13.2. Нафта і вуглеводні

 Одним із найважливіших джерел органічних сполук є нафта (сира нафта). Нафта, яку добувають бурінням у місцях її родовищ, є в'язкою темнозабарвленою рідиною, що здебільшого складається із суміші вуглеводнів (сполук Карбону з Гідрогеном, див. підрозд. 7.2). Величезні її кількості, що становлять близько мільярда тонн, видобувають і споживають щороку. Багато нафти спалюють, тобто безпосередньо використовують як паливо, але багато її розділяють на фракції або перетворюють на інші продукти.

З нафти можна одержати дуже цінні продукти шляхом її перегонки, яку називають процесом первинної перегонки нафти. У підрозд. 7.2 вже зазначалося, що петролейний етер, який одержують саме так, є леткою сумішшю пентану, гексану і гептану (C₅H₁₂—C₇H₁₆), що її використовують як розчинник і засіб для сухого чищення одягу; бензин, який є сумішшю вуглеводнів від гептану до нонану (C₇H₁₆—C₉H₂₀), використовують як паливо для двигунів внутрішнього згоряння; гас — суміш вуглеводнів від декану до гексадекану (C₁₀H₂₂—C₁₆H₃₄) — застосовують як пальне; важке нафтове паливо є сумішшю ще важчих молекул вуглеводнів.

Після відгону легких фракцій залишається чорна густа речовина, яку називають нафтовим асфальтом. Його застосовують у дорожньому будівництві, для просочування м'яких покрівельних матеріалів, для стабілізації пухких ґрунтів, а також як зв'язувальну речовину під час виробництва паливних брикетів з вугільного пилу. Поклади аналогічного матеріалу, який називають бітумом або природним асфальтом, відкрито на Трінідаді, у США (у штатах Техас і Оклахома) та в інших районах земної кулі, де, мабуть, вони утворилися внаслідок повільної дистиляції покладів нафти.

Вважають, що нафта, так само як і кам'яне вугілля, є продуктом розпаду решток рослин, які росли на Землі близько 250 млн років тому.

У міру зростання попиту на бензин дедалі інтенсивніше розробляли технологічні процеси, що забезпечують підвищений вихід бензину під час переробки нафти. Простий крекінг-процес ґрунтується на використанні високої температури для розривання великих молекул на менші: так, молекулу C₁₂H₂₆ можна розірвати на молекулу C₆H₁₄ (гексан) і молекулу C₆H₁₂ (гексен), що має один подвійний зв'язок. Нині в нафтовій промисловості застосовують низку досить складних схем крекінг-процесу. Деякі з них передбачають нагрівання рідкої нафти під тиском приблизно 50 атм до температури близько 500 °C із застосуванням каталізатора, наприклад такого, як алюміній хлорид AlCl₃. Інші методи ґрунтуються на нагріванні парів нафти з каталізатором, за який править глина, що містить певну кількість цирконій(IV) оксиду.

Одержання бензину з легких вуглеводнів, що містять подвійні зв'язки, може ґрунтуватися на полімеризації. Дві молекули етилену C₂H₄, наприклад, можуть реагувати між собою з утворенням однієї молекули бутилену C₄H₈ (структурна формула CH₃—CH=CH—CH₃).

Певну кількість бензину виробляють також гідрогенізацією (приєднанням водню) нафти й кам'яного вугілля. З цієї важливої вихідної сировини у великих кількостях одержують безліч найрізноманітніших органічних сполук.

Будову й властивості етилену — речовини, молекули якої містять подвійний зв'язок, — було розглянуто в підрозд. 7.2. Деякі важливі природні продукти є вуглеводнями з кількома подвійними зв'язками. Так, речовина, що надає помідорам червоного кольору і зветься лікопіном, є ненасиченим вуглеводнем C₄₀H₅₆, структуру якого наведено на рис. 13.1.

Молекула цієї речовини має тринадцять подвійних зв'язків. Неважко помітити, що одинадцять із цих подвійних зв'язків розподілено в молекулі цілком певним чином — вони розташовані почергово з одинарними зв'язками. Правильне чергування подвійних і одинарних зв'язків у ланцюзі молекули вуглеводню називається спряженою системою подвійних зв'язків. Якщо молекула має таку будову, то вона має особливі властивості, наприклад здатність поглинати видиме світло, завдяки чому ця речовина набуває певного забарвлення. 

Рис. 13.1. Структурні формули лікопіну і каучуку. 

Інші ізомери лікопіну, яким також властиве жовте й червоне забарвлення, мають ту саму загальну формулу C₄₀H₅₆; їх називають α-каротином, β-каротином тощо. Речовини такого роду містяться у вершковому маслі, молоці, зеленому листі рослин, яйцях, жирах, які добувають із печінки тріски й палтуса, у моркві, помідорах та інших овочах і фруктах. Ці речовини відіграють важливу роль, оскільки в організмі людини з них виробляється вітамін A (див. розд. 14).

Існує безліч важливих речовин, у молекулах яких є два або більше кілець з атомів; такі сполуки називають поліциклічними; як приклади поліциклічних ароматичних вуглеводнів (багатоядерних) можуть правити нафталін, антрацен і фенантрен (підрозд. 7.3). Один з таких поліциклічних аліфатичних вуглеводнів — пінен C₁₀H₁₆ — основна складова частина скипидару. Скипидар одержують перегонкою смоли хвойних дерев. Молекула пінену має таку структурну формулу:

Іншою цікавою поліциклічною речовиною є камфора, яку одержують під час перегонки з водяною парою деревини камфорного дерева або синтетичним шляхом із пінену методом, розробленим в останні роки. Молекула камфори має майже сферичну форму, це своєрідна «клітинна» молекула. (Формулу наведено на стор. 359.)

Камфора містить один атом Оксигену; її формула C₁₀H₁₆O. Якщо в молекулі камфори атом Оксигену замінити двома атомами Гідрогену, то вийде вуглеводень, званий камфаном. Камфору застосовують у медицині та використовують під час виробництва пластмас. Звичайний целулоїд складається з нітроцелюлози, пластифікованої камфорою.

Натуральний каучук — органічна речовина, яку одержують головним чином із молочного соку каучукового дерева Hevea brasiliensis. Каучук складається з дуже довгих молекул, які є полімерами ізо-прену C₅H₈, що має таку структуру:

Фрагмент полімерної молекули каучуку, що утворюється в рослинах, показано на рис. 13.1.

Характерні властивості каучуку визначаються тим, що він складається з агрегатів дуже довгих молекул, які безладно переплітаються між собою. Будова великих полімерних молекул каучуку визначає їхню тенденцію до безладного (некристалічного) розташування і, отже, ускладнює кристалізацію.

Слід зазначити, що молекула каучуку містить велике число подвійних зв'язків — по одному на кожну ланку C₅H₈. У природному каучуку молекули мають цис-конфігурацію щодо подвійних зв'язків (як показано в структурній формулі на рис. 13.1). Гутаперча — аналогічний продукт рослинного походження, що не має, проте, еластичності каучуку, складається з таких самих молекул, але ці молекули мають транс-конфігурацію щодо подвійних зв'язків. Така конфігурація молекул гутаперчі дає їм змогу кристалізуватися значно легше, ніж молекулам каучуку.

Молекули звичайного, невулканізованого каучуку слабко зв'язані між собою й легко відокремлюються одна від одної, внаслідок чого каучук прилипає до будь-якого матеріалу, з яким він стикається. Липкість усувають процесом вулканізації — нагрівання каучуку із сіркою. У результаті цього процесу молекули сірки S₈ приєднуються за подвійними зв'язками молекул каучуку, утворюючи місточки з ланцюгів сірки між сусідніми молекулами каучуку. Такі місточки із сірки зв'язують агрегати молекул каучуку в єдине ціле, створюючи молекулярну ґратку, що простягається на весь шматок каучуку. У результаті вулканізації з невеликою кількістю сірки утворюється м'який продукт, званий гумою, який використовують під час виробництва гумових ниток або автомобільних шин (в останньому випадку вводять наповнювач у вигляді сажі або цинк оксиду). Значно твердіший матеріал, званий ебонітом, утворюється в тому разі, якщо під час вулканізації використовують більшу кількість сірки.  

Матеріали, об'єднані спільною назвою синтетичні каучуки, насправді не є синтетичним каучуком, оскільки вони не ідентичні природному продукту. Такі матеріали є радше замінниками каучуку, бо мають властивості й структуру, аналогічні, але не ідентичні властивостям і структурі природного каучуку. Так, хлоропрен C₄H₅Cl, що має структуру

схожий на ізопрен і відрізняється від нього тим, що замість метильної групи має атом Хлору. Хлоропрен полімеризується в каучукоподібний продукт, званий хлоропреновим каучуком. Цей та інші синтетичні каучуки знайшли широке застосування і для деяких цілей кращі за природний каучук.