}{2} = \frac{n(\text{CO}_2)}{16}$

$n(\text{CO}_2) = 8 \times n(\text{C}_8\text{H}_{18}) = 8 \times 5 \text{ моль} = 40 \text{ моль}$

3. Далее рассчитаем объём ($V$) образовавшегося оксида углерода(IV). В задаче указаны нормальные условия (н. у.), при которых молярный объём любого газа ($V_m$) принимается равным 22,4 л/моль.

Объём газа рассчитывается по формуле: $V = n \times V_m$

$V(\text{CO}_2) = 40 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 896 \text{ л}$

4. Наконец, рассчитаем массу ($m$) образовавшегося оксида углерода(IV). Для этого сначала определим его молярную массу ($M$).

Используя относительные атомные массы элементов из Периодической системы Д. И. Менделеева ($Ar(\text{C}) \approx 12$, $Ar(\text{O}) \approx 16$), находим молярную массу $\text{CO}_2$:

$M(\text{CO}_2) = M(\text{C}) + 2 \times M(\text{O}) = 12 + 2 \times 16 = 44 \text{ г/моль}$

Масса вещества рассчитывается по формуле: $m = n \times M$

$m(\text{CO}_2) = 40 \text{ моль} \times 44 \text{ г/моль} = 1760 \text{ г}$

По условию задачи массу необходимо выразить в килограммах. Учитывая, что $1 \text{ кг} = 1000 \text{ г}$, переводим граммы в килограммы:

$m(\text{CO}_2) = \frac{1760 \text{ г}}{1000 \text{ г/кг}} = 1,76 \text{ кг}$

Ответ: при сгорании 5 моль октана образуется 896 л оксида углерода(IV) объёмом и 1,76 кг массой.