Углеводороды

Углеводороды (hydrocarbon) – это органические соединения, полностью состоящие из углерода и водорода.
Углеводороды служат фундаментальной основой органической химии: молекулы любых других органических соединений рассматривают как их производные.

Соотношение между углеродом и водородом в углеводородах колеблется в широких пределах (10-90 %).
Соединения углеводородов отличаются друг от друга:

• количеством атомов углерода и водорода,
• строением углеродного скелета,
• типом связей между атомами.

Большинство углеводородов в природе встречаются в сырой нефти.
Углеводороды встречаются в различных молекулярных структурах и фазах:

• газы: метан, пропан и др.;
• жидкости: гексан, бензол;
• легкоплавкие твердые вещества: парафин, нафталин;
• полимеры: полиэтилен и полистирол.

Основными источниками углеводородов являются природный газ, сланцевый газ (низкопроницаемых коллекторов), попутный нефтяной газ (ПНГ), горючие сланцы, уголь, торф.


Классификация углеводородов



Алканы (парафины) – углеводороды общей формулы C_nH_2n+2, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой σ-связью, а остальные их валентности предельно насыщены атомами водорода.
Отсюда другое название алканов – предельные углеводороды.
Первым представителем данного гомологического ряда является метан СН₄.

Алкены (олефины) относятся к непредельным углеводородам общей формулы C_nH_2n.
В молекуле алкена кроме σ-связей содержится одна π-связь.
Первый представитель гомологического ряда – этилен С₂Н₄, поэтому алкены называют также «этиленовыми углеводородами».

Диеновые углеводороды содержат в молекуле 2 двойные связи.
Общая формула С_nН_2n-2.
Первым представителем ряда является бутадиен СН₂=СН–СН=СН₂.

Алкинами называются углеводороды общей формулы C_nH_2n-2, молекулы которых содержат тройную связь.
Первый представитель гомологического ряда – ацетилен С₂Н₂, поэтому алкины называют также «ацетиленовыми углеводородами».

Молекулы циклоалканов содержат циклы разной величины, атомы углерода в которых связаны между собой только σ-связью.
Общая формула С_nH_2n.

Циклоалкены содержат одну двойную связь и имеют общую формулу С_nН_2n-2.
Углеводороды, имеющие кратные связи, легко вступают в реакции присоединения по месту разрыва π-связей.

Ароматические углеводороды (арены) – углеводороды общей формулы C_nH_2n-6.
Первые представители ароматических углеводородов были выделены из природных источников и обладали своеобразным запахом, поэтому и получили название «ароматические».
Важнейшим представителем ароматических углеводородов является бензол С₆Н₆.
В молекуле бензола 6 атомов углерода, соединяясь σ-связями, образуют правильный шестиугольник.
В результате сопряжения 6 свободных р-электронов образуется единое π-электронное облако над и под плоскостью кольца.


Природные источники углеводородов

Каменный уголь – плотная осадочная порода черного, иногда сepo-черного цвета, дающая на фарфоровой пластинке черную черту.
Каменный уголь представляет собой продукт глубокого разложения остатков растений, погибших миллионы лет назад (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
В органическом веществе угля содержится 75-92 % углерода, 2,5-5,7 % водорода, 1,5-15 % кислорода.
Международное название элемента углерода происходит от лат. carbō («уголь»).

Природный газ – полезное ископаемое, основным компонентом которого является метан СН₄ (75-98 %).
В природном газе содержатся также его ближайшие гомологи: этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и следовые количества более тяжелых легкокипящих углеводородов.
Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его количество в природном газе.
Содержание сероводорода и его органических производных (тиолов) в природном газе в сумме может достигать 5-25 %.

Попутные нефтяные газы (ПНГ) - газы, которые находятся в природе над нефтью или растворены в ней под давлением.
Их состав может быть выражен примерным соотношением компонентов: метан – 31 %, этан – 7,5 %, пропан – 21,5 %,
бутан – 20 %, пентан и гексан (легкокипящие жидкости) – 20 %.
С каждой тонной добытой нефти выделяется около 50 м³ газов, которые вплоть до середины 20 века сжигали в факелах, причиняя двойной ущерб – теряли ценное сырье и загрязняли атмосферу.
Первым предприятием в России, на котором стали использовать ПНГ, стала Сургутская ГРЭС.
6 основных энергоблоков, работающих на ПНГ, были введены в строй в 1985-1988 гг.
В настоящее время ПНГ улавливают и используют как топливо (в том числе и автомобильное) и ценное химическое сырье.

Нефть – смесь углеводородов от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом.
Нефть намного легче воды и в ней не растворяется.
В зависимости от происхождения нефть может содержать большое количество алифатических, циклических или ароматических углеводородов.
Так, например, бакинская нефть богата циклоалканами и содержит сравнительно небольшое количество алифатических предельных углеводородов.
Значительно больше алканов в грозненской, ферганской, а также нефти штата Пенсильвания (США).
Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.
В небольших количествах в состав нефти могут входить также кислородсодержащие соединения, как, например, альдегиды, кетоны, эфиры и карбоновые кислоты.

Теория неорганического происхождения нефти

Ряд ученых 19 века предполагали, что образование нефти и асфальта связано с вулканами.
А химикам тогда удалось в лабораторных условиях синтезировать ацетилен С₂Н₂, углеводороды метанового ряда.
Д. Менделеев анонсировал карбидную теорию происхождения нефти на заседании Русского химического общества в 1877 г.:

• открытые месторождения нефти:
• сконцентрированы на окраинах горно-складчатых сооружений,
• линейно вытянуты,
• тяготеют к зонам крупных разломов;
• через разломы вода проникает вглубь Земли;
• происходит реакция воды с углеродистыми металлами - с карбидами металлов;
• на выходе возникает нефть, которая поднимается вверх, формируя залежи;
  
• процесс происходит постоянно, и в наши дни.

2FeC+3H₂O=Fe₂O₃+C₂H₆

Тезисы академика И. Губкина - противника карбидной теории:

• существование проводящих путей воды к жидким карбидам и обратно, из очагов генерации к местам скопления нефти и газа - невозможно, поскольку есть препятствие - пластичный базальтовый пояс, перекрывающий проникновение воды вниз и обратный восходящий поток нефти и газа;
• разная оптическая активность:
• образованная неорганическим путем нефть оптически неактивна,
• природная нефть способна вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через нее оптического излучения;
• можно допускать лишь небольшое образование нефти неорганическим путем, но это не имеет промышленного значения.
  

Сторонники теории неорганической нефти в 20 веке Н. Кудрявцев, П. Кропоткин и др.:

• из углерода и водорода, имеющихся в магме - расплавленной массе под твердой земной корой, образуются радикалы СН, СН₂, СН₃;
• эти углеводородные радикалы выделяются из магмы, как и кислород, и являются исходным материалом для образования нефти в более холодных геосфер Земли;
• нефть и газы из мантии Земли - расположенная непосредственно под земной корой, по глубинным разломам поднимаются вверх в осадочную оболочку планеты.