Реферат з органічної хімії на тему
‘ Алкани як паливо. Октанове та
цетанове число’
студентки 1 курсу факультету
природничих наук
Францевої Анастасії
Природний газ і нафта являють собою, головним чином, суміші насичених вуглеводнів. Основною складовою природного газу є метан. Нафта являє собою суміш гомологів метану з числом вуглеців у ланцюзі від С1 до С30 - С40.
Іншим джерелом метану є болотний газ. В болотах і болотистих місцевостях, де частини рослин вкриті водою, целюлоза ( С6Н10О5 ) n , з якої в основному складаються рослини, зазнають анаеробного бродіння під дією мікроорганізмів з утворенням болотного газу, що піднімається на поверхню і складається головним чином з метану поряд з невеликою кількістю водню, двуокису вуглецю і азоту. Каналізаційні нечистоти утворюють при бродінні схожий газ, який в деяких містах використовувався як паливо.
Нафта залягає разом з природним газом в пустотах зернистих гірських порід у верхніх шарах земної кори, що знаходяться під тиском вищезалягаючих непроникних порід. Коли через шапку нафтоносного шару пробурюють свердловину, нафта протягом деякого часу фонтанує на поверхню, поки не знизиться тиск газу; після цього її відкачують насосами. Природний газ, який виходить із свердловини, складається в основному з метану і його найближчих газоподібних гомологів, але містить також деяку кількість розчинених вуглеводнів С5 - С7, рідких в нормальних умовах. Суміш цих вуглеводнів, відомих під назвою газового або природнього бензину, виділяють з сирого газу зрідженням під тиском, або пропускають через масляні скруббери з наступною відгонкою.
Газовий бензин складає приблизно 10% всього бензину прямої гонки. Раніше його використовували головним чином у вигляді добавки при переробці звичайного бензину для підвищення тиску його пари. Тепер газовий бензин застосовують як сировину в нафтохімічній промисловості. Залишковий газ розділяють на компоненти або транспортують газопроводами для використання в якості палива в промисловості і для побутових цілей.
Добуту нафту переробляють поблизу родовища, якщо це дозволяють місцеві умови, або перевозять її танкерами або транспортують нафтопроводами до нафтопереробних заводів. Переробка нафти полягає в її перегонці з розділом на фракції, що мають різні інтервали кипіння. Основними фракціями є:
| Т. кип., С | |
| Петролейний ефір ( С5 - С6 ) | 20 - 60 |
| Бензин ( С4 - С8 ) | 40 - 205 |
| Лігроїн ( С8 - С14 ) | 120 - 240 |
| Гас ( С10 - С16 ) | 175 - 325 |
| Газойль або дизпаливо ( С15 - С20 ) | Вище 275 |
Нарешті, перегонкою у вакуумі одержують мастила ( С18 - С22 ) і залишок, який залежно від природи нафти являє собою асфальт ( > С20 ) або мазут.
Вуглеводні нафти
Природний газ, звільнений від газового бензину зрідженням під тиском або поглинанням маслом в скрубберах, складається з метану ( головна складова частина ), етану, пропану, бутану і ізобутану; крім того він містить змінні кількості двуокису вуглецю і азоту, а іноді і гелій. Внаслідок того, що температури кипіння нижчих парафінів, а також азоту і гелію сильно відрізняються один від іншого, компоненти природного газу вдається ефективно розділяти шляхом зрідження і наступної фракційної перегонки під тиском при низькій температурі. У такий засіб були виділені у чистому вигляді:
| Т. кип., С | |
| Метан | — 162 |
| Етан | — 89 |
| Пропан | — 42 |
| Гелій | — 269 |
Стиснутий пропан застосовується як паливо, для зварки і як моторне паливо. Метан і етан перетворюють крекінгом в ацетилен і етилен.
Газовий бензин містить вуглеводні від С3 до С8 в наступних кількостях ( у % ) :
| С3 - С4 | 20 | С7 | 20 |
| С5 | 30 | С8 | 4 |
| С6 | 24 | Залишок | 2 |
Фракція С4:
Фракція С5:
Окрім аліфатичних вуглеводнів, нафта містить різні кількості циклопарафінів, відомих в нафтохімії під загальною назвою нафтени. нижче приведені деякі нафтени, виділені з нафти:
Більшість нафт містить також ароматичні вуглеводні. Співробітники Бюро стандартів виділили з бензивої фракції 19 ароматичних вуглеводнів, типові представники яких наведені нижче:
Відносний вміст вуглеводнів трьох перерахованих типів в різних сирих бензинах не є постійним, навіть якщо ці бензини одержані з одного й того ж родовища; кількість нафтенів і ароматичних вуглеводнів коливається від декількох відсотків до 40%.
Приблизна оцінка вуглеводневого складу здійснюється за аніліновою точкою, тобто за температурою, при якій досліджуваний бензин ще змішується з рівним об’ємом аніліну. Оскільки анілін C6H5NH2 є похідним бензолу, ароматичні вуглеводні розчиняють його навіть при — 30 С. Нафтени характеризуються вищими аніліновими точками ( 35 - 55 С ), а парафіни, які найсильніше відрізняються від аніліну, розчиняють його лише при 70 - 76 С.
Для характеристики складу бензину використовують також визначення густини: найвища густина властива ароматичним вуглеводням ( бензол - 0,89 ), а найменшу густину мають нормальні парафіни ( н-гексан - 0,66 ); циклічні вуглеводні посідають проміжне положення ( густина циклогексану 0,78 ). Ще один з методів аналізу грунтується на тому, що ароматичні вуглеводні можна доволі легко відділити від парафінів і нафтенів адсорбцією. Згідно іншого методу, склад ароматичних вуглеводнів визначають за їх здатністю поглинання сірчаною кислотою:
P2O5
С6Н6 + H2SO4 —-- C6H5SO3H + H2O а кількість парафінів і нафтенів визначають в залишку за величиною густини і коефіцієнта заломлення.
Окиснення вуглеводнів
Взаємодія вуглеводнів з киснем супроводжується виділенням енергії. Цей процес є основою використання бензину в якості палива для двигунів внутрішнього згряння. Кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 моль речовини ( табл. 1 ) зростає із збільшенням розмірів молекули, і в наведеному ряді сполук середнє збільшення складає 156 ккал на кожну групу СН2. Кількість тепла, віднесена до 1 г речовини, дозволяє порівняти ефективність рівних мас палива. Метан має найбільшу теплоту згоряння у розрахунку на 1 г речовини, а далі відповідні величини зменшуються спочатку доволі різко, а потім, починаючи з вуглеводню С8, стають майже постійними. Це відношення узгоджується з вмістом водню, який також є найбільшим у метану, і потім знижується по суті до постійної величини. Поясненням цього явища є те, що теплота згоряння водню складає 33,9 ккал/г, тоді як для вуглецю ця величина дорівнює тільки 8,08 ккал/г.
Таблиця 1
Теплоти згоряння алканів
| Назва | Формула | Теплота згоряння | Вміст водню | ||
| ккал/моль | ккал/г | ккал/мл | % | ||
| Метан | СН4 | 212,8 | 13,3 | 5,6 | 25,1 |
| Етан | С2Н6 | 372,8 | 12,4 | 6,7 | 20,1 |
| Пропан | С3Н8 | 530,6 | 12,2 | 6,9 | 18,3 |
| Ізобутан | С4Н10 | 688,0 | 11,9 | 6,8 | 17,3 |
| н-Пентан | С5Н12 | 845,2 | 11,6 | 7,3 | 16,8 |
| н-Гексан | С6Н14 | 995,0 | 11,6 | 7,6 | 16,4 |
| н-Гептан | С7Н16 | 1151,3 | 11,5 | 7,8 | 16,1 |
| н-Октан | С8Н18 | 1307,5 | 11,5 | 8,0 | 15,9 |
| н-Декан | С10Н22 | 1620,1 | 11,4 | 8,3 | 15,6 |
| н-Гексадекан | С16Н34 | 2559 | 11,3 | 8,8 | 15,1 |
| н-Ейзокан | С20Н42 | 3183 | 11,3 | 8,8 | 15,0 |
Таким чином, вуглеводні з більш високим вмістом водню мають певну перевагу. Якби мала значення тільки маса даного палива, рідкий метан або етан були б більш ефективними видами палива, ніж вищі вуглеводні. Однак ємність резервуара для палива є звичайно важливішим обмежуючим фактором, ніж маса, а речовинам з низькою молекулярною вагою властива мала густина, і вони займають більший об’єм. З величин теплот згоряння, розрахованих на 1 мл палива ( п’ятий стовпчик ), видно, що підвищена густина вищих членів гомологічного ряду цілком компенсує дещо понижену теплоутворюючу здатність, розраховану на одиницю маси. При згорянні 1 мл вищих вуглеводнів, що містять від 16 до 20 атомів вуглецю, виділяється на 57% більше тепла, ніж при згорянні 1 мл метану. Цистерна для палива, без сумнівів, буде містити більший запас палива, якщо в неї вмістити вищі вуглеводні, а не нижчі члени ряду. Слід, проте, підбирати оптимальні співвідношення між кількістю палива і його здатністю до займання.
Циклоалкани киплять на 10 -20 С вище нормальних алканів з тим же вмістом вуглецю і трохи більшою молекулярною вагою. Найсуттєвішою відмінністю в фізичних властивостях циклічних і аліциклічних алканів є те, що густина перших приблизно на 20% вища. Теплота згоряння, розрахована на одиницю маси, дещо нижча для циклогексана, ніж для н-гексана, вона дорівнює 939 ккал/моль, або 11,2 ккал/г. Проте завдяки значно більшій густині циклогексана теплота його згоряння, розрахована на одиницю об’єму ( 8,7 ккал/мл ), значно вище відповідної величини ( 7,6 ккал/мл ) для нормальних вуглеводнів.
МОТОРНЕ ПАЛИВО
Детонація моторного палива і октанове число
Стукіт у циліндрах, який чути під час експлуатації автомобільного двигуна, що працює в напруженому режимі, є ознакою того, що порушені умови ефективної роботи на даному бензині. Під час руху поршню вниз суміш повітря з парою і краплинами бензину всмоктується з карбюратора в циліндр, а під час руху поршню вверх суміш стискається; відношення первинного об’єму до кінцевого наз. степенем стиснення. Наприкінці верхнього руху поршню іскра з системи запалювання запалює стиснуту бензино-повітряну суміш у безпосередній близькості до запальної свічки. Після цього при нормальній роботі двигуна розширення газів і рух фронту полум’я через решту паливної суміші відбувається спокійно і з звичайною швидкістю, що викликає потужний стрижневий тиск, який передається поршнем на колінчастий вал. Проте, якщо двигун працює з перенавантаженням, то більша частина паливної суміші, згоряючи як і звичайно, стискає кінцевий газ ( тобто газ, найвіддаленіший від точки запалювання ) і викликає в ньому передполум’яну реакцію, яка знижує його температуру займання. В результаті цього кінцевий газ безладно вибухає перед фронтом полум’я, і чути звук удару. Детонація відбувається тим сильніше, чим вище степінь стиснення, але із збільшенням степеню стинення зростає також потужність двигуна і зменшується витрата палива. Тому вдосконалення ефективних двигунів, що працюють при високих степенях стиснення, залежало від детонаційних властивостей даних бензинів.