Органичните вещества заемат важно място в живота ни. Те са основният компонент на полимерите, които ни заобикалят навсякъде: това са найлонови торбички и гума, както и много други материали. Полипропиленът не е последната стъпка в тази серия. Също така се намира в различни материали и се използва в редица индустрии като строителство, домашна употреба като материал за пластмасови чаши и други малки (но не и промишлени) нужди. Преди да говорим за такъв процес като хидратирането на пропилена (благодарение на който, между другото, можем да получим изопропилов алкохол), нека се обърнем към историята на откриването на това вещество, необходимо за индустрията.
История
Като такъв, пропиленът няма дата на отваряне. Неговият полимер обаче – полипропиленът – всъщност е открит през 1936 г. от известния немски химик Ото Байер. Разбира се, теоретично беше известно как може да се получи такъв важен материал, но не беше възможно да се направи това на практика. Това е възможно едва в средата на двадесети век, когато немските и италианските химици Зиглер и Нат откриват катализатор за полимеризация на ненаситени въглеводороди (имащи една или повече множествени връзки), коитопо-късно те го нарекоха катализаторът на Ziegler-Natta. До този момент беше абсолютно невъзможно да протече реакцията на полимеризация на такива вещества. Известни са реакции на поликондензация, когато без действието на катализатор веществата се комбинират в полимерна верига, образувайки странични продукти. Но не беше възможно да се направи това с ненаситени въглеводороди.
Друг важен процес, свързан с това вещество, е неговата хидратация. Пропиленът в годините на началото на употребата му беше доста. И всичко това се дължи на методите за възстановяване на пропен, изобретени от различни компании за преработка на нефт и газ (това понякога се нарича още описаното вещество). Когато нефтът е бил напукан, той е страничен продукт и когато се оказва, че неговото производно, изопропиловият алкохол, е в основата на синтеза на много полезни за човечеството вещества, много компании, като BASF, патентоват метода си за производството му. и започна масова търговия с това съединение. Пропиленовата хидратация беше изпробвана и приложена преди полимеризацията, поради което ацетон, водороден прекис, изопропиламин започнаха да се произвеждат преди полипропилена.
Процесът на отделяне на пропен от маслото е много интересен. Към него се обръщаме сега.
Разделяне на пропилен
Всъщност, в теоретичния смисъл основният метод е само един процес: пиролизата на нефт и свързаните газове. Но технологичните реализации са просто море. Факт е, че всяка компания се стреми да получи уникален начин и да го защити.патент, а други подобни компании също търсят свои собствени начини да произвеждат и продават пропен като суровина или да го превръщат в различни продукти.
Пиролизата ("pyro" - огън, "lysis" - разрушаване) е химичен процес на разбиване на сложна и голяма молекула на по-малки под въздействието на висока температура и катализатор. Нефтът, както знаете, е смес от въглеводороди и се състои от леки, средни и тежки фракции. От първите, с най-ниско молекулно тегло, пропенът и етанът се получават по време на пиролиза. Този процес се извършва в специални пещи. За най-напредналите производствени компании този процес е технологично различен: някои използват пясък като топлоносител, други използват кварц, трети използват кокс; можете също да разделите пещите според тяхната структура: има тръбни и конвенционални, както се наричат, реактори.
Но процесът на пиролиза прави възможно получаването на недостатъчно чист пропен, тъй като освен него там се образуват огромен брой въглеводороди, които след това трябва да се отделят по доста енергоемки начини. Следователно, за да се получи по-чисто вещество за последваща хидратация, се използва и дехидрогениране на алкани: в нашия случай пропан. Точно като полимеризацията, горният процес не се случва просто така. Разделянето на водорода от молекула на наситен въглеводород става под действието на катализатори: тривалентен хромов оксид и алуминиев оксид.
Е, преди да преминем към историята за това как протича процесът на хидратация, нека се обърнем към структурата на нашия ненаситен въглеводород.
Характеристики на структурата на пропилена
Самият пропен е само вторият член от серията алкени (въглеводороди с една двойна връзка). По лекота той е на второ място след етилена (от който, както се досещате, се прави полиетилен - най-масивният полимер в света). В нормалното си състояние пропенът е газ, подобно на неговия "роднина" от семейството на алканите, пропан.
Но съществената разлика между пропан и пропен е, че последният има двойна връзка в състава си, което коренно променя химичните му свойства. Позволява ви да прикрепите други вещества към ненаситена въглеводородна молекула, което води до съединения с напълно различни свойства, често много важни за индустрията и ежедневния живот.
Време е да поговорим за теорията на реакциите, която всъщност е предмет на тази статия. В следващия раздел ще научите, че хидратирането на пропилена произвежда един от най-важните в промишлеността продукти, както и как протича тази реакция и какви са нюансите в нея.
Теория на хидратацията
Първо, нека се обърнем към по-общ процес - солватация - който също включва реакцията, описана по-горе. Това е химическа трансформация, която се състои в добавяне на молекули на разтворителя към молекулите на разтвореното вещество. В същото време те могат да образуват нови молекули или така наречените солвати, частици, състоящи се от молекули на разтворено вещество и разтворител, свързани чрез електростатично взаимодействие. Ние се интересуваме самопървия вид вещества, тъй като при хидратацията на пропилена се образува предимно такъв продукт.
При солватиране по описания по-горе начин, молекулите на разтворителя са прикрепени към разтвореното вещество, получава се ново съединение. В органичната химия хидратацията образува предимно алкохоли, кетони и алдехиди, но има няколко други случая, като образуването на гликоли, но ние няма да ги засягаме. Всъщност този процес е много прост, но в същото време доста сложен.
Механизъм за хидратация
Двойната връзка, както знаете, се състои от два вида свързване на атоми: пи- и сигма-връзки. Пи-връзката винаги първа се прекъсва по време на реакцията на хидратация, тъй като е по-малко силна (има по-ниска енергия на свързване). Когато се счупи, се образуват две свободни орбитали при два съседни въглеродни атома, които могат да образуват нови връзки. Водна молекула, която съществува в разтвор под формата на две частици: хидроксиден йон и протон, е способна да се съединява по протежение на скъсана двойна връзка. В този случай хидроксидният йон е прикрепен към централния въглероден атом, а протонът - към втория, краен. Така по време на хидратацията на пропилена се образува предимно пропанол 1 или изопропилов алкохол. Това е много важно вещество, тъй като при окисляване може да се получи ацетон, който се използва широко в нашия свят. Казахме, че се формира предимно, но това не е съвсем вярно. Трябва да кажа това: единственият продукт, образуван по време на хидратацията на пропилена, и това е изопропилов алкохол.
Това са, разбира се, всички тънкости. Всъщност всичко може да се опише много по-лесно. И сега ще разберем как такъв процес като хидратация на пропилен се записва в училищния курс.
Реакция: как се случва
В химията всичко обикновено се обозначава просто: с помощта на уравнения на реакциите. Така че химическата трансформация на обсъжданото вещество може да бъде описана по този начин. Хидратирането на пропилена, чието уравнение на реакцията е много просто, протича на два етапа. Първо, пи връзката, която е част от двойника, се прекъсва. Тогава водна молекула под формата на две частици, хидроксиден анион и водороден катион, се приближава до молекулата на пропилена, която в момента има две свободни места за образуване на връзки. Хидроксидният йон образува връзка с по-малко хидрогенирания въглероден атом (тоест с този, към който са прикрепени по-малко водородни атоми), а протона, съответно, с останалата крайност. Така се получава един единствен продукт: наситеният моноватентен алкохол изопропанол.
Как да запишем реакция?
Сега ще се научим как да запишем на химически език реакция, която отразява процес като хидратацията на пропилена. Формулата, от която се нуждаем, е: CH2 =CH - CH3. Това е формулата на оригиналното вещество - пропен. Както можете да видите, той има двойна връзка, маркирана с "=", и тук ще се добавя вода, когато пропиленът се хидратира. Уравнението на реакцията може да се запише така: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. Хидроксилната група в скоби означаваче тази част не е в равнината на формулата, а под или отгоре. Тук не можем да покажем ъглите между трите групи, простиращи се от средния въглероден атом, но да кажем, че те са приблизително равни един на друг и съставляват 120 градуса.
Къде се прилага?
Вече казахме, че веществото, получено по време на реакцията, се използва активно за синтеза на други жизненоважни вещества. Той е много подобен по структура на ацетона, от който се различава само по това, че вместо хидроксо група има кето група (тоест кислороден атом, свързан чрез двойна връзка с азотен атом). Както знаете, самият ацетон се използва в разтворители и лакове, но освен това се използва като реагент за по-нататъшния синтез на по-сложни вещества, като полиуретани, епоксидни смоли, оцетен анхидрид и т.н.
Реакция на производство на ацетон
Смятаме, че би било полезно да се опише трансформацията на изопропилов алкохол в ацетон, особено след като тази реакция не е толкова сложна. Като начало пропанолът се изпарява и се окислява с кислород при 400-600 градуса по Целзий на специален катализатор. Много чист продукт се получава чрез провеждане на реакцията върху сребърна мрежа.
Реакционно уравнение
Няма да навлизаме в подробности за механизма на реакцията на окисление на пропанол до ацетон, тъй като е много сложен. Ние се ограничаваме до обичайното уравнение на химическа трансформация: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) - CH3 +H2O. Както можете да видите, всичко е доста просто на диаграмата, но си струва да се задълбочите в процеса и ще срещнем редица трудности.
Заключение
Така че анализирахме процеса на хидратация на пропилена и проучихме уравнението на реакцията и механизма на неговото възникване. Разгледаните технологични принципи са в основата на реалните процеси, протичащи в производството. Както се оказа, те не са много трудни, но имат реални ползи за ежедневието ни.
