PRERADA NAFTE I GASA

UVOD Postoje dva mišljenja o poreklu nafte i prirodnog gasa- prema prvom da su oni neorganskog, a prema drugom organskog porekla. Prema savremenim shvatanjima nafta i prirodni gas su organskog porekla. Nastanak nafte i gasa prema ovom shvatanju tumači se na sledeći način: pre više miliona godina došlo je do raspadanja ostataka biljaka i životinja, pri čemu je nastao organski materijal. Pod dejstvom pritiska i temperature ovaj organski materijal, koji se nalazio ispod stena, pretvorio se u tz. fosilna goriva (ugalj, naftu i prirodni gas). Uglavnom na dubinama od 1 do 6 km (na temperaturama od 60 do 150oC) formirala se nafta, a na većim dubinama i višoj temperaturi prirodni gas. Pošto nafta i gas nastaju istim geološkim procesom (anaerobnim raspadanjem organskih materija duboko ispod zemljine površine) to se oni često nalaze zajedno. Kada se prirodni gas i nafta nalaze zajedno, takav prirodni gas se naziva prateći (prati nalazište nafte) i on može tada da bude ili rastvoren u nafti, ili slobodan. Pored prirodnog gas koji se nalazi kao prateći gas u nalazištima nafte prirodni gas može da ima i sopstvena nalazišta. Postoji i treći izvor prirodnog gasa, a to su nalazišta gasnih kondenzata, u kojima su zajedno sa prirodnim gasom prisutni i tečni ugljovodonici male gustine. Nafta je zapaljiva uljasta tečnost sa specifičnim mirisom, koja može da ima različite boje (od žute do mrke) u zavisnosti od sastava. Gustina nafte je obično manja od 1 g/cm3. Nafta se rastvara u organskim rastvaračima, a ne rastvara se u vodi. Hemijski sastav nafte zavisi od mesta njenog nalaženja i veoma je složen-nafta je smeša oko 1000 različitih individualnih supstanci. Osnovne vrste supstanci koje ulaze u sastav nafte su:1. Ugljovodonici (organska jedinjenja C i H)2.Heteroatomska organska jedinjenja - jedinjenja u čiji sastav ulaze, pored C i H, i drugi elemenati i to: S, N i O. 3. Metaloorganska ili organometalna jedinjnja -organska jedinjanja u čiji sastav ulaze i metali (najčešće V i Ni);4. Voda5. Mineralne soli6. Soli organskih kiselina7. Mehaničke primese (pesak, krečnjak i glina).

Srednji sadržaj elemenata u nafti iznos i (u mas. %):C 82-87 Ni 10-4 – 10-3 H 11-14,5 V 10-5 – 10-2

O 0,005-0,35 Cl u tragovima –2.10-2

S 0,01-6 N 0,001-1,8

Prirodni gas je zapaljiva smeša ugljovodonika, različitog sastasva. Osnovni sastojci prirodnog gasa su: zasićeni ugljovodonici (metan, etan, propan, butan i dr.). Pored njih u prirodnom gasu mogu da se nalaze i : H2S, CO2, N2, He, Ar, Hg, organska jedinjenja sumpora(CH3SH-metantiol i C2H5SH-etantiol). U prirodnom gasu su prisutne i nečistoće: čvrste (pesak) i tečne (nafta, voda). U dole navedenoj tabeli prikazan je sastav prirodnog gasa: Tabela 1. Sastav prirodnog gasa

Komnponenta Mas. %Metan (CH4) 70-90Etan (C2H6) 5-15Propan (C3H8) i butan (C4H10) < 5CO2, N2, H2S i dr. U malim količinama

Sirova nafta se prerađuje u fabrikama koje se nazivaju rafinerije. U njima se vrši primarna prerada nafte (destilacija pri atmosferskom pritisku i vakuum destilacija) i sekundarna prerada nafte (krekovanje i reformovanje). Pri primarnoj preradi nafte nastaju različiti proizvodi, kao što su: rafinerijski gas, benzin, petroleum, dizel ulje, različita ulja za podmazivanje, asfalt i dr. Sekundarnom preradom nafte povećava se količina benzina na račun drugih frakcija nafte, a takođe se poboljšava i kvalitet benzina. Sirovi prirodni gas izdvojen iz ležišta se preradjuje u fabrikama za preradu gasa kako bi se dobio prirodni gas koji se koristi kao gorivo i koji predstavlja skoro čist metan. U tom cilju primenjuju se različiti postupci pri kojima se iz sirovog prirodnog gasa izdvajaju ostale (pored metana) prisutne komponente (etan , propan, butan, pentan, CO2, H2S, N2, He, tioli, voda, Hg). Nafta i prirodni gas se koriste kao izvori energije (goriva), ali i kao sirovine za petrohemiju (grana hemijske industrije koja se bavi dobijanjem raznih hemijskih supstanci polazeći od nafte i prirodnog gasa kao osnovnih sirovina). Prirodni gas gori mnogo „čistije“ od drugih fosilnih goriva (nafte i uglja). Posle njegovog sagorevanja ne ostaje pepeo. Medjutim, kao i pri sagorevanju bilo kog fosilnog goriva, sagorevanjem prirodnog gasa obrazuje se CO2, koji predstavlja osnovni gas „staklene bašte“, čije je glavno dejstvo zagrevanje Zemlje i promena klime na Zemlji. Kada se proizvodi dobijeni iz nafte (benzin i dr.) upotrebe kao goriva pri njihovom saagorevanju, pored CO2, obrazuju se i gasovi koji su zagađivači vazduha, kao što su : CO, oksidi azota, oksidi sumpora, nesagoreli ugljovodonici i dr.. U sastav nafte ulaze praktično organska jedinjenja, odnosno mali je broj i količina neorganskih jedinjenja prisutnih u nafti. U sastav gasa neorganska jedinjenja takođe ulaze u malim količinama. Otuda je hemija nafte i gasa vezana za posebnu oblast hemije - organsku hemiju.

ORGANSKA HEMIJA

UVOD- kratak istorijski razvoj organske hemije, - specifičnosti i brojnost organskih jedinjenja, - izvori organskih jedinjenja, -valentnost C atoma i hemijske veze u organskim jedinjenjima- formule za prikazivanje sastava molekula organskih jedinjenja- izomerija-nomenklatura-klasifikacija-podela organskih jedinjenja.

Kratak istorijski razvoj organske hemije

Početkom XIX veka organska hemija se izdvojila kao samostalna nauka. Naime, Švedski naučnik J. Bercelijus je 1807 g. predložio da se supstance koje su izdvojene iz „žive prirode“- biljaka i životinja nazovu organskim, a nauka koja se bavi njihovim izučavanjem organskom hemijom. U to vreme smatralo se, zahvaljujući shvatanju Bercelijusa, da organska jedinjenja mogu da se stvaraju samo u živim organizmima i to pod dejstvom „životne sile“ (tz. „vitalistička teorija“, jer se na latinskom životna sila kaže vis vitalis), a da ona ne mogu da budu sintetizovana, tj. dobijena veštačkim putem u hemijskim laboratorijama. Medjutim, sinteza supstanci, koje su ranije samo izdvajane iz živih organizama, opovrgla je „vitalističku teoriju“. Tako je nemački naučnik F. Veler 1828. g. iz neorganske supstance amonijum cijanata dobio u laboratoriji organsku supstancu karbamid (ureu). Nemački naučnik H. Kolbe sintetizovao je sirćetnu kiselinu 1842. godine, a francuski naučnik M. Bertlo sintetizovao je masti 1854. g.. Danas je poznato da se mnoge organske supstance i ne nalaze u živim organizmima, već se dobijaju isključivo sintezom-veštačkim putem (mnogobrojne plastične mase, boje, lekovi i dr.) i da organska jedinjenja, bez obzira na poreklo, predstavljaju jedinjenja ugljenika koja se karakterišu određenim specifičnim osobinama, drugačijim od osobina neorganskih jedinjenja. Savremena definicija organske hemije je da je to nauka koja izučava jedinjenja ugljenika sa drugim elementima (organska jedinjenja), sa izuzetkom malog broja njegovih jedinjenja, koja pripadaju grupi neorganskih jedinjenja (ugljen-dioksid, ugljena kiselina, karbonati, cijanovodonična kiselina, metalni karbidi).

Specifičnosti i brojnost organskih jedinjenja Organska jedinjenja imaju svoje specifičnosti: - u sastav organskih jedinjenja (koja su inače vrlo brojna) ulazi mali broj elemenata (uvek C i H, a pored njih samo mali broj drugih elemenata :O, S, N, P), - pojava izomerije, - u veoma velikom broju organskih jedinjenja hemijska veza između atoma u molekulu ima izražen kovalentni karakter,- temperature topljenja organskih jedinjenja nisu visoke,-brzine hemijskih reakcija u kojima učestvuju organska jedinjenja su dosta male.

Postojanje veoma velikog broja organskih jedinjenja (preko 10 miliona, za razliku od neorganskih kojih ima svega oko 1 milion) posledica je:- jedinstvene sposobnosti C atoma da se jedine jedni sa drugima (međusobno) jednostrukim i višestrukim vezama formirajući pri tome otvorene lance i prstenove različitih veličina, - sposobnosti atoma C da obrazuje čvrste veze sa drugim elementima,-pojave izomerije. Izvori organskih jedinjenja Organska jedinjenja se dobijaju različitim postupcima iz prirodnih i industrijskih sirovina, pri mnogobrojnim industrijskim procesima, kao i pri sintezama u hemijskim laboratorijama. Najznačajniji prirodni izvori-sirovine organskih jedinjenja su: biljke i životinje,nafta, prirodni gas i različiti ugljevi.

Valentnost C atoma i hemijske veze u organskim jedinjenjima

U organskim jedinjenjima atomi C su četvorovalentni, tj. grade 4 kovalentne hemijske veze sa susednim atomima. Veza koju atomi C grade sa drugim atomima C je nepolarna, a veza koju C atomi grade sa atomima drugih elemenata (H, O, N, S) je polarna. Svaki atom C u molekulima organskih jedinjenja gradi 4 kovalentne veze preko tz. „hibridnih“ orbitala (HO), ili preko hibridnih i „običnih „ atomskih orbitala (AO). Pri građenju hemijske veze sa drugim atomima atom C se „pobuđuje“. Elektronska konfiguracija nepobuđenog atoma C glasi: 1s2 2s2

Elektronska konfiguracija „pobuđenog“ atoma C glasi: 1s2 2s1 2p3. U „pobuđenom“ stanju atom C ima 4 nesparena elektrona i može da gradi 4 veze sa susednim atomima.U takvom atomu dolazi do hibridizacije atomskih orbitala, pri čemu nastaj 2, 3 ili 4 hibridne orbitale(2 sp-, 3 sp2-, ili 4 sp3-hibridne orbitale), koje su jednake u pogledu energije i oblika i koje grade σ-veze. Atomi C u organskim jedinjenjima mogu da budu povezani međusobno prostom ili jednostrukom vezom (σ-vezom), dvostrukom ili dvogubom vezom (sastoji se od 1 σ i 1 π veze) i trostrukom ili trogubom vezom (sastoji se od 1 σ i 2π veze): σ+2π

σ σ│ σ σ│ σ σ σ+π σ σ __ σ

― C ― C ― – C = C – – C = C – σ│ σ│ σ½ σ ½ I II III

U I slučaju atomi C koriste 4 sp3 hibridne orbitale za gradjenje 4 σ hemijske veze; u drugom slučaju atomi C koriste 3 sp2 hibridne orbitale za građenje 3 σ veze i 1 p atomsku orbitalu za građenje 1 π veze i u III slučaju atomi C koriste 2 sp hibridne orbitale za građenje 2 σ veze i 2 p atomsku orbitalu za građenje 2 π veze. Karakteristike veza između atoma C: jednostruke, dvostruke i trostruke date su u tabeli 2.

Tabela 2

______________________________________________________________________ Veza Dužina veze u nm Energija veze u KJ/mol________________________________________________________________________ C ― C 0,154 347 C =C 0,134 618 ―

C = C 0,121 812________________________________________________________________________

Formule za prikazivanje sastava molekula organskih jedinjenja Za prikazivanje sastava organskih jedinjenja koriste se sledeći oblici formula: 1. Molekulske ili bruto formule (C2H6- etan). H H ·· ··

2. Elektronske formule ( H·· C ·· C ··H -etan) ·· ·· . H H

H H │ │

3.Strukturne formule (H―C ― C ―H -etan) │ │ H H

4. Racionalne (ili skraćene strukturne) formule (CH3―CH3 -etan). Izomerija Izomerija je pojava da više organskih jedinjenja ima isti kvantitativan i kvalitativan sastav, tj. istu molekulsku formulu i istu molsku masu, a različite osobine. Ova pojava je izazvana različitim rasporedom i načinom vezivanja atoma u molekulima. Postoje 2 osnovna oblika izomerije i to su strukturna i prostorna ili stereoizomerija.

I) Vrste strukturne izomerije su: 1. Skeletna izomerija u koju spadaju izomerija lanca ili niza i izomerija prstena.2. Izomerija položaja, ili položajna izomerija.3. Izomerija funkcionalnih grupa, ili funkcionalna izomerija.

II) Vrste prostorna izomerije su: 1. Optička izomerija2. Geometrijska izomerija u koju ubrajamo Z/E izomeriju i cis-trans izomeriju.

Nomenklatura (nazivi) organskih jedinjenja Za nazive organskih jedinjenja koriste se:

I) Univerzalna sistematska nomenklatura koja se bazira na pravilima koje je uveo Međunarodni Savez za čistu i primenjenu hemiju. Ova nomenklatura je najbolja i često se naziva IUPAC-nomenklatura (na osnovu početnih slova iz naziva na engleskom International Union of Pure and Applied Chemistry).

II) Stari ili raniji nazivi, koji su se zadržali od ranije, koji nisu univerzalni, ali se često koriste i danas (tu spadaju tz. trivijalna imena nastala prema izvoru dobijanja jedinjenja, kao na primer: mravlja kiselina, sirćetna kiselina; zatim nazivi vezani za funkcionalnu grupu jedinjenja, kao na primer: etilalkohol, dietilamin; a takodje i još neki drugi nazivi).

Klasifikacija-podela organskih jedinjenja

Postji više podela organskih jedinjnja:

I) Prema strukturi ugljeničnog skeleta 1. Aciklična ili alifatična sa otvorenim nizom C-atoma2. Ciklična sa zatvorenim nizovima C-atoma (prestenovima).

II) Prema funkcionalnim grupama (funkcionalna grupa su atomi ili grupe atoma koji odredjuju hemijsko ponašanje organskog jedinjenja):

Funkcionalna grupa- alkani - --alkeni –C =C– alkenska ½ ½

―

- alkini –C = C– alkinaska

-alkoholi -O-H hidroksidna

-tioli -S-H tiolna

- kiseline ―C=O karboksilna ½ OH

-estri ―C=O estarska ½ OR

-aldehidi ―C=O aldehidna ½ H-ketoni ―C=O keto ½ -etri ―O― etarska

- amini ―NH2 amino

-nitro jedinjenja ―NO2 nitro │-metaloorganska ─C─M(metal) jedinjenja │

Sva organska jedinjenja sadrže atome C i H, ali u njihov sastav, pored ovih atoma, mogu da ulaze još: N, S, O, P, kao i atomi nekih metala.Jedinjenja koja sadrže samo atome C i H nazivaju se ugljovodonici i njih ima više vrsta (alkani, alkeni, alkini, cikloparafoni, aromatični). Najvažnije klase jedinjenja koje sadrže pored atoma C i H i atome O su: etri, alkoholi, fenoli, kiseline, estri, aldehidi, ketoni, Klase jedinjenja koje pored C i H sadrže i N su: nitro jedinjenja, amini, amino kiseline. Klase jedinjenja koje pored C i H sadrže i S su: tioli, tioetri, organski disulfidi.

Zadaci za vežbu:

1. Na osnovu analize nekog jedinjenja utvrđeno je:

-da se u njemu sadrži: 85,7 % C i 14,3 % H,-da je njegova relativna molekulska masa 70. Na osnovu ovih podataka odrediti molekulsku formulu ovog jedinjenja.

2. Koja su od dole navedenih jedinjenja izomeri i kako glasi njihova molekulska formula: C2H5

│

a) CH3―CH―CH b) CH3―CH―CH-C2H5

│ │ │ │

CH3 C2H5 CH3 CH3

c)CH3―CH2―CH― CH2― CH3

│ CH3―CH― CH3

3. Napisati molekulsku i racionalnu formulu jedinjenja čija je strukturna formula:

H H H H H H │ │ │ │ │ │H─C─C─C─C─O─C─C─H │ │ │ │ │ │ H H H H H H

4. Napisati molekulsku i strukturnu formulu jedinjenja čija je racionalna formula:

H2C=C─CH3 │ CH3

5. Napisati strukturne formule jedinjenja čije su racionalne formule:

a) CH3―CH(CH3)2 b) CH3―(CH2)3―CH3 c) (CH3)4C