Как алканы правят миром? Природные источники, применение и физические свойства алканов.

Алканы являются основой как органической химии, так и промышленности Органическая химия начинается с алканов как в преподавании, так и в промышленности. Это простейшие углеводороды — только углерод и водород, без двойных связей или колец, а природный газ и нефть в основном представляют собой смеси алканов. Поскольку эти ресурсы лежат в основе основного органического сырья, их добыча влияет на экономику и даже мировую политику. Понимание того, что такое нефть и газ и какие алканы они содержат, закладывает основу для всего последующего.

Длина и разветвленность цепи определяют свойства алканов Температуры плавления и кипения плавно повышаются с увеличением длины цепочки: C1–C4 - это бесцветные газы при нормальных условиях, начиная с C5 и выше - бесцветные жидкости со слабым запахом, а самыми тяжелыми являются твердые воскообразные вещества, называемые парафином, которые используются для изготовления свечей. Большее разветвление снижает температуру кипения. В воде все алканы легче и нерастворимы, но они хорошо растворяются друг в друге и в неполярных растворителях. Например, парафин медленно растворяется в керосине.

Богатый метаном природный газ используется для производства тепла и электроэнергии Природный газ, добываемый из подземных месторождений, состоит в основном из метана (около 90% и более) с небольшим содержанием этана, следов других углеводородов и незначительных неорганических газов. Характерный запах бытового газа обусловлен добавлением одорантов, а не самим газом. На нефтяных месторождениях также добывается попутный нефтяной газ, более богатый этаном, пропаном и бутанами. В качестве топлива он отапливает города и промышленность, а при его сжигании кипятится вода для выработки электроэнергии в паровых турбинах, в то время как рекуперированное тепло используется для централизованного теплоснабжения; он также все чаще используется в автомобилях, поскольку сгорает более эффективно и производит меньше вредных выхлопных газов. Очень низкая температура кипения метана затрудняет его сжижение и хранение, поэтому его хранят в прочных баллонах высокого давления, в то время как смеси пропан‑бутана легко разжижаются и хранятся, а также служат для питания таких устройств, как бытовые зажигалки.

Масло разделяется по температурам кипения в ректификационных колоннах Сырая нефть представляет собой чрезвычайно сложную смесь, поэтому на нефтеперерабатывающих заводах ее разделяют путем перегонки в высоких ректификационных колоннах. Пары нагретого масла поднимаются вверх и охлаждаются; чем выше поддон, тем ниже температура, поэтому высококипящие компоненты конденсируются на нижних уровнях, в то время как более легкие пары поднимаются выше и конденсируются наверху. Повторение этого процесса в лотках и колоннах позволяет получать все более чистые фракции.

От бензина до битума: основные фракции нефти Из самых легких жидкостей образуется бензин, который конденсируется при температуре 50-200°C и состоит в основном из алканов С5–С11, таких как гептан и октановое число; наиболее летучим из них является “петролейный эфир”, популярный неполярный растворитель. Далее следует керосин, в основном С12–С16, используемый в качестве топлива для реактивных двигателей, однажды в качестве топлива для ламп и в качестве растворителя; помимо алканов, он содержит заметные циклические и ароматические углеводороды. Самым тяжелым топливом, получаемым при прямогонной перегонке, является дизельное топливо, представляющее собой смесь примерно С14‑С20 и еще более тяжелую, которая используется для питания сельскохозяйственной, военной, железнодорожной и другой тяжелой техники. Нелетучий остаток на дне колонны — мазут — представляет собой вязкую черную жидкость из самых тяжелых жидких алканов с растворенными твердыми углеводородами, сжигаемую на судах, мазутных электростанциях и котлах, но его невозможно полностью отделить обычной дистилляцией без крекинга. Вакуумная дистилляция снижает температуру кипения, чтобы отделить оставшиеся легкие компоненты, оставляя “гудрон” - твердое вещество, содержащее наиболее тяжелые сложные углеводороды и микроэлементы металлов, которое используется в дорожном строительстве и химической технологии; его природный аналог, битум, образуется при медленном выветривании поверхностного масла и используется в асфальте и других материалах.