Насыщенные углеводороды

Углеводороды (углеводороды)

Углеводороды, класс органических соединений, состоящих из атомов углерода и водорода. Углеводороды образуют гомологические ряды, характеризующиеся закономерным изменением физических и химических свойств.

Классификация

По типу химической связи между атомами углерода различают насыщенные углеводороды состава CnH2n+2, в которых C-атомы соединены простой связью, и углеводороды, содержащие одну или несколько кратных связей (ненасыщенные углеводороды).

• Ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью состава CnH2n называют олефинами или алкенами.
• Углеводороды с двумя двойными связями состава CnH2n−2 называют диолефиновыми углеводородами или диенами.
• Углеводороды с одной тройной связью состава CnH2n−2 называют ацетиленовыми углеводородами или алкинами.

Типы строения

Углеводороды подразделяются на:

• Алифатические (ациклические) – линейные или разветвленные открытые цепи атомов углерода.
• Циклические – молекулы, представляющие собой циклы из трех и более атомов углерода.

Циклические углеводороды включают алициклические (циклоалканы, циклоалкены) и ароматические углеводороды, содержащие особую циклическую группировку из шести атомов углерода.

Номенклатура

В гомологическом ряду алканов первые четыре соединения имеют исторически сложившиеся названия (метан, этан, пропан и бутан); начиная с пятого углеводорода в основе названия лежит греческое числительное, равное числу атомов углерода в молекуле.

В соответствии с номенклатурой ИЮПАК названия насыщенных углеводородов имеют суффикс -ан, например, пентан. Названия алкенов образуются от алканов изменением суффикса -ан на -ен, например, от пентана – пентен.

Изомерия углеводородов

Углеводороды с числом C-атомов больше трех имеют изомерные соединения, обусловленные структурной изомерией углеродного скелета. По мере увеличения числа атомов углерода в молекуле число изомеров возрастает очень быстро.

Структура и изомерия углеводородов

Название изомеров образовывают, выделяя наиболее длинную цепь C-атомов и нумеруя эти атомы от того, к которому ближе разветвление. Если заместителей несколько и они равноудалены от концов главной цепи, нумерацию начинают от того края, где находится простейший заместитель. В названии углеводородов цифрой указывают, при каком атоме углерода находится заместитель, и называют его, начиная с простейшего. Если заместители одинаковые, то номер повторяют, а перед названием заместителя ставят приставку от греческого числительного (ди – 2, три – 3, тетра – 4 и т. д.), например 2,2-диметилбутан.

Изомерия нафтеновых углеводородов обусловлена как изменением размера углеродного скелета (например, циклогексан и метилциклопентан, или 2-метил-3-этилциклопентан и 2,3-диметилциклогексан), так и положением двух и более заместителей в кольце (2,2-, 2,3- и 2,4-диметилциклогексан и т. д.).

Изомерия в алкенов и алкинов

Для алкенов и алкинов у соединений с числом C-атомов четыре и более существует изомерия по положению кратной связи в молекуле, которое обозначают наименьшей цифрой, соответствующей атому углерода при кратной связи, например: CH2=CH−CH2−CH3 (бутен-1) и CH3−CH=CH−CH3 (бутен-2).

Для дизамещённых алкенов характерна стереоизомерия, связанная с различным положением заместителей на плоскости у двойной связи и обусловленная невозможностью их свободного вращения вокруг неё.

Изомерия в ароматических углеводородах

Для ароматических углеводородов характерна изомерия положения заместителей в молекуле бензола, где заместители у соседних атомов углерода имеют название орто-, через один C-атом – мета-, напротив – пара-.

Строение углеводородов

Алканы и нафтены

Строение алканов или нафтенов обусловлено тем, что атомы углерода в них находятся в состоянии sp3-гибридизации, т. е. в образовании связи между атомами углерода участвуют одна s-орбиталь и три p-орбитали.

В молекуле метана все четыре связи C−H являются одинарными, они образуются путём перекрывания sp3-орбиталей углерода и s-орбитали каждого водорода и называются δ-связями (сигма-связь).

Алкены

В алкенах атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp2-гибридизации, где при смешении одной s-орбитали и двух p-орбиталей образуются три одинаковые гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под валентным углом 120°.

Ароматические углеводороды

Для ароматических углеводородов характерна изомерия положения заместителей в молекуле бензола.

Физические свойства

Углеводороды (алканы) с числом C-атомов от 1 до 4 – газы без цвета и запаха, от 5 до 16 включительно – жидкости с запахом бензина, выше – твёрдые вещества белого цвета, жирные на ощупь. Температуры кипения и плавления, а также плотность увеличиваются с ростом числа C-атомов. Разветвлённые парафины, а также нафтены и ароматические углеводороды с алкильными группами имеют температуры кипения и плавления ниже, чем соединения нормального строения. Температуры кипения циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов.

Таблица 1. Сравнение физических свойств углеводородов

Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях. Жидкие и твёрдые алканы смешиваются друг с другом. Газообразные и жидкие алканы образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Все углеводороды, особенно парафины, являются хорошими изоляторами (диэлектрическая проницаемость равна 2–3).

Химические свойства

Алканы устойчивы к действию обычных окислителей (перманганат калия, бромная вода и т. п.). Алканы горят с образованием диоксида углерода и воды; высокая теплота процесса обеспечивает их использование в качестве топлива. При каталитической обработке кислородом в мягких условиях протекает реакция окисления, которая является многостадийным процессом.

Таблица 2. Примеры химических реакций алканов

При нагревании углеводородов до температуры 470–550 °C происходит их термическое разложение (крекинг), которое заключается в расщеплении связей C−C и образовании насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более короткими цепями. Пропускание алканов над катализаторами (Ni, Pt, Al2O3, Cr2O3) и нагревание до 400–600 °C приводят к отщеплению атомов водорода и образованию ненасыщенных углеводородов (реакция дегидрирования). При контакте алканов с числом C-атомов шесть и более с катализаторами Cr2O3 (500 °C) или Pt (300 °C) протекает реакция дегидроциклизации (ароматизации) с образованием производных бензола. Под действием катализаторов (например, хлорид алюминия AlCl3) н-парафины и нафтены подвергаются реакции изомеризации. Так, н-бутан превращается в изобутан, а циклогексан – в метилциклопентан

Список литературы

1. Smith, J. K., & Jones, L. M. (2010). Introduction to Organic Chemistry. Wiley.
2. Brown, P. J., & Lee, S. L. (2008). Organic Chemistry Study Guide. Prentice Hall.

Для ненасыщенных углеводородов (олефины, диены, ацетилены) характерны реакции присоединения по кратным связям галогенов, кислот, озона и др. Они легко подвергаются термической и каталитической олиго- и полимеризации. Олефины могут присоединяться к разветвлённым парафинам и к ароматическим углеводородам под действием AlCl3 или сильных кислот – H2SO4, HF (реакция алкилирования).

Для ароматических углеводородов типичны реакции замещения атомов водорода при нитровании или сульфировании; галогенирование в зависимости от условий может приводить к реакциям как замещения, так и присоединения. Ароматические углеводороды каталитически (Pt, Pd, Ni) гидрируются в нафтены при повышенных температуре и давлении; взаимодействуют с галогенпроизводными в присутствии кислотных катализаторов, например AlCl3, BF3 и др. (реакция Фриделя – Крафтса). Так, бензол с метилхлоридом образует толуол C6H5CH3, а с ацетилхлоридом – ацетофенон C6H5COCH3.

## Нахождение в природе

Главным природным ресурсом углеводородов является нефть, содержащая практически все основные классы этих соединений. Состав, строение и свойства углеводородов нефти определяются условиями залегания месторождений (температура, давление, возраст и природа окружающих пород). Источником низших алканов, в основном метана, является природный газ и попутные газы нефтедобычи. Большие запасы метана сосредоточены в виде газогидратов, представляющих собой кристаллические комплексные соединения нестехиометрического состава из метана и воды. Такие комплексы (клатраты) образуются при определённых давлении и температуре (как правило, около 0 °C) вблизи дна океанов и морей. По различным оценкам, запасы углеводородов в гидратах составляют 1,8·1014–7,6·1018 м3.

## Методы получения

К методам получения алканов, не сопровождающегося изменением числа C-атомов в молекуле, относятся гидрирование непредельных углеводородов под влиянием металлов платиновой группы, восстановление галогенпроизводных, спиртов и карбонильных соединений (реакции Кижнера – Вольфа и Клемменсена).

Методы синтеза с увеличением числа C-атомов включают взаимодействие алкилгалогенидов с натрием Na (реакция Вюрца) и каталитический (Fe, Co, Ru) синтез из CO и H2 (синтез Фишера – Тропша). К получению алканов с меньшим числом C-атомов приводят методы крекинга углеводородов.

Циклоалканы получают реакцией дигалогензамещённых алканов, например CH2Br−CH2−CH2−CH2Br с Na или цинковой пылью. Другой метод заключается в гидрировании бензола и его производных.

К методам получения алкенов относятся:

Получение диена с кумулированными двойными связями, аллена (CH2=C=CH2), проводят в 2 стадии из 1,2,3-трибромпропана (CH2Br−CHBr−CH2Br) нагреванием с KOH с образованием CH2=CBr−CH2Br и дебромированием под действием цинковой пыли. Простейший сопряжённый диен, бутадиен (CH2=CH−CH=CH2), получают конденсацией альдегида и спирта под действием глинозёма (реакция Остромысленского), каталитическим процессом дегидратации и дегидрирования этанола при 400–500 °C (реакция Лебедева), дегидрированием фракции C4 природного или попутного газов при 500–650 °C над алюмо-хромовым катализатором или пиролизом ацетилена, этилена либо их смеси. Синтез изопрена (CH2=C(CH3)−CH=CH2) основан на дегидрировании изопентана при нагревании над Cr2O3 или на дегидрогалогенировании 1,3-дибром-2-метилбутана (CH2Br−C(CH3)−CHBr−CH3) под действием NaOH.

К методам получения ароматических углеводородов относятся:

Применение

Газообразные и жидкие алканы используют в качестве топлива, в том числе для двигателей; высшие парафины и нафтены – для производства смазочных материалов; олефиновые, диеновые и ацетиленовые углеводороды – при получении полимерной продукции; ароматические углеводороды – в производстве лекарственных препаратов, красителей, взрывчатых веществ. Кроме этого, углеводороды всех классов используют как сырьё в химической промышленности и в качестве растворителей.

Опубликовано 12 июня 2023 г. в 00:01 (GMT+3). Последнее обновление 12 июня 2023 г. в 00:01 (GMT+3).

Не́фть — это смесь углеводородов, представляющая собой жидкость, преимущественно тёмного цвета, маслянистая, горючая, имеющая запах, обладающая токсичными свойствами. Нефть полезное ископаемое по плотности похожа на маслянистую жидкость. При воспламенении выделяет тепло в больших количествах. Добывают нефть из недр Земли на глубине от полукилометра до шести километров. Нефть сложная углеводородная структура, в основном состоит из углерода до 87 % полного состава, в остальном это газы и неуглеводородная составляющая химических веществ водород, азот, сера, парафины, кислорода, хлорорганические соединения. При выходе на поверхность земли превращается в мальту и природные битумы, асфальт и другие.

Химический состав нефти — это все компоненты природного газа и природного ископаемого озокерита, которые все вместе объединяются названием ископаемых петролитами. Петролит в свою очередь входит в группу каустобиолитам — горючим минералам биогенного происхождения, куда включаются различные ископаемые топлива (торф, антрацит, горючие сланцы, бурый и каменный уголь).

Нефть на поверхности земли

Разрез земной коры и название нефтяных пластов

Температура начала кипения нефти выше 28 °C, температура застывания варьирует от +26 до −60 °C и зависит от содержания парафинов (чем их больше, тем температура застывания выше), температура вспышки колеблется от −35 до +120 °C в зависимости от фракционного состава и давления насыщенных паров.

Вязкость изменяется в широких пределах от менее 0,1 до 10 мПа·с и зависит от химического и фракционного состава, смолистости, а также термобарических условий и количества растворённого в ней газа. В воде при обычных условиях практически нерастворима (может образовывать с ней стойкие эмульсии), но при 200 °C и выше растворимость в воде резко возрастает.

Нефть оптически активна — обладает способностью вращать плоскость поляризации света, люминесцировать, преломлять проходящие световые лучи. В подавляющем большинстве нефть вращают плоскость поляризации света вправо, выявлены и левовращающие нефти (чем моложе нефть, тем больше угол поворота плоскости поляризации). Оптическая активность нефти свидетельствует об их генетической связи с биологическими системами. Установлено, что главными носителями оптической активности нефти являются полициклические углеводороды — стераны и тритерпены, так называемые хемофоссилии, несущие информацию о генезисе. Показатель преломления нефти зависит от относительного содержания углерода и водорода в гомологических рядах углеводородов, он растёт от метановых (1,3575 — 1,4119) к ароматическим (у бензола 1,5011).

В нефти растворяются твёрдые углеводороды (высокомолекулярные парафины, полициклические нафтены, арены), неуглеводородные соединения (азотистые, сернистые, кислородсодержащие, а также комплексные гетероатомные — смолы, асфальтены), газы.

Классификация по структурно-групповому составу

Название в классификации Состав Месторождения

Классификация нефти по плотности

0 — особо лёгкие 800 На мировой рынок поставляется под брендом Saharan Blend.

1 — лёгкие 800 420 840 кг/м³ Легкая нефть марки Sokol, Vityaz и Sakhalin Blend получают из нефтяного месторождения на острове Сахалин.

2 — средняя 840 420 880 кг/м³ Месторождения Башкирского и Сакмарского яруса.

3 — тяжёлая 880 420 920 кг/м³ Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция.

4 — битуминозная 420 920 кг/м³ Сугуш — Линской, Ашальчииской, Мордово — Кармальской, Мунайлы — Мола нефти.

Классификация по плотности согласно ГОСТ 51858-2002

для РФ на экспорт для РФ на экспорт для РФ на экспорт для РФ на экспорт для РФ на экспорт

плотность, кг/м3 не более 830,0 830,1 — 850,0 850,1 — 870,0 870,1 — 895,0 более 895,0 По ГОСТ 3900 и п. 9.3 ГОСТ 51858-2002

15 0С не более 833,7 833,8 — 853,6 853,7 — 873,5 873,6 — 898,4 более 898,4

2 Выход фракций, % об., не менее, до температуры:

3 Массовая доля парафина, %, не более

Классификация в зависимости от массовой доли серы (1-4 классы)

1 — малосернистая до 0,6 По ГОСТ 1473 ГОСТ Р 51947 ГОСТ 51858-2002

2 — сернистая от 0,61 до 1,8

3 — высокосернистая от 1,81 до 3,5

4 — особовысокосернистая свыше 3,5

Классификация в зависимости от степени подготовки (три группы)

1. Массовая доля воды, %, не более 0,5 0,5 1,0 По ГОСТ 2477 и п. 9.5 ГОСТ 51858-2002

2. Массовая концентрация хлористых солей, мг/дм3, не более 100 300 900 По ГОСТ 21534 и п. 9.6 ГОСТ 51858-2002

3. Массовая доля механических примесей, %, не более 0,05 По ГОСТ 6370

4. Давление насыщенных паров, кПа (мм рт. ст.), не более 66,7 (500) По ГОСТ 1756, ГОСТ Р 52340 и п. 9.8 ГОСТ 51858-2002

5. Массовая доля органических хлоридов во фракции, выкипающей до температуры 204 °С, млн (ppm), не более 10 10 10 По ГОСТ Р 52247 или приложению А (6)

Примечание — Если по одному из показателей нефть относится к группе с меньшим номером, а по другому — к группе с большим номером, то нефть признают соответствующей группе с большим номером.

Классификация по массовой доле сероводорода и лёгких меркаптанов (2 вида)

1. Массовая доля сероводорода, млн (ppm), не более 20 100 По ГОСТ Р 50802

2. Массовая доля метил- и этилмеркаптанов в сумме, млн (ppm), не более 40 100

Примечание: Нормы по показателям массовой доли сероводорода и лёгких меркаптанов являются факультативными до 1 января 2013 года. Определяются для набора данных.

Добыча и подготовка нефти

Большая часть залежи нефти скопилась в подземных залежах, представляющих образования в виде пустоты, залегающие на глубине, по разным источникам до трёх километров. Для того, чтобы нефть вышла на поверхность земли её извлекают разными технологиями, разрабатывают месторождения, строятся скважины, благодаря шахтного способа можно достичь необходимой глубины добычи нефти.

Ректификационные колонны НПЗ

Нефть сырая в чистом виде практически нигде не применяется из — за нестойкого состояния. Большую долю мирового рынка это различного рода продукты переработки нефти — разнообразные виды топлива, а также исходные материалы для химической промышленности.

Поступающее по трубопроводам или по железной дороге, а также транспортируемое водным путём с помощью танкеров сырьё, подвергается очистке и разделяется на фракции на нефтеперерабатывающих заводах. В этом и заключается суть первичной переработки.

Товарные продукты первичной переработки нефти не обладают высоким качеством переработки, для получения высокого качества применяют технологию вторичной переработке.

Каталитический крекинг — главная технология вторичной переработки нефти, позволяет: повышать октанового числа бензина, получить углеводородные газы и кокс. Суть его заключается в получении мелких молекул из более крупных соединений с помощью нагрева и применения катализатора.

Нефтяная эра XXI века привела к глобальным масштабным событиям различного характера, вплоть до экономических, политических и военных противостояний великих держав. Мир прошёл черту, когда нефть вдруг стала никому не нужной, через некоторое время, из-за пандемии COVID-19 и сокращения добычи нефти мощными державами-локомотивами мировой экономики России и Саудовской Аравии стоимость одного барреля взлетела до 140 долларов США. Закрываются объекты на консервацию, происходит переосмысление и трансформация нефтяной промышленности. Всё больше предприятий закрывают нерентабельные скважины. Всё более ухудшающееся положение в нефтяной промышленности заставляет работодателей производить не только сепарацию нефти, но и сокращать работников, в том числе имеющих большой стаж работы, опыт, по медицинским показателям способных работать на опасных производственных объектах.

Нефтяные кризисы, появление ОПЕК+

Незамедлительная реакция мирового рынка на это событие привела к более чем трехкратному увеличению цен на нефть и нефтепродукты. В странах, являющихся импортерами «черного золота», началась паника и энергетический кризис, который оказал далеко идущие последствия. С течением времени этот кризис стал рассматриваться как начало структурной перестройки послевоенной экономики западных стран, мощного толчка к новому этапу научно-технической революции и важной предпосылки для перехода от индустриального общества к постиндустриальному обществу в развитых странах.

Нефтяной кризис во время Исламской революции в Иране

С 1979 год по 1980 год произошёл ещё один значительный рост цен на нефть во время второго энергетического кризиса. В это время, во время исламской революции в Иране, президент США Джимми Картер объявил о сокращении торговых отношений с Ираном и одновременно прекратил государственное регулирование цен на нефть в США. Рост цен остановился на отметке 6,5 долларов за баррель.

Нефтяной кризис во время войны в Персидском заливе

В 2000 году, 2004 году и 2005 году после преодоления экономического кризиса в Азии, мировая экономика начала снова стремительно расти, что повлекло за собой увеличение спроса на нефть.

Также холодная зима 2001 год — 2002 год способствовала повышенной потребности в нефти, но последствия были значительно меньше, чем в 1970-х годах. Серьёзный кризис был предотвращен благодаря увеличению квот добычи. В то время главными проблемами были связанные с логистикой, так как нехватка танкеров оказала более существенное влияние, чем нехватка нефти.

Динамика цен на нефть в 2005 году:

Нефтяной кризис с 2007 года по 2009 год

Период с 2007 года по 2009 год:

В 2008 году кризис неплатежей перерос в масштабную рецессию, которая привела к обанкротиванию крупнейших финансовых компаний страны. В результате долговой характер экономики США, который накопился за предыдущие сорок лет, стал актуальной проблемой. Это привело к началу текущего глобального экономического кризиса, который привел к резкому снижению спроса на нефть. В 2009 году цена барреля стабилизировалась в диапазоне от 35 до 75 долларов. С начала второй половины 2008 года кризис также затронул страны-экспортеры нефти, которые несколько раз сократили квоты на добычу.

Ситуация, таким образом, стала замкнутым кругом. Некоторые аналитики указывают на то, что снижение квот было вызвано не только желанием поддержать цену барреля, но и физическим дефицитом нефти, который стал фундаментальной причиной экономического спада. Из-за этого квоты, вероятно, никогда не будут увеличены.

Хотя роль спекулянтов на рынке нефти нельзя недооценивать, в целом происходящее очень напоминает последствия «Пика нефти». Официального разъяснения от глав правительств на этот счет не поступало, так как общественное внимание сейчас сфокусировано на структурной перестройке экономики, особенно финансовой отрасли.

Однако, в последнее время в открытой печати появились статьи, которые предсказывают наступление нового цикла кризиса, вызванного резким ростом цен, после того, как мировое потребление восстановится после шока 2008 года. Кроме того, страны-потребители принимают антикризисную политику, включающую экстренные меры для стабилизации финансового сектора и внутреннего потребления, а также активное развитие альтернативных источников энергии и экономичного транспорта. Однако, эффективность этих «пожарных» мер вызывает сомнения среди специалистов.

Нефтяной кризис 2020 года

Однако в феврале 2021 года произошел техасский энергетический кризис, вызванный тремя сильными зимними штормами, который привел к гибели более 151 человека. Это происшествие непосредственно или косвенно связано с проблемами электроэнергии.

Кроме того, в Китае возник кризис с электроэнергией, который привел к приостановке работы многих заводов и фабрик или переходу на двухдневную рабочую неделю. Это приведет к дальнейшим проблемам с поставками товаров из Китая и росту цен на них, как сообщает The Times 9 ноября 2021 года.

Китай столкнулся с серьёзными проблемами в энергетической сфере. Почти половина провинций не смогла достичь поставленных правительством целевых показателей по потреблению электроэнергии и оказалась под давлением, вынужденным сокращать потребление. В результате в стране начались отключения электричества, перебои произошли в 17 из 22 регионов. Ситуация также сказалась на индексе деловой активности в промышленности Китая. В провинции Цзянсу полностью прекратили свою работу 143 предприятия, а ещё более тысячи заводов вынуждены работать сокращенным режимом. В провинции Чжэцзянь были закрыты около 160 компаний, заводов и фабрик с высоким потреблением электроэнергии.

Рост мировых цен на газ вызвал дефицит газа на внутреннем рынке США. В Северо-Западной Европе произошел безветренный год, что сильно снизило производство электроэнергии на ветряных электростанциях. В результате недостатка генерации возросла доля использования углеводородных видов топлива для производства электроэнергии в Великобритании до 61 %. На рынке возникла тревога по поводу нехватки газа зимой. Высокие цены на газ (достигшие пика в 1937 долларов за тысячу кубических метров) привели к закрытию химических заводов в Великобритании и других странах Евросоюза.

В связи с логистическими проблемами, возникшими из-за нехватки водителей бензовозов, в Британии на заправках возник дефицит бензина. Крупнейший железнодорожный перевозчик грузов в Великобритании, Freightliner, решил временно приостановить использование электропоездов и перейти на использование дизельных локомотивов.

Список стран по добыче нефти

Список стран по добыче нефти British Petroleum основан на оценках, опубликованных в ежегодном Статистическом обзоре мировой энергетики 2022 (Statistical Review of World Energy 2022) британской нефтегазовой компании British Petroleum. Добыча нефти по странам приведена в миллионах тонн и в процентах (%) от мировой добычи.

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!

Насыщенные углеводороды

Насы́щенные углеводоро́ды (предельные углеводороды), углеводороды, в которых атомы углерода соединены только простыми (ординарными) связями. Различают алифатические насыщенные углеводороды общей формулы CnH2n+2 (алканы) и циклические насыщенные углеводороды – CnH2n (циклоалканы).

Основной источник насыщенных углеводородов в природе – нефть; низшие газообразные насыщенные углеводороды входят также в состав природных горючих газов, твёрдые – в состав битумов и битуминозных топлив (каменных или бурых углей, горючих сланцев и т. д.), восков и некоторых других природных продуктов, встречаются в виде залежей озокерита.

Насыщенные углеводороды практически не смешиваются с водой, хорошо растворяются во многих органических жидкостях (с повышением молекулярной массы растворимость падает). В атмосфере кислорода происходит полное сгорание насыщенных углеводородов до диоксида углерода и воды с выделением большого количества теплоты. Техническое название насыщенных углеводородов «парафины» и «циклопарафины» происходит от лат. parum – мало и affinitas – сродство. Насыщенные углеводороды характеризуются низкой реакционной способностью. Возможные реакции насыщенных углеводородов (окисление, галогенирование, нитрование, сульфохлорирование, другие радикальные процессы, дегидрирование, изомеризация углеродного скелета, деструкция с разрывом C–C связей и др.), приводящие к важным промышленным продуктам, происходят в жёстких условиях (высокая температура, УФ-облучение).

В промышленности насыщенные углеводороды получают переработкой нефти, природного горючего газа, углей, горючих сланцев и др. Насыщенные углеводороды применяют в составе моторных и реактивных топлив, как сырьё для химической и нефтехимической промышленности; жидкие насыщенные углеводороды используют в качестве растворителей, твёрдые – в производстве пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств, в электротехнике.

Опубликовано 4 августа 2023 г. в 12:13 (GMT+3). Последнее обновление 4 августа 2023 г. в 12:13 (GMT+3).

Углеро́д (химический символ — C, от лат. ) — химический элемент четырнадцатой группы второго периода (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы, IVA) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 6.

6↓Периодическая система элементов

Внешний вид простого вещества

прозрачный (алмаз), матово-чёрный (графит)

Название, символ, номер Углеро́д / Carboneum (С), 6

Группа, период, блок 14 (устар. 4), 2, p-элемент

Радиус атома 70 пм

Радиус иона 16 (+4e) 260 (−4e) пм

Энергия ионизации (первый электрон) 1085,7 (11,25) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность (при н. у.) 2,24 (графит) г/см³

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки Гексагональная (графит/графен), Кубическая (алмаз)

Параметры решётки a = 2,46 Å; c = 6,71 Å (графит); а = 3,567 Å (алмаз)

Отношение 2,73 (графит)

Температура Дебая 1860 (алмаз) K

Наиболее долгоживущие изотопы

Основная статья: Изотопы углеродаИзотопРаспростра-нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 11C синт. 20 мин β+11B 12C 98,9% стабилен — — 13C 1,1% стабилен — — 14C следовые количества 5730 лет β−14N

Три изотопа данного элемента встречаются в окружающем нас мире. Изотопы 12C и 13C являются стабильными, в то время как 14C радиоактивный (период полураспада данного изотопа составляет 5730). Углерод был известен ещё в античном мире.

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, называемых органическими, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия.

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода: алмаз и графит.

На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Поздние флогистики (Реомюр, Бергман и другие) уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 году германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона.

В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. (род. п. carbōnis) «уголь».

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные химические связи разного типа.

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12С (98,93 %) и 13С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода

Схемы строения различных модификаций углеродаa: алмаз, b: графит, c: лонсдейлитd: фуллерен — бакибол C60, e: фуллерен C540, f: фуллерен C70g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную форму в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных конфигурации атома углерода:

Графит и алмаз

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е годы в СССР было обнаружено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ со значительным отрицательным кислородным балансом, например, смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (−C≡C−), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С60, С70, C80, C90, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.

Аморфный углерод (строение)

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активированный уголь.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.