Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Органическая химия топлив

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 684873.01.99
Представлены краткие сведения о строении, получении, свойствах и применении всех рассмотренных классов соединений. Приведены лабораторные работы с описанием экспериментальной части, правил техники безопасности, оборудования, а также задачи и вопросы для самоконтроля. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 230303 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
Органическая химия топлив: Учебное пособие / Ковалева М.А., Шрам В.Г., Кравцова Е.Г. - Краснояр.:СФУ, 2016. - 116 с.: ISBN 978-5-7638-3418-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/967562 (дата обращения: 20.06.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Оглавление 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
ОРГАНИЧЕСКАЯ  
ХИМИЯ  ТОПЛИВ 
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве 
учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов» (профили подготовки 
«Сервис транспортных и транспортно-технологических машин           
и оборудования (Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение)», 
«Сервис транспортных и транспортно-технологических машин        
и оборудования (Трубопроводный транспорт нефти и газа)»)              
и по специальности «Транспортные средства специального             
назначения» (специализация «Наземные транспортные средства          
и комплексы аэродромного технического обеспечения полетов 
авиации») (№ 101-У/15-рг109-35 от 01.09.2015 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

Оглавление 
 

2 

УДК 547(07)+662.6/.8(07)  
ББК 24.23я73+31.35я73  
        О-644 
 
 
 
 
 
А в т о р ы: 
М. А. Ковалева, В. Г. Шрам, Е. Г. Кравцова, А. В. Лысянников,  
Т. Н. Виниченко 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А. Ю. Шишов, кандидат химических наук, ассистент кафедры аналитической химии Института химии Санкт-Петербургского государственного университета; 
А. Н. Казакова, кандидат химических наук, ассистент кафедры          
органической химии Института химии Санкт-Петербургского государственного университета 
 
 
 
 
 
 
О-644       Органическая химия топлив : учеб. пособие / М. А. Ковалева, 
В. Г. Шрам, Е. Г. Кравцова [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2016. – 116 с. 
ISBN 978-5-7638-3418-5 
 
Представлены краткие сведения о строении, получении, свойствах и применении всех рассмотренных классов соединений. Приведены лабораторные  
работы с описанием экспериментальной части, правил техники безопасности, 
оборудования, а также задачи и вопросы для самоконтроля. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 230303 
«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».  
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 547(07)+662.6/.8(07) 
ББК 24.23я73+31.35я73  
 
ISBN 978-5-7638-3418-5                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2016 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 4 
1. ВВЕДЕНИЕ  В  КУРС  ОРГАНИЧЕСКОЙ  ХИМИИ  ТОПЛИВ .............. 5 
1.1. Основные положения теории химического строения  
       органических соединений. А. М. Бутлеров (1858–1861) ..................... 7  
1.2. Классификация органических реакций .................................................. 9 
2. ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ  НЕФТИ .......................................................... 23 
2.1. Углеводороды нефти и нефтепродуктов ............................................. 23 
2.2. Алканы .................................................................................................... 24 
2.3. Циклоалканы ........................................................................................... 29 
2.4. Алкены .................................................................................................... 31 
2.5. Алкины .................................................................................................... 35 
2.6. Непредельные углеводороды нефти и нефтепродуктов, влияние  
       на качество топлив, применение .......................................................... 37 
2.7. Арены ...................................................................................................... 38 
2.8. Углероды смешанного строения .......................................................... 49 
2.9. Арены нефти, влияние на свойства нефтепродуктов, применение .. 49 
2.10. Кислородные соединения .................................................................... 50 
2.11. Сернистые соединения ........................................................................ 55 
2.12. Азотистые соединения ......................................................................... 62 
2.13. Смолисто-асфальтовые вещества ....................................................... 68 
2.14. Минеральные компоненты .................................................................. 72 
3. ЗАДАЧИ ......................................................................................................... 74 
3.1. Изомерия и номенклатура органических соединений ....................... 74 
3.2. Планирование синтеза органических соединений.............................. 78 
3.3. Сравнение химических свойств ряда соединений .............................. 79 
3.4. Определение структуры органических соединений ........................... 80 
4. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ .......................................................... 82 
5. ЛАБОРАТОРНЫЕ  РАБОТЫ ...................................................................... 92 
Лабораторная работа 1. Техника безопасности ............................................. 92 
Лабораторная работа 2. Качественный анализ органических веществ ....... 96 
Лабораторная работа 3. Углеводороды ......................................................... 100 
Лабораторная работа 4. Ароматические углеводороды .............................. 105 
Лабораторная работа 5. Кислородсодержащие  
                                         органические соединения ...................................... 108 
Лабораторная работа 6. Азотсодержащие органические соединения ....... 112 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК .......................................................... 114 

Предисловие 
 

4 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Дисциплина «Органическая химия топлив» входит в базовую часть 
естественнонаучного цикла образовательной программы подготовки специалистов 2303030006 «Сервис транспортно-технологических машин             
и оборудования (Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение)». 
В пособии рассмотрены важнейшие классы органических соединений – углеводороды: предельные, непредельные, ароматические, многоядерные, а также их функциональные кислород-, азот- и галогенсодержащие 
производные. 
Теоретическая часть содержит краткие сведения о строении, получении, свойствах и применении всех рассмотренных классов соединений, 
практическая включает лабораторные работы с описанием экспериментальной части, правил техники безопасности, оборудования. 
Создание данного курса призвано послужить делу воспитания разносторонних специалистов, одинаково хорошо разбирающихся  как в теории 
машин и механизмов, так и в химии углеводородов. Целью изучения дисциплины является формирование у студентов целостного естественнонаучного мировоззрения, развитие химического мышления, углубление, развитие и систематизация химических знаний о строении и реакционной 
способности важнейших классов органических соединений, необходимых 
для освоения ряда изучаемых дисциплин и при решении практических         
вопросов в будущей практической деятельности. 

1.1. Основные положения теории химического строения органических соединений. А. М. Бутлеров (1858–1861) 
 

5 

 
1. ВВЕДЕНИЕ  В  КУРС  
ОРГАНИЧЕСКОЙ  ХИМИИ  ТОПЛИВ 
 
 
Углеводороды – простейшие органические вещества, молекулы            
которых состоят из атомов только двух элементов: С и Н. 
Производные  углеводородов – это продукты замещения атомов         
водорода на другие атомы или группы атомов. 
Так как углерод и водород являются обязательными элементами ор
ганических соединений, изобразим их электронно-графические формулы: 

 

Валентность химического элемента чаще всего определяется числом 

неспаренных электронов. Атом углерода, как видно из электроннографической формулы, имеет два неспаренных электрона, поэтому с их 
участием могут образоваться две электронные пары, осуществляющие две 
ковалентные связи. Однако в органических соединениях углерод не двух-, 
а всегда четырехвалентен. Это можно объяснить тем, что в возбужденном 
(получившем дополнительную энергию) атоме происходит распаривание 
2s-электронов и переход одного из них на 2р-орбиталь: 

 

Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать 

участие в создании четырех ковалентных связей. 
Атом углерода может находиться в трех валентных состояниях, этим 
состояниям соответствуют различные типы гибридизации. 
Гибридизация – смешение атомных орбиталей различного типа по  
форме и энергии, в результате чего образуются одинаковые орбитали. 
Гибридизация – процесс, требующий затрат энергии, но эти затраты 
с избытком компенсируются за счет энергии, выделяющейся при образовании большего числа ковалентных связей. Образующиеся гибридные          
орбитали имеют форму асимметричной гантели и резко отличаются от исходных орбиталей атома углерода. 

1. Введе
 

6 

Д

ставле

ние в курс ор

Для атом
ены на ри

Рис. 1.

И

Исходн
орбита

рганической х

а углерод
с. 1. 

. Типы гибр

б – sр

Исходны
орбитали

Исходные 
орбитали 

ные 
али 

химии топлив

да возмож

ридизации 
р2-гибридиз

ые 
и

жно три т

 
 
 

а 

 
 
 
 
 

б 

 
 
 
 

в 
атома угле
зация; в – s

Гибр
к верш

Гиб
пло
р-о
кул

Гиб

прям
ридн
двум

ипа гибри

ерода: а – s
sр-гибриди

идные орби
шинам тетр

орбиталя

бридные ор
оскости, уго
орбиталь на
лярно плос

б

бридные ор
мой, угол  м
ные р-орби
м взаимопе

идизации

sр3-гибриди
изация 

итали напр
раэдра, уго
ями 109о 28

битали леж
ол 120о. Не
аправлена п
кости гибр
биталей 

битали леж

между ними
тали ориен
ерпендикул

и, которые

изация;  

равлены 
л между 
 ' 

жат в одной
егибридная
перпендиридных ор
жат на одно
и 180о. Неги
нтированы 
лярным ося

е пред
й
я

ой 
ибпо 
ям 

1.1. Основные положения теории химического строения органических соединений. А. М. Бутлеров (1858–1861) 
 

7 

Гибридные орбитали атома углерода способны участвовать в образо
вании только σ-связей, не затронутые гибридизацией р-орбитали образуют 
только π-связи. Именно этой особенностью определяется пространственное строение молекул органических веществ. 
 
 
1.1. Основные положения теории химического строения  
органических соединений. А. М. Бутлеров (1858–1861) 
 
1. Атомы в молекулах органических веществ соединяются в определенной последовательности согласно их валентности. 
В зависимости от строения цепи атомы углерода (рис. 2), входящие  
в ее состав, различают следующим образом: атом углерода, связанный          
в цепи только с одним атомом углерода, называют первичным, с двумя – 
вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным.  
 

 
Рис. 2. Строение атома углерода 
 
Неразветвленная цепь содержит только первичные (концевые) и вторичные атомы углерода и называется нормальной (обозначается буквой 
«н-» перед названием соединения). Разветвленные цепи включают третичные или четвертичные атомы углерода.  
2. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от строения их молекул. 
Изомеры – это вещества, которые имеют одинаковый состав, но разное строение молекул и различные свойства. 
Изомерия – явление существования изомеров. 
С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров 
резко возрастает (рис. 3). 

1. Введение в курс органической химии топлив 
 

8 

3. В молекулах органических веществ атомы и группы атомов влияют друг на друга.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 3. Типы изомерии 
 
Рассмотрим на примере взаимодействия азотной кислоты с бензолом 
и фенолом: 
 

+ HNO3

NO2

+
H2O

H2SO4(k)

t
 

OH

HNO3

H2O

OH

NO

+

OH

NO
 
 
При использовании концентрированной азотной кислоты образуется 
2,4,6-тринитрофенол-пикриновая кислота, взрывчатое вещество:  
 

OH
OH

NO2

NO2

O2N

+
HNO3
H2O
+ 3
3

 
 

Изомерия 

Структурная 
Пространственная 

Углеродной  
цепи 

Функциональных
 групп 

Положения функциональных групп

Конформационная
Конфигурационная

Оптическая 
Геометрическая 

1.2. Классификация органических соединений 
 

9 

1.2. Классификация органических реакций 
 
В отличие от неорганических реакций, которые классифицируют по 
типу взаимодействия, изменению степени окисления, тепловому эффекту, 
обратимости и т. п., в органических реакциях в первую очередь учитывают 
механизм разрыва существующих химических связей и процессы, предшествующие образованию новых связей. 
По типу разрыва химической связи органические реакции можно разделить на две группы. 
Радикальные реакции, в которых происходит гомолитический разрыв общей электронной пары, образующей связь. При этом возникают 
свободные радикалы – частицы, обладающие неспаренным электроном: 

                                             R1º | º R2 R1º             R2º 

Ионные реакции, в которых происходит гетеролитический разрыв 
связи. При этом оба электрона остаются у одной из образующихся частиц. 
Эта частица (нуклеофил), обладающая парой неподеленных электронов на 
внешнем уровне, заряжается отрицательно и в последующих процессах 
может стать донором электронов для вновь образующейся связи. Вторая 
частица (электрофил) несет на себе положительный заряд и имеет на 
внешнем уровне незаполненную свободную орбиталь. В последующих 
процессах ее можно предоставить электронодонору для образования общей связи, т. е. электрофил является акцептором электронов. 

A |: BA++ :B– 
электрофил   нуклеофил 

В каждой органической реакции можно различить объект воздействия и реагент, т. е. вещество, действующее на объект и вызывающее изменение химических связей в нем. 
 Например: 

(hv)

CH3CI +HCI
CH4 + CI2
 
                                                           объект       реагент 

 

C2H4 + H2O 

(H+)

C2H5OH
 
                                                         объект      реагент 

+ HNO3

NO2

+
H2O

H2SO4(k)

t
 
                         объект            реагент 

1. Введение в курс органической химии топлив 
 

10 

Реагенты можно разделить на радикальные, электрофильные и нуклеофильные. Это деление связано с тем, что реагент может реагировать             
с различными частями молекулы объекта. 
 Электрофильным называется реагент, который взаимодействует           
с электронодонорной частью молекулы объекта, предоставляя ей свою вакантную орбиталь. Это положительно заряженные ионы (Н+, Н3O+ и др.) 
или молекулы, на части которых в результате поляризации образовался 
положительный заряд. 
Нуклеофильным называется реагент, который взаимодействует               
с электронодефицитной частью молекулы объекта, предоставляя ей свою 
неподеленную пару электронов. Нуклеофилы – это анионы и молекулы, 
несущие неподеленную электронную пару (НО–, RCOO–, Сl–, Вr– и т. п.). 
Объект не остается безразличным к воздействию реагента, из него 
возникают определенные промежуточные соединения, которые также могут иметь характер одного из трех вышеназванных состояний, т. е. быть 
свободным радикалом, катионом или анионом. 
С учетом описанных особенностей объекта и реагента, а также 
структурных изменений, происходящих в той или иной реакции, все органические реакции делят на следующие виды: 
1. Реакции замещения: R — СН2  —X + АВ → R — СН2 — А + ХВ. 
При этом они могут быть радикальными (SR), электрофильными (SE) 
или нуклеофильными (SN). 
2. Реакции присоединения, характерной особенностью которых является разрыв кратной связи:   

RCH ═ CH2 + АВ →RCH — СН2 
                                                             |           | 
                                                            A          B 

Они тоже могут быть разделены на электрофильные (AdE), нуклеофильные (AdN)  и радикальные (AdR).  
В использованных общепринятых обозначениях  буква S является 
начальной из английского слова Substitution – замещение, а буквы Ad соответствуют слову Addition – присоединение, тогда как нижние индексы 
обозначают радикал, электрофил или нуклеофил соответственно. 
3. Реакции отщепления (элиминирования): 

C
C
H

H
H

R

A
B

RC
CH2   +  AB

 

1.2. Классификация органических соединений 
 

11 

Кроме того, следует обратить внимание на такие реакции: 
4. Перегруппировка атомов (или групп атомов) внутри молекулы: 

OH

C

C

CH3

H
CH2

(H+)

C

CH3

CH3

CH
CH2OH

H3C
 
5. Окисление и восстановление: 

R
CH2OH

+CuO

-(Cu + H2O) R
C

O

H

Ag2O

R
C

O

H
O
2A

 
                  первичный спирт 
             альдегид                                      кислота 

R
C
H

O

H2

R
CH2OH

 
                                         альдегид 
                                        первичный спирт 

 
6. Этерификация (и обратная ей реакция гидролиза): 

O

O

O

O

R1
C

H

+  H
O
R2
R1
C

R2

+  H2O

(H+)

 
            кислота  
                        спирт 
                                   сложный эфир 

 
7. Полимеризация и поликонденсация: 

n

 

n

 
CH2
CH

Cl

CH2
CH

Cl
 
                            хлорвинил                                                            поливинилхлорид 

 
Разберем некоторые типы реакций более подробно. 
 
Радикальное замещение (SR) 

Это, прежде всего, реакции замещения атома водорода у атома             
С (sp3). В таких соединениях σ-связи С—С неполярны, а σ-связи С—Н        
тоже поляризованы очень слабо. Поэтому они разрываются по гомолити
1. Введение в курс органической химии топлив 
 

12 

ческому механизму с образованием свободных радикалов. Однако для такого процесса необходимо затратить значительное количество энергии. 
Это достигается различными способами: нагреванием до температуры       
≥ 250 °С; облучением (hv); добавками инициаторов, т. е. веществ, способствующих образованию свободных радикалов. 
В предельном углеводороде (например, метане) можно последовательно добиться полного замещения всех атомов водорода на атомы хлора: 

CH4
CH3Cl

+CI2, hv

-HCI

+CI2, hv

-HCI

+CI2, hv

-HCI

+CI2, hv

-HCI
  CH2Cl2
CHCl3
CCl4 
Если все связи С—Н в молекуле-объекте равноценны, то селективность в такой реакции не проявляется. Другое дело, когда на разрыв различных связей С—Н требуются разные энергозатраты. Естественно, в этом 
случае реакция замещения идет в том месте молекулы, где энергия диссоциации (разрыва) связи С—Н будет меньше. Можно сравнить энергию 
диссоциации связи С—Н (в ккал/моль) для молекул, содержащих первичный, вторичный и третичный атомы углерода, а также содержащих непредельный или ароматический заместитель. 
В приведенных ниже реакциях можно видеть, в какое место молекулы 
идет галогенирование: 

C

CH3

CH3

CH3

H  +  2Br2 

t

-2HB
C

CH3

CH3

CH3

Br +   
C

CH2Br

CH3

CH3

H  +  HBr

C

 
выход продукта:                                  99 %                     1 % 

CH2═CH—CH3 + Cl2 → CH2═CH—CH2Cl +HCl 

CH3

+  CI2 

CH2CI

+  HCI

5000C

 
Как видно из приведенных примеров, региоселективность (т. е. избирательность) реакции очевидна. 
 
Электрофильное замещение (SE) 

Этот тип реакций характерен для ароматических соединений. 
Известно, что ароматическая система с делокализованным π-облаком 
весьма стабильна. Поэтому она может быть нарушена только частицей