Typpi, kuten happi, on usein osa orgaanista ainetta, ja sen yhdisteet ovat välttämättömiä eläville organismeille.
Typpeä sisältävät yhdisteet ovat monipuolisempia kuin happea sisältävät yhdisteet. Tämä johtuu siitä, että typellä on korkeampi valenssi ja samalla sillä on kolme hybriditilaa, kuten hiiliatomi. Yhdisteitä, joissa on yksi C-N-sidos, kutsutaan amiineiksi, kaksois-C=N-sidoksilla - imiineiksi, kolmois-C=K-sidoksiksi - nitriileiksi.
Olennainen ero typen ja hapen välillä on, että typpi voi päästä orgaanisiin yhdisteisiin sekä pelkistetyssä että hapettuneessa tilassa. Typen elektronegatiivisuus (x = 3,0) on suurempi kuin hiilen (x = 2,5) ja pienempi kuin hapen (x = 3,5). Jos typpi on sitoutunut hiileen ja vetyyn, sen hapetusaste on -3. Nitroryhmän -G) 2 sisältävissä yhdisteissä typpi liittyy happeen ja hiileen ja on hapetustilassa +3. Orgaaniset yhdisteet, joissa on hapettunutta typpeä, sisältävät sisäisen hapettimen. Kun molekyylissä on useita nitroryhmiä, yhdisteestä tulee räjähdysherkkä. Tämän tyyppisiä aineita ovat 2,4,6-trinitrotolueeni (TNT).
Pelkistetty typpi antaa orgaanisille yhdisteille samat ominaisuudet kuin hapelle: polaarisuus, emäksisyys ja happamuus, kyky
muodostavat vetysidoksia. Typpeä sisältävien yhdisteiden polaarisuus on kuitenkin pienempi ja vetysidokset heikommat kuin happea sisältävien yhdisteiden. Siksi joidenkin fysikaalisten ominaisuuksien mukaan amiinit ovat hiilivetyjen ja alkoholien välissä. Vaikka kaikki alkoholit ovat nesteitä tavallisissa olosuhteissa, jotkut amiinit ovat kaasumaisia aineita:
typpeä kykenevä vr 3-hybridisaatio on hyvä elektroniparin luovuttaja. Siksi, kuten jo tiedämme, amiineilla on melko vahvat perusominaisuudet. Vähemmässä määrin luovuttajan ominaisuudet ilmaistaan typelle $p2-hybridisaatiotilassa. Typpeä sisältävien orgaanisten yhdisteiden happamat ominaisuudet ovat paljon heikommat kuin happea sisältävien yhdisteiden. Mutta kun typen elektronit osallistuvat konjugaatioon r-elektronien ja hiilen kanssa, ilmaantuvat happamat ominaisuudet.
Yksi typpeä sisältävien aineiden luokista - amiinit. Ns. typpeä sisältävät orgaaniset aineet, joissa typpiatomi on liittynyt hiilivetyradikaaleihin ja vastaavaan määrään vetyatomeja. Radikaalien lukumäärästä riippuen on olemassa:
- - primaariset amiinit NMN2;
- - sekundaariset amiinit KI/NH;
- - tertiääriset amiinit KK"K"Y.
On huomattava, että primaaristen, sekundaaristen ja tertiääristen amiinien käsitteet eivät ole yhtäpitäviä alkoholien vastaavien käsitteiden kanssa.
On olemassa homologisia sarjoja tyydyttyneitä, tyydyttymättömiä ja aromaattisia amiineja. Tässä on myös eroa terminologiassa, kun verrataan alkoholeja ja amiineja. Aromaattisissa alkoholeissa hydroksoryhmän on oltava sitoutuneena hiiliatomiin radikaalissa, ei aromaattisessa renkaassa. Typpeä sisältävien yhdisteiden tapauksessa amiinina pidetään myös ainetta, jonka NH2-ryhmä liittyy aromaattiseen renkaaseen.
Pienen molekyylipainon omaavat amiinit ovat nestemäisiä tai kaasumaisia aineita, jotka liukenevat hyvin veteen. Niillä on epämiellyttävä haju, joka muistuttaa ammoniakin hajua. Kalan erityinen haju liittyy myös amiinien läsnäoloon. Korkeammilla amiineilla on samat ominaisuudet kuin alkoholeissa ja hapoissa - liukoisuus veteen laskee ja pinta-aktiivisuus ilmaantuu.
Amiinien saaminen. Yksi menetelmistä amiinien saamiseksi on samanlainen kuin alkoholien saaminen. Nämä ovat hiilivetyjen halogeenijohdannaisten reaktioita ammoniakin kanssa, jotka etenevät nukleofiilisen substituution mekanismin mukaisesti:
Tässä amiini ei voi olla suora reaktion tuote, koska syntynyt kloorivety reagoi sen kanssa kuten emäksen kanssa.
antamalla amiinisuolaa. Korostaa vapaa amiini, saatu suola käsitellään alkalilla:
Hiilivedyn halogeenijohdannainen ei reagoi ainoastaan ammoniakin, vaan myös primäärisen amiinin kanssa. Tässä tapauksessa muodostuu sekundäärinen amiini ja seuraavassa vaiheessa tertiäärinen amiini:
Amiineja saadaan myös hydraamalla nitriilejä:
Aromaattisia amiineja saadaan pelkistämällä nitroyhdisteitä. Pelkistysaineina käytetään metalleja happamassa ympäristössä:
Tätä aromaattista amiinia kutsutaan aniliiniksi. Nitroyhdisteiden pelkistysreaktion löysi N. N. Zinin vuonna 1842. Teollisuudessa nitrobentseeni pelkistetään vedyllä nikkelikatalyytin päällä ~300°C:ssa. Aniliinista on tullut erittäin tärkeä välituote, jota käytetään väriaineiden, polymeerien, lääkkeiden jne. valmistukseen. Maailman aniliinin tuotanto on yli miljoona tonnia vuodessa.
Amiinien kemialliset ominaisuudet. Amiinit kuuluvat aineisiin, jotka voivat palaa muodostaen CO 2:ta, H 2 0:ta ja typpeä N 2:ta.
Emäksinä amiinit ovat samanlaisia kuin ammoniakki, josta niitä tuotetaan korvaamalla vety hiilivetyradikaaleilla. Nämä radikaalit vaikuttavat emästen lujuuteen. Induktiivisten ja mesomeeristen vaikutusten vaikutus emäksisiin ominaisuuksiin on yleensä päinvastainen kuin niiden vaikutus happamiin ominaisuuksiin. Rajoitusalkoholit ovat happamissa ominaisuuksissa heikompia kuin vesi ja emäksissä rajoittavat amiinit vahvempia kuin ammoniakki; fenolit ovat happamilta ominaisuuksiltaan paljon vahvempia kuin alkoholit, ja aniliini emäksisiltä ominaisuuksiltaan on paljon heikompaa kuin tyydyttyneet amiinit.
Tyydyttyneissä amiineissa radikaalin +/- vaikutus lisää elektronitiheyttä typessä, minkä vuoksi typen kyky luovuttaa elektroniparia luovuttaja-akseptorisidoksen muodostamiseksi kasvaa. Aniliinissa typpielektronipari osallistuu konjugaatioon aromaattisten tt-elektronien kanssa ja tulee vähemmän käytettävissä luovuttaja-akseptorisidoksen muodostumiseen. Siksi aineet on järjestetty seuraavalle riville pääominaisuuksien heikkenemisen mukaan:
tyydyttyneet amiinit > NH 3 > aromaattiset amiinit.
Esimerkki 22.15. Mihin suuntaan etyyliamiinin ja aniliinihydrokloridin välisen reaktion tasapaino on siirtynyt?
Ratkaisu. Etyyliamiini on vahvempi emäs kuin aniliini. Siksi tasapaino siirtyy kohti aniliinin muodostumista:
Amiinit emäksinä reagoivat metalli-ionien kanssa muodostaen monimutkaisia yhdisteitä. Metalli-ioni toimii typen elektroniparin vastaanottajana, kuten reaktioissa ammoniakin kanssa. Metallien monimutkaisia yhdisteitä on paljon (/-blokki eri amiinien kanssa. Kun kuparisulfaatin ja metyyliamiinin liuoksia sekoitetaan, muodostuu voimakkaan värinen liuos puhtaamman sinisen sävyn kanssa kuin reaktiossa ammoniakin kanssa (kohta 210):
rSh 2 CH 2 CH 2 1H 2 -tyypin diamiinit antavat vahvempia komplekseja kuin monoamiinit, koska jokaisessa molekyylissä on kaksi luovuttajatyppiatomia ja se on kiinnittynyt kahdella luovuttaja-akseptorisidoksella.
Primääriset amiinit typpihapon (tai natriumnitriitin happamassa väliaineessa) vaikutuksesta deaminoitu, alkoholiksi muuttuminen:
Primaarisissa ja sekundaarisissa amiineissa aminoryhmän vety korvataan hiilivetyradikaaleilla reaktioissa halogeenijohdannaisten kanssa (katso amiinien valmistus). Amiini happohalogenidin kanssa antaa happoamidin, jossa on typpeen sitoutunut radikaali:
Tertiääriset amiinit lisäävät hiilivetyjen halogeenijohdannaisia muodostaen nelisubstituoituja (kvaternaarisia) ammoniumsuoloja:
Nämä ovat kiteisiä, veteen hyvin liukenevia aineita. Toisin kuin tavanomaiset ammoniumsuolat, alkalit eivät hydrolysoi tai hajoa niitä.
Aniliinissa ja muissa aromaattisissa amiineissa NH2-ryhmällä on positiivinen mesomeerinen vaikutus, joka kiihdyttää elektrofiilisiä substituutioreaktioita aromaattisessa radikaalissa. Aniliini poistaa värin bromivedestä muodostaen valkoisen tribromaniliinisakan.
Heteroorgaanisia yhdisteitä (rikkiä, happea ja typpeä sisältäviä), joilla on eri rakenne ja molekyylipaino, on eri suhteissa tisle- ja jäännösöljyjakeissa. Erityisen vaikeaa on tutkia suurimolekyylisten heteroorgaanisten yhdisteiden luonnetta ja koostumusta, joista suurin osa on terva-asfalttiaineita. Yksinäisten elektroniparien ansiosta rikki-, happi- ja typpiheteroatomit voivat toimia koordinoivana keskuksena assosiaatioiden muodostuksessa öljyjärjestelmissä.
Rikkiyhdisteet kuuluvat kaasukondensaatti- ja öljyjärjestelmien heteroatomisten komponenttien edustavimpaan ryhmään. Öljy- ja kaasujärjestelmien kokonaisrikkipitoisuus vaihtelee suuresti: prosentin sadasosista 6-8 painoprosenttiin ja enemmän. Korkea kokonaisrikkipitoisuus on ominaista Astrakhanin, Karachaganakin (0,9 %) ja muiden kenttien kaasukondensaateille. Joissakin öljyissä rikkipitoisten yhdisteiden pitoisuus on 40 % (paino) ja enemmänkin, joissakin tapauksissa öljy koostuu niistä lähes kokonaan. Toisin kuin muut heteroatomit, jotka ovat pääasiassa väkevöityneitä CAB:hen, merkittävä osa rikkiä sisältyy tislefraktioihin. Pääsääntöisesti suorajakeisten jakeiden rikkipitoisuus kasvaa niiden kiehumispisteen ja alkuperäisen öljyn kokonaisrikkipitoisuuden noustessa.
Öljy- ja kaasujärjestelmissä on pieniä määriä epäorgaanisia rikkipitoisia yhdisteitä (alkuainerikki ja rikkivety), ne voivat muodostua myös muiden rikkipitoisten yhdisteiden sekundaarisina hajoamistuotteina korkeissa lämpötiloissa tislausprosesseissa, tuhoavassa käsittelyssä. Öljystä löytyvistä rikkiä sisältävistä yhdisteistä on tunnistettu seuraavat (Institut of Petroleum Chemistry, TF SB RAS:n mukaan).
1. Alifaattiset, alisykliset ja aromaattiset tiolit (merkaptaanit) R-SH:
C 6 H 5 C n H 2 n + 1 SH C n H 2 n + 1 C 6 H 5 SH C 10 H 7 SH
arenoalkanotiolit tionaftolit
2. Seuraavien päätyyppien tioeetterit (sulfidit):
R-S-R" C6H5-S-C6H5
tiaalkaanit, tiaalkeenit, tiaalkyynidiaryylisulfidit
tiasykloalkaanit alkyyliaryylisulfidit aryylitiaalkaanit
(R, R" - tyydyttyneet ja tyydyttymättömät alifaattiset hiilivetysubstituentit).
3. Dialkididisulfidit R-S-S-R", joissa R, R" ovat alkyyli-, sykloalkyyli- tai aryylisubstituentteja.
4. Tiofeenit ja niiden johdannaiset, joista tärkeimmät ovat seuraavat arenotiofeenit:
alkyylibentsotiofeenit alkyylibentsotiofeenit alkyylidibentsotiofeenit
Erilaisten rikkipitoisten yhdisteiden ryhmien jakautuminen öljyissä ja öljyjakeissa on seuraavien säännönmukaisuuksien alainen.
Tioleja on lähes kaikissa raakaöljyissä, yleensä pieninä pitoisuuksina ja niiden osuus rikkipitoisten yhdisteiden kokonaispitoisuudesta on 2-10 % (paino). Kaasukondensaateissa on pääasiassa alifaattisia merkaptaaneja C1-Cz. Jotkut öljyt ja kaasukondensaatit ja niiden jakeet ovat merkaptaanien luonnollisia rikasteita, joista esimerkkejä ovat Kaspianmeren superjättimäisen kentän bensiinijakeet; Orenburgin kentän kaasukondensaatin fraktio 40-200 °C, joka sisältää 1,24 % (paino) kokonaisrikkistä, mukaan lukien 0,97 % merkaptaania; kevyt petrolifraktio 120-280°C Tengizin kentältä peräisin olevaa öljyä, joka sisältää 45-70 % merkaptaanirikkiä rikkipitoisten yhdisteiden kokonaispitoisuudesta. Samaan aikaan Kaspianmeren alueen hiilivetyraaka-aineiden luonnontiolivarat vastaavat niiden maailmanlaajuisen synteettisen tuotannon tasoa. Luonnolliset tiolit ovat lupaavia raaka-aineita torjunta-aineiden synteesissä (pohjaiset symmetriset triatsiinit) ja nesteytettyjen kaasujen hajuun. Venäjän ennustettu hajustettujen tiolien kysyntä on tällä hetkellä 6 000 tonnia/vuosi.
Tioeetterit muodostavat jopa 27 % kaikista rikkipitoisista yhdisteistä raakaöljyissä ja jopa 50 % keskijakeissa, raskaissa tyhjiökaasuöljyissä sulfidien pitoisuus on pienempi. Maaöljysulfidien erotusmenetelmät perustuvat niiden kykyyn muodostaa monimutkaisia donori-akseptorityyppisiä yhdisteitä siirtämällä yksittäinen elektronipari rikkiatomista vapaalle vastaanottajaradalle. Metallihalogenidit, halogeenialkyylit ja halogeenit voivat toimia elektronien vastaanottajina. Kompleksaatioreaktiot maaöljysulfidien kanssa eivät valitettavasti ole selektiivisiä; Myös muut öljyn heteroatomiset komponentit voivat osallistua kompleksien muodostukseen.
Dialkyylidisulfideja ei löydy raakaöljyistä, niitä muodostuu yleensä merkaptaanien hapettumisen aikana miedoissa olosuhteissa ja siksi niitä on bensiinissä (jopa 15 %). Suurin osa rikkiä sisältävistä yhdisteistä öljyissä laskee niin sanotulle "jäännösrikille", jota ei määritetä standardimenetelmillä. Tiofeenit ja niiden johdannaiset hallitsevat sen koostumuksessa, joten aiemmin "jäännösrikkiä" kutsuttiin "tiofeeniksi", mutta negatiivisten ionien massaspektrometriaa käyttämällä siitä löydettiin aiemmin havaitsemattomia sulfoksideja, sulfoneja ja disulfaania. Bensiinifraktioissa tiofeenijohdannaisten pitoisuus on alhainen, keski- ja erityisesti korkealla kiehuvissa jakeissa se on 50-80 % rikkipitoisten yhdisteiden kokonaismäärästä. Tiofeenijohdannaisten suhteellinen pitoisuus on pääsääntöisesti sama kuin öljyjärjestelmän aromaattisuus. Rikkipitoisten yhdisteiden (erityisesti korkealla kiehuvista fraktioista) eristämisessä syntyvät vaikeudet johtuvat areeenien ja tiofeenien kemiallisten ominaisuuksien läheisyydestä. Niiden kemiallisen käyttäytymisen samankaltaisuus johtuu tiofeenien aromaattisuudesta, joka syntyy rikkiheteroatomin liittymisen seurauksena π-elektronijärjestelmään aromaattiseen sekstettiin asti. Tämän seurauksena öljytiofeenien lisääntynyt taipumus voimakkaisiin molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin.
Happiyhdisteetöljysysteemeissä 0,1-1,0 - 3,6 % (paino). Tislefraktioiden kiehumispisteen noustessa niiden pitoisuus kasvaa, ja suurin osa hapesta keskittyy terva-asfalttiaineisiin. Öljyjen ja tisleiden koostumus sisältää jopa 20 % tai enemmän happea sisältäviä yhdisteitä.
Niistä erotetaan perinteisesti happamia ja neutraaleja aineita. Happokomponentteja ovat karboksyylihapot ja fenolit. Neutraaleja happea sisältäviä yhdisteitä edustavat ketonit, anhydridit ja happoamidit, esterit, furaanijohdannaiset, alkoholit ja laktonit.
Happojen esiintyminen öljyissä havaittiin jo kauan sitten hiilivetyihin verrattuna korkean kemiallisen aktiivisuuden vuoksi. Niiden öljyn löytämisen historia on seuraava. Kun hankittiin korkealaatuista kerosiinia valaistustarkoituksiin, se käsiteltiin alkalilla (happo-emäspuhdistus) ja samalla havaittiin korkean emulgointikyvyn omaavien aineiden muodostumista. Myöhemmin kävi ilmi, että emulgaattorit ovat tislefraktioiden sisältämien happojen natriumsuoloja. Uuttaminen alkalien vesi- ja alkoholiliuoksilla on edelleen klassinen menetelmä happamien komponenttien uuttamiseksi öljyistä. Tällä hetkellä menetelmät happojen ja fenolien eristämiseksi perustuvat myös niiden funktionaalisten ryhmien (karboksyyli ja hydroksyyli) vuorovaikutukseen minkä tahansa reagenssin kanssa.
Karboksyylihapot ovat tutkituin happea sisältävien öljyyhdisteiden luokka. Maaöljyhappojen pitoisuus jakeittain vaihtelee äärimmäisen riippuvuuden mukaan, jonka maksimi osuu pääsääntöisesti kevyille ja keskisuurille öljyjakeille. Erilaisia maaöljyhappoja on tunnistettu kromatomassaspektrometrialla. Suurin osa niistä on yksiemäksisiä (RCOOH), joissa lähes mitä tahansa öljyn hiilivetyfragmenttia ja heteroorgaanisia yhdisteitä voidaan käyttää R:nä. Pitkään on havaittu, että happojen ja öljyjen ryhmäkoostumukset vastaavat toisiaan: metaaniöljyissä vallitsevat alifaattiset hapot, nafteeniöljyissä nafteeni- ja nafteenaromaattiset hapot. Alifaattisia happoja C1 - C25, joilla on lineaarinen rakenne ja joitain haaroittuneita happoja, on löydetty. Samanaikaisesti n-alkaanihappojen ja haarautuneiden happojen suhde maaöljyhapoissa on sama kuin vastaavien hiilivetyjen suhde öljyissä.
Alifaattisia happoja edustavat pääasiassa n-alkaanihapot. Haaroittuneista hapoista yleisempiä ovat ne, jotka sisältävät metyylisubstituentin pääketjussa. Kaikki tämän tyyppiset alemmat isomeerit löytyvät öljyistä C7:ään asti. Toinen tärkeä alifaattisten happojen ryhmä ovat isoprenoidihapot, joista prestaanihapot (C 19) ja fytaanihapot (C 20) hallitsevat.
Öljyn alisykliset (nafteenihapot) ovat monosyklokarboksyylihappoja - syklopentaanin ja sykloheksaanin johdannaisia; polysyklinen voi sisältää jopa 5 rengasta (tiedot Kalifornian öljystä). COOH-ryhmät monosyklisten happojen molekyyleissä ovat suoraan yhteydessä kiertoon tai sijaitsevat alifaattisten substituenttien päässä. Syklissä voi olla enintään kolme (useimmiten metyyli) substituenttia, joiden yleisimmät paikat ovat 1, 2; 13; 1, 2, 4; 1, 1, 3 ja 1, 1, 2, 3.
Öljyistä eristettyjen tri-, tetra- ja pentasyklisten happojen molekyylit rakentuvat pääasiassa kondensoituneista sykloheksaanirenkaista.
Heksasyklisten nafteenihappojen, joissa on sykloheksaanirenkaita, esiintyminen öljyissä on todettu. Aromaattisia happoja öljyissä edustavat bentsoehappo ja sen johdannaiset. Öljyistä löydettiin myös monia homologisia sarjoja polysyklisiä naftenoaromaattisia happoja, ja Samotlor-öljystä tunnistettiin monoaromaattisia steroidihappoja.
Happipitoisista yhdisteistä, maaöljystä hapoille on ominaista suurin pinta-aktiivisuus. On todettu, että sekä vähähartsi- että korkeahartsipitoisten öljyjen pinta-aktiivisuus laskee merkittävästi, kun niistä on poistettu happamat komponentit (hapot ja fenolit). Vahvat hapot osallistuvat öljyjen yhdisteiden muodostumiseen, mikä näkyy niiden reologisten ominaisuuksien tutkimuksessa.
Fenoleja on tutkittu paljon huonommin kuin happoja. Niiden pitoisuus Länsi-Siperian kentiltä peräisin olevissa öljyissä vaihtelee välillä 40-900 mg/l. Länsi-Siperian öljyissä fenolien pitoisuudet kasvavat luokkaa C 6<С 7 << С 8 <С 9 . В нефтях обнаружены фенол, все крезолы, ксиленолы и отдельные изомеры С 9 . Установлено, что соотношение между фенолами и алкилфенолами колеблется в пределах от 1: (0,3-0,4) до 1: (350-560) и зависит от глубины залегания и возраста нефти. В некоторых нефтях идентифицирован β-нафтол. Высказано предположение о наличии соединений типа о-фенилфенолов, находящихся в нефтях в связанном состоянии из-за склонности к образованию внутримолекулярных водородных связей. При исследовании антиокислительной способности компонентов гетероор-ганических соединений нефти установлено, что концентраты фенольных соединений являются наиболее активными природными ингибиторами.
Kaikki yksinkertaisimmat alkyyliketonit C3-C6, asetofenoni ja sen nafteno- ja arenojohdannaiset, fluorenoni ja sen lähimmät homologit löydettiin kalifornialaisten öljyjen neutraaleista happea sisältävistä yhdisteistä. Pääosin dialkyyliketoneista koostuvan Samotlor-öljyn ketonikonsentraatin saanto on 0,36 %, kun taas ketonien uuttoaste on vain 20 %, mikä osoittaa, että on olemassa suurimolekyylipainoisia ketoneja, joita ei voida ottaa talteen tällä menetelmällä. Länsi-Siperian öljyjen ketoneja tutkittaessa havaittiin, että ne sisältävät C19-C32-ketoneja ja metaaniöljyissä vallitsevat alifaattiset ketonit ja nafteenisissa öljyissä syklaani- ja aromaattiset substituentit.
Voidaan olettaa, että öljyt sisältävät alkoholeja vapaassa tilassa, sitoutuneessa tilassa ne ovat osa estereitä. Öljyn heteroorgaanisista yhdisteistä eniten on tutkittu happea sisältävien yhdisteiden taipumusta intensiivisiin molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin.
Typpeä sisältävien yhdisteiden tutkiminen on mahdollista kahdella tavalla - suoraan raakaöljyssä ja niiden eristämisen ja erottamisen jälkeen. Ensimmäinen tapa mahdollistaa typpeä sisältävien yhdisteiden tutkimisen luonnonläheisessä tilassa, mutta näiden yhdisteiden alhaisesta pitoisuudesta johtuvien havaittavien virheiden esiintyminen ei ole poissuljettua. Toinen tapa mahdollistaa tällaisten virheiden vähentämisen, mutta öljyn kemiallisen vaikutuksen prosessissa erotuksen ja eristyksen aikana niiden rakenteen muutos on mahdollista. On todettu, että typpeä sisältäviä yhdisteitä öljyssä edustavat pääasiassa sykliset yhdisteet. Alifaattisia typpeä sisältäviä yhdisteitä löytyy vain tuhoavan öljynjalostuksen tuotteista, joissa niitä muodostuu typpipitoisten heterosyklien tuhoutumisen seurauksena.
Kaikki typpeä sisältävät öljyyhdisteet ovat pääsääntöisesti areeenien funktionaalisia johdannaisia, ja siksi niillä on samanlainen molekyylipainojakauma kuin niillä. Toisin kuin areenit, typpeä sisältävät yhdisteet ovat kuitenkin konsentroituja korkealla kiehuviin öljyfraktioihin ja ovat CAB:n komponentti. Jopa 95 % öljyssä olevista typpiatomeista on keskittynyt hartseihin ja asfalteeneihin. On ehdotettu, että hartsien ja asfalteenien eristämisen aikana niiden kanssa saostuu myös suhteellisen pienen molekyylipainon omaavia typpeä sisältäviä yhdisteitä luovuttaja-akseptori-kompleksien muodossa.
Yleisesti hyväksytyn luokituksen mukaisesti happo-emäs ominaisuuden mukaan typpeä sisältävät yhdisteet jaetaantyppipitoisiksi emäksiksi ja neutraaleiksi yhdisteiksi.
Typpeä sisältävät emäkset ovat ilmeisesti ainoat tärkeimpien ominaisuuksien kantajat öljyjärjestelmien komponenttien joukossa. Typpeä sisältävien emästen osuus öljyssä, joka on titrattu perkloorihapolla etikkahappoväliaineessa, vaihtelee välillä 10 - 50 %. Tällä hetkellä öljyistä ja öljytuotteista on tunnistettu yli 100 pyridiinin, kinoliinin ja muiden emästen alkyyli- ja arenokondensoitua analogia.
Voimakkaasti emäksisiä typpeä sisältäviä yhdisteitä edustavat pyridiinit ja niiden johdannaiset:
Heikosti emäksisiä typpeä sisältäviä yhdisteitä ovat aniliinit, amidit, imidit ja N-sykloalkyylijohdannaiset, joissa on alkyyli-, sykloalkyyli- ja fenyyliryhmiä substituenttina pyrrolirenkaassa:
Neutraaleja typpeä sisältäviä yhdisteitä, jotka eivät sisällä muita heteroatomeja molekyyleissä typpiatomia lukuun ottamatta ja jotka on eristetty öljystä, ovat indolit, karbatsolit ja niiden nafteeni- ja rikkipitoiset johdannaiset:
Eristettäessä neutraalit typpeä sisältävät yhdisteet muodostavat assosiaatioita happea sisältävien yhdisteiden kanssa ja uutetaan yhdessä typpeä sisältävien emästen kanssa.
Nimettyjen monofunktionaalisten yhdisteiden lisäksi öljyistä on tunnistettu seuraavat typpeä sisältävät yhdisteet:
1. Polyaromaattinen, jossa on kaksi typpiatomia molekyylissä:
2. Yhdisteet, joissa on kaksi heteroatomia (typpi ja rikki) yhdessä syklissä - tiatsolit ja bentstiatsolit sekä niiden alkyyli- ja nafteenihomologit:
3. Yhdisteet, joissa on kaksi typpi- ja rikkiheteroatomia eri sykleissä: tiofeenia sisältävät alkyyli-, sykloalkyyli-indolit ja karbatsolit.
4. Yhdisteet, joissa on karbonyyliryhmä typpeä sisältävässä heterosyklissä, kuten piperidonit ja kinolonit:
5. Porfyriinit. Porfyriinien rakennetta, jotka ovat monimutkaisia yhdisteitä vanadyyli-VO:n, nikkelin ja raudan kanssa, käsitellään alla.
Öljyn typpeä sisältävien yhdisteiden merkitys luonnollisina pinta-aktiivisina aineina on erittäin suuri, ne yhdessä CAB:n kanssa määräävät suurelta osin pintaaktiivisuuden nestefaasin rajoilla ja öljyn kostutuskyvyn kiviöljyn, metallin ja öljyn rajapinnoilla. Typpeä sisältävät yhdisteet ja niiden johdannaiset - pyridiinit, hydroksipyridiinit, kinoliinit, hydroksikinoliinit, imidatsoliinit, oksatsoliinit jne. - ovat luonnollisia öljyliukoisia pinta-aktiivisia aineita, joilla on estäviä ominaisuuksia metallien korroosiossa öljyn tuotannon, kuljetuksen ja jalostuksen aikana. Heikommat pinta-aktiiviset ominaisuudet ovat ominaisia sellaisille typpeä sisältäville öljyyhdisteille kuin pyrrolin, indolin, karbatsolin, tiatsolien ja amidien homologit.
Hartsi-asfalttiaineet (OHJAAMO). Yksi edustavimmista heteroorgaanisten makromolekyyliöljyyhdisteiden ryhmistä on CAB. CAB:n ominaispiirteet - merkittävät molekyylipainot, erilaisten heteroelementtien läsnäolo koostumuksessaan, polariteetti, paramagnetismi, korkea taipumus MMW:hen ja assosiaatioon, polydispersiteetti ja selkeiden kolloidisten dispersioominaisuuksien ilmentyminen - vaikuttivat siihen, että tavallisesti käytetyt menetelmät analyysissä osoittautui soveltumattomiksi niiden tutkimukseen.alhaalla kiehuvat komponentit. Ottaen huomioon tutkittavan kohteen erityispiirteet, Sergienko S.R. yli 30 vuotta sitten hän nosti esiin makromolekyylien öljyyhdisteiden kemian itsenäiseksi öljykemian haaraksi ja vaikutti merkittävästi sen muodostumiseen perusteoksillaan.
1960- ja 1970-luvuille saakka tutkijat määrittelivät CAB:n fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia (jotkut niistä on esitetty taulukossa 2.4) ja yrittivät edustaa asfalteenien ja hartsien keskimääräisen molekyylin rakennekaavaa instrumentaalisten rakenneanalyysitietojen perusteella.
Vastaavia yrityksiä tehdään tällä hetkellä. Alkuainekoostumuksen, keskimääräisten molekyylipainojen, tiheyden, liukoisuuden jne. arvot, jotka vaihtelevat merkittävällä alueella erilaisten kotimaisten ja ulkomaisten öljyjen CAB-näytteiden osalta, heijastavat luonnonöljyjen monimuotoisuutta. Suurin osa öljyssä olevista heteroelementeistä ja lähes kaikki metallit ovat keskittyneet hartseihin ja asfalteeneihin.
CAB:ssa oleva typpi joutuu pääasiassa pyridiini- (emäksinen), pyrroli- (neutraali) ja porfyriini (metallikompleksi) -tyyppisiin heteroaromaattisiin fragmentteihin. Rikki on osa heterosyklejä (tiofeeni, tiasyklaani, tiatsoli), tioliryhmiä ja sulfidisiltoja, jotka sillottavat molekyylejä. Hartseissa ja asfalteeneissa oleva happi esitetään hydroksyyli- (fenoli-, alkoholi-), karboksyyli-, eetteri- (yksinkertainen, monimutkainen laktoni), karbonyyliryhminä (ketoni, kinoni) ja furaanisykleinä. Asfalteenien molekyylipainon ja heteroelementtien pitoisuuden välillä on tietty vastaavuus (kuva 2.2).
Luonnehditaan CAB:n nykyaikaista tasoa. Jeni panee merkille asfalteenien yleismaailmallisen luonteen luonnollisten hiililähteiden ainesosana, ei vain kaustobioliitteissa (öljyt ja kiinteät polttoaineet), vaan myös sedimenttikivet ja meteoriitit.
Abrahamin ehdottaman hiilivetypohjaisten luonnonvarojen luokituksen mukaan öljyihin kuuluvat ne, jotka sisältävät jopa 35-40 % (paino) CAB:tä, ja luonnonasfaltit ja bitumit sisältävät jopa 60-75 % (paino) CAB:tä. muihin lähteisiin - jopa 42-81%. Päinvastoin kuin öljyn kevyempiä komponentteja, jotka johtuivat ryhmilleen niiden kemiallisen rakenteen samankaltaisuudesta, kriteeri yhdisteiden yhdistämiselle luokkaan nimeltä CAB on niiden liukoisuuden läheisyys tiettyyn liuottimeen. Kun öljy ja öljyjäämät altistuvat suurille määrille petrolieetteriä, alhaalla kiehuvia alkaaneja, aineiden saostuminen ns. asfalteenit, jotka liukenevat alemmille areenoille, ja muiden komponenttien solvataatio - malteenit, jotka koostuvat hiilivetyosasta ja hartseista.
Nykyaikaiset järjestelmät öljyn raskaan osan erottamiseksi perustuvat Markussonin alun perin ehdottamiin klassisiin menetelmiin. Hiilidisulfidiin ja muihin liuottimiin liukenemattomat aineet luokitellaan karboideja. Aineita, jotka liukenevat vain hiilidisulfidiin ja jotka saostuvat hiilitetrakloridilla, kutsutaan karbeeneja. Karboidit ja karbeenit Yleensä niitä löytyy tuhoisan öljynjalostuksen raskaiden tuotteiden koostumuksesta useita prosentteja, ja niitä tarkastellaan erikseen alla. Niitä ei käytännössä esiinny raakaöljyjen koostumuksessa ja öljyn primaarisen jalostuksen jäännöksissä.
Eristettyjen asfalteenien ominaisuudet riippuvat myös liuottimesta. Liuottimien luonteen ja ominaisuuksien eroista johtuu, että arabiöljyjen asfalteenien molekyylipaino bentseeniin liuotettuna on keskimäärin 2 kertaa suurempi kuin tetrahydrofuraanissa. (Taulukko 2. 5).
Taulukko 2.5
Liuotinliuosparametri Dielektrinen dipolimomentti, Dläpäisevyys läpäisevyys
Tetrahydrofuraani 9,1 7,58 1,75 Bentseeni 9,2 2,27 0
Öljyn CAB-rakenteesta ja luonteesta kehitettäessä voidaan erottaa kaksi päävaihetta, jotka liittyvät yleiseen ajatukseen kolloidisesti hajallaan olevasta rakenteesta, mutta jotka eroavat metodologisesta lähestymistavasta yksittäisen elementin rakenteen arvioimiseksi. kolloidisesta rakenteesta. Ensimmäisessä vaiheessa - CAB-molekyylien rakennetta koskevien kemiallisten ideoiden vaiheessa - käytettiin tavanomaista kemiallista lähestymistapaa tuntemattoman yhdisteen rakenteen tunnistamiseen. Hartsien ja asfalteenien molekyylipainon, alkuainekoostumuksen ja molekyylikaavojen määrittämisen jälkeen C n H 2 n - z N p S g O r . Sitten laskettiin z-arvo. Hartseille se oli 40-50, asfalteeneille - 130-140. Tyypillinen esimerkki tällaisten tutkimusten tuloksista eri kotimaisten ja ulkomaisten öljyjen CAB-näytteille on esitetty taulukossa. 2.4. (katso taulukko 1.4). Kuten voidaan nähdä, asfalteenit eroavat samasta lähteestä peräisin olevista hartseista lisääntyneen hiilen ja metallien pitoisuuden ja vedyn osuuden pienenemisen, polyaromaattisten ytimien suuremman koon, suurten alifaattisten substituenttien lyhyemmän keskipituuden ja asyklisten aineiden pienemmän määrän suhteen. fragmentit, jotka on fuusioitu suoraan aromaattisten ytimien kanssa.
Toista vaihetta voidaan luonnehtia vaiheeksi, jossa kehitetään fyysisiä ideoita asfalteenien rakenteesta ja analysoidaan syitä asfalteenien assosiaatiotaipumukseen. Molekyylipainon riippuvuuden määritysolosuhteista (katso taulukko 2.5) sekä sen lineaarisen riippuvuuden asfalteenihiukkasten koosta (kuva 1.5) selittäminen tulikin mahdolliseksi laadullisesti uusien käsitysten puitteissa. asfalteenien rakenne.
Vuonna 1961 T. Yen ehdotti niin sanottua "levystä levyyn" pinomallia asfalteenien rakenteelle. Malli ei perustunut tarpeeseen noudattaa asfalteenien koostumuksen laskettuja rakenneparametreja, vaan perustavanlaatuiseen mahdollisuuteen eri molekyylien polyaromaattisten fragmenttien tasasuuntaisesta suuntautumisesta. Niiden yhdistäminen molekyylien välisten (π - π, luovuttaja-akseptori jne.) vuorovaikutusten seurauksena tapahtuu kerrostettujen pinoamisrakenteiden muodostumisen yhteydessä (termiä "pinoaminen" käytetään molekyylibiologiassa merkitsemään molekyylien pinomaista järjestelyä, joka on edellä mainittu). toinen).
Riisi. 2.5. Asfalteenien hiukkaskoon (D) ja molekyylipainon (M) välinen korrelaatio
Röntgendiffraktiotietoihin perustuvan jenimallin mukaisesti asfalteeneilla on kiderakenne ja ne ovat pinottuja rakenteita, joiden halkaisija on 0,9-1,7 nm 4-5 kerroksesta, jotka ovat 0,36 nm:n etäisyydellä toisistaan. Pinoavien rakenteiden koko aromaattisten levyjen normaalitasoa pitkin on 1,6–2,0 nm (kuva 2.6). Suoraviivaisissa segmenteissä näkyy litteitä polyaromaattisia fragmentteja ja katkenneissa segmenteissä molekyylien tyydyttyneitä fragmentteja. Polyaromaattisia fragmentteja edustavat suhteellisen pienet, useimmiten enintään tetrasykliset ytimet. Alifaattisista fragmenteista yleisimpiä ovat lyhyet alkyyliryhmät C1-C5, pääasiassa metyyli, mutta on myös lineaarisia haarautuneita alkaaneja, joissa on vähintään 10 hiiliatomia. CAB-molekyyleissä on myös polysyklisiä tyydyttyneitä rakenteita, joissa on 1-5 kondensoitunutta rengasta, pääasiassa bisyklaaneja.
Jena-mallin puitteissa asfalteenien molekyylipainon riippuvuus eristysolosuhteista ja edellä mainitusta liuottimen luonteesta on helposti selitettävissä asfaltiinien rakenteellisen organisoitumisen useaa tasoa viittaavalla assosiaatiolla: molekyylisesti hajaantunut tila. (I), jossa asfalteenit ovat erillisten kerrosten muodossa; kolloidinen tila (II), joka on tulosta ominaisten mittojen omaavien pinoamisrakenteiden muodostumisesta; hajaantunut kineettisesti stabiili tila (III), joka syntyy pinoavien rakenteiden aggregaatiosta, ja hajautunut kineettisesti epästabiili tila (IV), johon liittyy saostumista.
Riisi. 2.6. Asfalteenin rakennemalli Jenin mukaan
Monet nykyajan tutkijat seuraavat asfalteenien rakenteen pakkausrakenteen malleja. Unger F.G. ilmaisi alkuperäisen näkemyksen CAB:n esiintymisestä ja olemassaolosta öljyssä. CAB:tä sisältävät öljyt ja öljyjärjestelmät ovat hänen mielestään termodynaamisesti labiileja paramagneettisia ratkaisuja. Tällaisten liuosten yhdisteiden ytimet muodostuvat asfalteeneista, joissa stabiileja vapaita radikaaleja on paikallistettu, ja ytimiä ympäröivät solvaattikerrokset koostuvat diamagneettisista hartsimolekyyleistä. Jotkut diamagneettisista hartsin molekyyleistä pystyvät siirtymään virittyneeseen kolmiosaiseen tilaan ja käymään läpi hemolyysin. Siksi hartsit ovat mahdollinen asfalteenien lähde, mikä selittää L.G. hartsien helppous muuttaa asfalteeneiksi.
Esitettyjen ideoiden uutuus liittyy siis vaihtovuorovaikutusten erityisen roolin väittämiseen CAB:n luonteen selittämisessä. Toisin kuin pakkausmalli, ajatusta CAB-hiukkasen keskeisesti symmetrisestä rakenteesta kehitetään. Sen esittivät ensin D. Pfeiffer ja R. Saal, jotka ehdottivat staattista mallia asfalteenien rakenneyksikön rakenteesta. Sen mukaan rakenneyksikön ydin muodostuu suurimolekyylipainoisista polysyklisistä hiilivedyistä ja sitä ympäröivät komponentit, joiden aromaattisuusaste on vähitellen laskeva. Neumann G. korosti, että on energeettisesti hyödyllistä kääntää polaarisia ryhmiä rakenneyksikön sisällä ja hiilivetyradikaaleja - ulospäin, mikä on linjassa Rebinderin polariteetin tasaussäännön kanssa.
Porfyriinit ovat tyypillisiä esimerkkejä luonnollisista maaöljykompleksiyhdisteistä. Porfyriinit, joiden keskipisteenä on vanadiini (vanadyylin muodossa) tai nikkeli (katso 11). Öljyvanadyyliporfyriinit ovat pääosin kahden sarjan homologeja: alkyylisubstituoidut porfyriinit, joissa on eri hiiliatomien kokonaismäärä porfiinirenkaan sivusubstituenteissa, ja porfyriinit, joissa on lisäsyklopenteenirengas. Metalliporfyriinikomplekseja on luonnonbitumissa jopa 1 mg/100 g ja korkeaviskositeettisissa öljyissä jopa 20 mg/100 g öljyä. Tutkittaessa metalliporfyriinikompleksien jakautumisen luonnetta SDS:n aineosien välillä todettiin uutto- ja geelikromatografialla, että 40 % vanadyyliporfyriineistä on keskittynyt dispergoituneisiin hiukkasiin (suunnilleen yhtä paljon ydin- ja solvaattikerroksen koostumuksessa ), ja loput niistä sekä nikkeliporfyriinit sisältyvät dispersioympäristöön.
Asfalteenien koostumuksessa olevat vanadyyliporfyriinit vaikuttavat merkittävästi öljyjen pinta-aktiivisuuteen, kun taas asfalteenien sisäinen pinta-aktiivisuus on alhainen. Siten Bashkiriasta peräisin olevien öljyjen tutkimus osoitti, että öljyjen pintajännitys veden rajalla korreloi voimakkaasti niiden vanadyyliporfyriinipitoisuuden kanssa, kun taas korrelaatiokerroin niissä olevien asfalteenipitoisuuksien kanssa on suhteellisen alhainen (kuva 2.7).
Vähemmässä määrin on tutkittu metalliporfyriinien vaikutusta öljyn dispersirakenteeseen ja olosuhteisiin öljyjärjestelmien faasimuutosten esiintymiselle. On näyttöä niiden negatiivisesta vaikutuksesta muiden heteroatomisten komponenttien kanssa öljynjalostuksen katalyyttisiin prosesseihin. Lisäksi niiden tulee vaikuttaa voimakkaasti SSS:n vaihemuutosten kinetiikkaan ja mekanismiin.
Riisi. 2.7. Rajapinnan jännityksen a isotermit veden rajalla:
a - asfalteenien bentseeniliuokset: 1 - asfalteenit porfyriinien kanssa; 2-5 - asfalteenit porfyriineinä poistetaan vastaavasti yhden, viiden, seitsemän ja kolmentoista uuton jälkeen; b - Bashkirian öljy
Testi aiheesta: "Happea ja typpeä sisältävät orgaaniset aineet" (luokka 10)
Hyvät opiskelijat, tämä testi on aiheen tutkimisen tulos " Happea ja typpeä sisältävät orgaaniset aineet"ja vaikuttaa kolmanneksen arvosanan asettamiseen. Sinulla on 40 minuuttia aikaa suorittaa se. Esityksen aikana on kiellettyä käyttää oppikirjaa, hakumateriaaleja ja Inttrnetiä.
Toivon sinulle menestystä!
1. Molekyylin vetyatomilla on suurin aktiivisuus
2. Ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa
3. Älä ole vuorovaikutuksessa keskenään
4. Etikkahappo voi reagoida jommankumman aineen kanssa
5. Ovatko seuraavat arviot etikkahapon ominaisuuksista oikeita?
1. Etikkahappo ei reagoi natriumkarbonaatin kanssa.
2. Etikkahappoliuos johtaa sähköä.
6. Kuivumisreaktio on mahdollinen
7. Natriumhydroksidi reagoi
9. Propanolin hapettumistuote ei voi olla
10. Kun 57,5 g etanolia kuumennettiin väkevän rikkihapon kanssa, muodostui kaksi orgaanista yhdistettä A ja B. Aine A on kaasu, joka voi värjätä 100 g 40-prosenttista bromiliuosta hiilitetrakloridissa. Aine B on matalalla kiehuva neste. Määritä saadut yhdisteet A ja B, laske myös A:n tilavuus (NO:ssa) ja B:n massa olettaen, että etanoli on reagoinut täydellisesti.
| Vahvistettu sisältö | Testatut taidot |
|
| Aineiden ominaisuudet | ||
| Fenolin ominaisuudet | Mahdollisuus valita yksi vastaus neljästä vaihtoehdosta |
|
| Alkoholien ominaisuudet | Mahdollisuus valita yksi vastaus neljästä vaihtoehdosta |
|
| Orgaanisen hapon ominaisuudet | Mahdollisuus valita yksi vastaus neljästä vaihtoehdosta |
|
| Orgaanisen hapon ominaisuudet | Mahdollisuus valita yksi vastaus neljästä vaihtoehdosta |
|
| Orgaanisten aineiden kuivumisreaktiot | ||
| Orgaanisten happojen ja fenolin ominaisuudet | Kyky tehdä useita valintoja |
|
| Reaktioketjun toteuttaminen | Kyky tehdä useita valintoja |
|
| Alkoholien ominaisuudet | Kyky tehdä useita valintoja |
|
| Alkoholien ominaisuudet | Kyky kirjoittaa ja ratkaista ongelmia |
Avaimet kokeeseen
10. 5,6 L eteeniä ja 37 g dietyylieetteriä
Yksi yleisimmistä kemiallisista alkuaineista, jotka sisältyvät valtaosaan kemikaaleista, on happi. Epäorgaanisen ja orgaanisen kemian kurssilla tutkitaan oksideja, happoja, emäksiä, alkoholeja, fenoleja ja muita happea sisältäviä yhdisteitä. Artikkelissamme tutkimme ominaisuuksia sekä annamme esimerkkejä niiden käytöstä teollisuudessa, maataloudessa ja lääketieteessä.
oksideja
Rakenteeltaan yksinkertaisimpia ovat metallien ja epämetallien binääriyhdisteet hapen kanssa. Oksidien luokitus sisältää seuraavat ryhmät: happamat, emäksiset, amfoteeriset ja välinpitämättömät. Pääkriteeri kaikkien näiden aineiden jakautumiselle on se, mikä alkuaine yhdistyy hapen kanssa. Jos se on metallia, ne ovat perus. Esimerkiksi: CuO, MgO, Na 2 O - kuparin, magnesiumin, natriumin oksidit. Niiden tärkein kemiallinen ominaisuus on reaktio happojen kanssa. Joten kuparioksidi reagoi kloorivetyhapon kanssa:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O + 63,3 kJ.
Ei-metallisten alkuaineiden atomien läsnäolo binaaristen yhdisteiden molekyyleissä osoittaa niiden kuuluvan happamaan vetyyn H 2 O, hiilidioksidiin CO 2, fosforipentoksidiin P 2 O 5 . Tällaisten aineiden kyky reagoida alkalien kanssa on niiden tärkein kemiallinen ominaisuus.
Reaktion seurauksena voi muodostua lajeja: happamia tai väliaineita. Tämä riippuu siitä, kuinka monta moolia alkalia reagoi:
- CO2 + KOH => KHC03;
- CO2+ 2KOH => K2CO3 + H2O.
Toista happea sisältävien yhdisteiden ryhmää, joka sisältää sellaisia kemiallisia alkuaineita kuin sinkki tai alumiini, kutsutaan amfoteerisiksi oksideiksi. Ominaisuuksissaan on taipumus kemialliseen vuorovaikutukseen sekä happojen että alkalien kanssa. Happooksidien ja veden vuorovaikutuksen tuotteet ovat happoja. Esimerkiksi rikkihappoanhydridin ja veden reaktiossa muodostuu happoja - tämä on yksi tärkeimmistä happea sisältävien yhdisteiden luokista.
Hapot ja niiden ominaisuudet
Yhdisteet, jotka koostuvat vetyatomeista, jotka liittyvät happamien tähteiden kompleksisiin ioneihin, ovat happoja. Perinteisesti ne voidaan jakaa epäorgaanisiin, esimerkiksi hiilihappoon, sulfaattiin, nitraatteihin ja orgaanisiin yhdisteisiin. Jälkimmäisiin kuuluvat etikkahappo, muurahaishappo, öljyhappo. Molemmilla aineryhmillä on samanlaiset ominaisuudet. Joten ne joutuvat neutralointireaktioon emästen kanssa, reagoivat suolojen ja emäksisten oksidien kanssa. Melkein kaikki happea sisältävät hapot vesiliuoksissa dissosioituvat ioneiksi, jotka ovat toisen tyyppisiä johtimia. On mahdollista määrittää niiden ympäristön hapan luonne, joka johtuu vetyionien liiallisesta läsnäolosta, käyttämällä indikaattoreita. Esimerkiksi violetti lakmus muuttuu punaiseksi, kun sitä lisätään happoliuokseen. Tyypillinen orgaanisten yhdisteiden edustaja on karboksyyliryhmän sisältävä etikkahappo. Se sisältää vetyatomin, joka aiheuttaa happoa. Se on väritön neste, jolla on erityinen pistävä haju ja joka kiteytyy alle 17 °C:n lämpötiloissa. CH 3 COOH, kuten muutkin happea sisältävät hapot, liukenee täydellisesti veteen missä tahansa suhteessa. Sen 3 - 5 % liuos tunnetaan arjessa etikan nimellä, jota käytetään ruoanlaitossa mausteena. Aine on myös löytänyt sovelluksensa asetaattisilkin, väriaineiden, muovien ja joidenkin lääkkeiden valmistuksessa.
Orgaaniset yhdisteet, jotka sisältävät happea
Kemiassa voidaan erottaa suuri joukko aineita, jotka sisältävät hiilen ja vedyn lisäksi myös happihiukkasia. Näitä ovat karboksyylihapot, esterit, aldehydit, alkoholit ja fenolit. Kaikki niiden kemialliset ominaisuudet määräytyvät erityisten kompleksien - funktionaalisten ryhmien - molekyyleissä. Esimerkiksi alkoholi, joka sisältää vain rajasidoksia atomien välillä - ROH, jossa R on hiilivetyradikaali. Näitä yhdisteitä pidetään yleensä alkaanien johdannaisina, joissa yksi vetyatomi on korvattu hydroksoryhmällä.
Alkoholien fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Alkoholien aggregaatiotila on nesteitä tai kiinteitä yhdisteitä. Alkoholien joukossa ei ole kaasumaisia aineita, mikä selittyy assosioituneiden ryhmien muodostumisella, jotka koostuvat useista molekyyleistä, jotka liittyvät heikoilla vetysidoksilla. Tämä tosiasia määrää myös alempien alkoholien hyvän liukoisuuden veteen. Vesiliuoksissa happea sisältävät orgaaniset aineet - alkoholit - eivät kuitenkaan hajoa ioneiksi, eivät muuta indikaattoreiden väriä, eli niillä on neutraali reaktio. Funktionaalisen ryhmän vetyatomi on heikosti sitoutunut muihin hiukkasiin, joten kemiallisessa vuorovaikutuksessa se pystyy poistumaan molekyylistä. Samassa vapaan valenssin paikassa se korvataan muilla atomeilla, esimerkiksi reaktioissa aktiivisten metallien tai alkalien kanssa - metalliatomeilla. Katalyyttien, kuten platinaverkon tai kuparin, läsnä ollessa alkoholit hapetetaan voimakkailla hapettimilla, kaliumbikromaatilla tai kaliumpermanganaatilla aldehydeiksi.
esteröintireaktio
Yksi happea sisältävien orgaanisten aineiden, alkoholien ja happojen, tärkeimmistä kemiallisista ominaisuuksista on reaktio, joka johtaa estereiden muodostumiseen. Sillä on suuri käytännön merkitys, ja sitä käytetään teollisuudessa elintarviketeollisuudessa liuottimina käytettävien esterien uuttamiseen (hedelmäesanssien muodossa). Lääketieteessä joitain estereistä käytetään kouristuksia estävänä lääkkeenä, esimerkiksi etyylinitriitti laajentaa perifeerisiä verisuonia ja isoamyylinitriitti suojaa sepelvaltimon kouristuksia vastaan. Esteröintireaktioyhtälöllä on seuraava muoto:
CH3COOH+C2H5OH<--(H2SO4)-->CH3COOC2H5+H2O
Siinä CH 3 COOH on etikkahappoa ja C 2 H 5 OH on etanolialkoholin kemiallinen kaava.
Aldehydit
Jos yhdiste sisältää funktionaalisen ryhmän -COH, se luokitellaan aldehydiksi. Ne esitetään alkoholien lisähapetuksen tuotteina, esimerkiksi hapettimilla, kuten kuparioksidilla.
Karbonyylikompleksin läsnäolo muurahais- tai asetaldehydimolekyyleissä määrittää niiden kyvyn polymeroitua ja kiinnittää muiden kemiallisten alkuaineiden atomeja. Kvalitatiivisia reaktioita, joilla voidaan todistaa karbonyyliryhmän läsnäolo ja aineen kuuluminen aldehydeihin, ovat hopeapeilin reaktio ja vuorovaikutus kuparihydroksidin kanssa kuumennettaessa:
Eniten on käytetty asetaldehydiä, jota käytetään teollisuudessa etikkahapon valmistukseen, joka on suuri orgaanisen synteesin tuote.
Happipitoisten orgaanisten yhdisteiden - karboksyylihappojen - ominaisuudet
Karboksyyliryhmän - yhden tai useamman - läsnäolo on karboksyylihappojen tunnusmerkki. Funktionaalisen ryhmän rakenteesta johtuen happoliuoksiin voi muodostua dimeerejä. Ne on liitetty toisiinsa vetysidoksilla. Yhdisteet hajoavat vetykationeiksi ja happojäännösanioneiksi ja ovat heikkoja elektrolyyttejä. Poikkeuksena on useiden rajoittavien yksiemäksisten happojen ensimmäinen edustaja - muurahaishappo tai metaani, joka on toisen tyyppinen keskivahva johdin. Vain yksinkertaisten sigmasidosten läsnäolo molekyyleissä osoittaa rajan, mutta jos aineilla on koostumuksessaan kaksoispi-sidoksia, ne ovat tyydyttymättömiä aineita. Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat sellaiset hapot kuin metaani, etikkahappo, voihappo. Toista edustavat yhdisteet, jotka ovat osa nestemäisiä rasvoja - öljyt, esimerkiksi öljyhappo. Happipitoisten yhdisteiden kemialliset ominaisuudet: orgaaniset ja epäorgaaniset hapot ovat suurelta osin samanlaisia. Joten ne voivat olla vuorovaikutuksessa aktiivisten metallien, niiden oksidien, alkalien ja myös alkoholien kanssa. Esimerkiksi etikkahappo reagoi natriumin, oksidin kanssa ja muodostaa suolan - natriumasetaattia:
NaOH + CH3COOH → NaCH3COO + H2O
Erityinen paikka on korkeampien karboksyylihappojen happea sisältävien happojen yhdisteillä: steariini ja palmitiinihappo, jossa on kolmiarvoinen tyydyttynyt alkoholi - glyseriini. Ne kuuluvat estereihin ja niitä kutsutaan rasvoiksi. Samat hapot ovat osa natrium- ja kaliumsuoloja happojäämänä muodostaen saippuoita.
Tärkeitä luonnossa laajalle levinneitä orgaanisia yhdisteitä, joilla on johtava rooli energiaintensiivisimpänä aineena, ovat rasvat. Ne eivät ole yksittäisiä yhdisteitä, vaan heterogeenisten glyseridien seos. Nämä ovat rajoittavan moniarvoisen alkoholin - glyseriinin - yhdisteitä, jotka sisältävät metanolin ja fenolin tavoin hydroksyylifunktionaalisia ryhmiä. Rasvat voidaan hydrolysoida - lämmittää vedellä katalyyttien läsnä ollessa: alkalit, hapot, sinkkioksidit, magnesium. Reaktiotuotteet ovat glyserolia ja erilaisia karboksyylihappoja, joita käytetään edelleen saippuan valmistukseen. Jotta tässä prosessissa ei käytetä kalliita luonnollisia välttämättömiä karboksyylihappoja, ne saadaan hapettamalla parafiinia.
Fenolit
Lopuksi tarkastellaan happea sisältävien yhdisteiden luokkia, pysähdytään fenoleihin. Niitä edustaa fenyyliradikaali -C6H5, joka on liitetty yhteen tai useampaan funktionaaliseen hydroksyyliryhmään. Tämän luokan yksinkertaisin edustaja on karbolihappo tai fenoli. Erittäin heikkona hapona se voi olla vuorovaikutuksessa alkalien ja aktiivisten metallien - natriumin, kaliumin - kanssa. Ainetta, jolla on selvät bakterisidiset ominaisuudet - fenolia käytetään lääketieteessä sekä väriaineiden ja fenoli-formaldehydihartsien valmistuksessa.
Artikkelissamme tutkimme happea sisältävien yhdisteiden pääluokkia ja tarkastelimme myös niiden kemiallisia ominaisuuksia.
Opettaja:
Oppilaitos: Pietarin metron ammattilyseo
Akateeminen kurinalaisuus: kemia
Aihe: "Happea ja typpeä sisältävät orgaaniset yhdisteet"
Kohdeyleisö: Kurssi 1
Oppitunnin tyyppi: aineiston yleistys, 1 akad. tunnin.
Oppitunnin tavoitteet:
Tieto: tuntea happea ja typpeä sisältävien orgaanisten aineiden kaavat ja ominaisuudet
Ymmärtäminen: ymmärtää aineiden ominaisuuksien riippuvuuden molekyylin rakenteesta, funktionaalisesta ryhmästä
Sovellus: käyttää tietoa aineiden ominaisuuksista kemiallisten reaktioiden yhtälöiden laatimiseen.
Analyysi: analysoida atomiryhmien keskinäistä vaikutusta orgaanisten aineiden molekyyleissä.
Synteesi: tiivistää tietoa orgaanisten aineiden ominaisuuksista muunnosketjun muodossa
Arvosana: tehdä itsearviointi ehdotetuista otsakkeista.
Laitteet: interaktiivinen taulu, multimediaesitys.
Tuntisuunnitelma:
1. Org. hetki
2. Aiemmin opitun toisto.
3. Opiskelijoiden esitykset.
4. Opiskelijoiden itsemäärääminen itsetuntotasojen mukaan.
5. Opiskelijoiden itsenäinen työskentely.
6. Kriteereihin perustuvan järjestelmän yhteenveto.
7. Kotitehtävät.
Tuntien aikana
1. Ajan järjestäminen.
Ryhmän rakentaminen, ryhmänjohtajan raportti läsnä olevien opiskelijoiden lukumäärästä.
2. Aiemmin opitun toistoa
Tietoja funktionaalisista ryhmistä, happea ja typpeä sisältävien aineiden luokista, näiden luokkien yksinkertaisimmista edustajista interaktiivisen taulun ja multimediaesityksen avulla.
Mikä atomiryhmä, joka on välttämättä läsnä tämän luokan aineiden molekyyleissä, määrittää aineen kemiallisen toiminnan eli sen kemialliset ominaisuudet?
Vastaus: funktionaalinen atomiryhmä
Anna funktionaalisen ryhmän nimi - OH
Vastaus: atomien hydroksyyliryhmä.
Mikä aineluokka määrittää atomien hydroksyyliryhmän?
Vastaus: Alkoholit, jos ryhmä 1 on OH, yksiarvoiset alkoholit, jos useampi kuin yksi ryhmä on OH, moniarvoiset alkoholit.
Anna toiminnallisen ryhmän nimi - SLEEP. Minkä aineluokan se määrittelee?
Vastaus: aldehydiryhmä, määrittelee aldehydiluokan.
Anna funktioiden nimi ryhmälle - SLEEP. Minkä luokan se määrittelee?
Vastaus: karboksyyliryhmä, määrittelee karboksyylihappojen luokan.
Anna funktion nimi ryhmälle - NH2. Minkä luokan se määrittelee?
Vastaus: Aminoryhmä määrittelee amiinien luokan tai aminohappoluokan.
Kuuntelemme opiskelijoiden viestejä esittelemällä multimediaesityksiä eri happea ja typpeä sisältävien aineiden luokkien yksinkertaisimmista edustajista.
3. Opiskelijoiden esitykset.
Viesti 1.
Etanoli C2H5OH, yksiarvoinen alkoholiluokka, funktionaalinen ryhmä - atomien hydroksyyliryhmä - OH. Laadullinen reaktio - vuorovaikutus kuparioksidin (II) kanssa aldehydin muodostumisen kanssa. Kemialliset ominaisuudet (valitsemme 2 reaktiota) - palaminen ja vuorovaikutus metallien (Na) kanssa.
Viesti 2.
Propantrioli (glyseroli) C3H7 (OH) 3. Luokka - moniarvoiset alkoholit, funktionaaliset ryhmät - useita hydroksyyliryhmiä - OH. Laadullinen reaktio - vuorovaikutus kupari(II)hydroksidin kanssa. Kemialliset ominaisuudet - vuorovaikutus natriumin ja vetyhalogenidien kanssa.
Laboratoriokokemus:
Kaada noin 1 ml kupari(II)sumoraattiliuosta koeputkeen ja lisää vähän natriumhydroksidiliuosta, kunnes muodostuu sininen kupari(II)hydroksidisakka. Lisää saatuun sakkaan tipoittain glyseriiniliuos. Ravista seosta. Panemme merkille sinisen sakan muuttumisen siniseksi liuokseksi.
(glyseroli + Cu(OH)2 ----- sininen liuos)
Viesti 3.
Fenoli C6H5OH on fenoliluokan yksinkertaisin jäsen.
Funktionaalinen ryhmä on hydroksyyliryhmä –OH. Kvalitiivinen reaktio on violetin liuoksen muodostuminen vuorovaikutuksessa rauta(III)kloridin kanssa tai valkoisen sakan muodostuminen vuorovaikutuksessa bromin kanssa. Kemialliset ominaisuudet: Fenoli on heikko happo, vuorovaikutuksessa metallien (Na) kanssa alkalien (NaOH) ja bromin kanssa.
Viesti 4.
Etanoli tai asetaldehydi CH3-COH Funktionaalinen ryhmä - COH-aldehydiryhmä. Luokka - aldehydit. Laadullinen reaktio on "hopeapeili"-reaktio. Kemialliset ominaisuudet: pelkistysreaktio ja hapetusreaktio.
Laboratoriokoke: demonstraatiokoe.
Lisää muutama tippa hopeaoksidin ammoniakkiliuosta koeputkeen, joka sisältää 1 ml aldehydiä (vesiliuosta). Kuumennamme koeputken. Tarkkailemme hopean vapautumista koeputken seinillä, lasipinnasta tulee peili.
Viesti 5.
Etaanihappo CH3-COOH (etikkahappo). Luokka - karboksyylihapot. Funktionaalinen ryhmä on COOH-karboksyyliryhmä. Laadullinen reaktio - lakmusindikaattori muuttuu punaiseksi.
Kemialliset ominaisuudet: koska mikä tahansa happo vuorovaikuttaa metallien (Na), emäksisten oksidien (Na2O), alkalien (NaOH) kanssa.
Laboratoriokokemus:
Kaada hieman etikkahappoa kuivaan, puhtaaseen koeputkeen, jossa on yleisindikaattori. Merkkivalo muuttuu punaiseksi.
Viesti 6.
Glukoosi C6H12O6. Luokka - hiilihydraatit. Funktionaaliset ryhmät: 5-OH ja 1-COH, eli aldehydialkoholi. Kvalitatiiviset reaktiot: vuorovaikutus kuparihydroksidin kanssa sinisen liuoksen muodostamiseksi. "Hopeapeilin" reaktio hopean vapautumisen kanssa koeputken seinille. Kemialliset ominaisuudet: pelkistyminen heksahydriseksi alkoholiksi, hapetus glukonihapoksi, käymisreaktio.
Viesti 7.
Aniliini C6H5-NH2.
Funktionaalinen ryhmä - NH2-aminoryhmä. Luokka - amiinit. Laadullinen reaktio: vuorovaikutus bromiveden kanssa, jolloin muodostuu valkoinen sakka. Kemialliset ominaisuudet: vuorovaikutus suolahapon ja bromin kanssa.
Viesti 8.
Aminoetaanihappo NH2-CH2-COOH tai aminoetikkahappo.
Luokka - aminohapot. Funktionaaliset ryhmät: - NH2-aminoryhmä ja -COOH-karboksyyliryhmä. Kemialliset ominaisuudet: AK - amfoteeriset yhdisteet; - NH2 antaa emäksisiä ominaisuuksia, - COOH - happamia ominaisuuksia. Siksi aminohapot pystyvät yhdistymään keskenään muodostaen proteiinimolekyylejä, ja proteiini on planeettamme elämän perusta.
4. Opiskelijoiden itsemäärääminen itsetuntotasojen mukaan.
Interaktiivinen taulu: oppilaat tutustuvat oppitunnilla kehityksen itsearviointikarttaan ja merkitsevät tasonsa.
1. Osaan määrittää funktionaalisen ryhmän ja orgaanisten aineiden luokan yksinkertaisimman edustajan opettajan ja yhteenvedon avulla (6-7 pistettä).
2. Osaan määrittää funktionaalisen ryhmän, orgaanisten aineiden luokan yksinkertaisimman edustajan ilman opettajan apua ja ilman yhteenvedon apua (8-10 pistettä).
3. Osaan määrittää aineen laadulliset reaktiot ja kemialliset ominaisuudet opettajan ja muistiinpanojen avulla (11-14 pistettä).
4. Pystyn määrittämään aineen kvalitatiivisen reaktion ja kemialliset ominaisuudet ilman opettajan apua ja ilman yhteenvetoa (15-18 pistettä).
Luokka | Toiminnalliset ryhmät | Yksinkertaisin edustaja | Laadulliset reaktiot | Kemiallisia ominaisuuksia |
monatominen alkoholit | ||||
Moniarvoiset alkoholit | ||||
Fenolit | ||||
Aldehydit | ||||
karboksyylihapot | ||||
Hiilihydraatit | ||||
Amiinit | ||||
Aminohappoja |
Opiskelijat tutustutaan kriteereihin perustuvaan arviointijärjestelmään.
Kriteeri:
18-15 pistettä - "erinomainen"
pisteet - "hyvä"
10-6 pistettä - "tyydyttävä"
5 tai vähemmän - "epätyydyttävä"
5. Opiskelijoiden itsenäinen työskentely.
6. Tulosten yhteenveto kriteerilähtöisessä järjestelmässä (pistemäärän ilmoittaminen opiskelijoille).
7. Kotitehtävät: taulukon täyttäminen.
