Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Элементы органической химии - файл n1.doc


Элементы органической химии
скачать (334.5 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.doc335kb.18.01.2013 09:42скачать

Загрузка...

n1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...


Для органических соединений характерны неполярные ковалентные связи С—С и полярные ковалентные связи С—О, С—N, С—металл и т.д. Образование ковалентных связей было объяснено на основании развитых Г. Льюисом и В. Косселем (1916) предположений о важной роли электронных образований-октетов и дублетов. Молекула устойчива, если валентная оболочка таких элементов, как С, N, О, содержит 8 электронов (правило октета), а валентная оболочка водорода-2 электрона. Хим. связь образуется обобществленной парой электронов распавшихся атомов (простая связь). Двойные и тройные связи образуются соотв. двумя и тремя такими парами. Электроотрицат. атомы (F, О, N) используют для связи с углеродом не все свои валентные электроны; "неиспользованные" электроны образуют неподеленные (свободные) электронные пары. Полярность и поляризуемость ковалентных связей в органических соединениях в электронной теории Льюиса - Косселя объясняется смещением электронных пар от менее электроотрицательного к более электроотрицат. атому, что находит выражение в индуктивном эффекте и мезомерном эффекте.

Классическая теория хим. строения и первоначальные электронные представления оказались не в состоянии удовлетворительно описать на языке структурных формул строение многих соединений, напр. ароматических. Современная теория связи в органических соединений основана главным образом на понятии орбиталей и использует методы молекулярных орбиталей

Классификацию органических соединений можно представить в виде краткой схемы



В состав многих органических соединений кроме углерода и водо­рода входят и другие элементы, причем в виде функциональных групп - групп атомов, определяющих химические свойства данного класса соединений. Наличие этих групп позволяет подразделить указанные выше типы органических соединений на классы и облегчить их изуче­ние. Некоторые наиболее характерные функциональные группы и соответствующие им классы соединений приведены в таблице

Функциональная
группа

Название
группы

Классы
соединений

Пример


-OH




Гидроксид
Карбонил

Спирты

C2H5OH

Этиловый спирт

Фенолы


Альдегиды



фенол



уксусный альдегид

кетоны



ацетон



Карбоксил

Карбоновые
кислоты



уксусная кислота

-NO2

Нитрогруппа

Нитросоединения

CH3NO2

Нитрометпн

-NH2

Аминогруппа

Первичные амины



анилин



Амидогруппа

Амиды кислот



амид уксусной кислоты

-F, -Cl, -Br, -I

Галогены

Галогенопроиз-водные

CH3Cl

Хлористый метил

В состав молекул органических соединений могут входить две или более одинаковых или различных функциональных групп, например:

CH2OH




NH2CH2 - COOH

|




аминоуксусная кислота

CHOH







|







CH2OH







глицерин







Свойства

Хотя число органических соединений чрезвычайно велико и они весьма разнообразны, можно выделить ряд общих характерных свойств, отличающих органические соединения от неорганических.

Почти все органические соединения, за исключением сравнительно немногих (например, четыреххлористого углерода, фторуглеродов), горючи. Большинство неорганических соединений не горит.

Органические соединения обычно представляют собой газы, жидкости или низкоплавкие твердые вещества. Огромное большинство твердых органических веществ плавится в интервале сравнительно невысоких температур (от комнатной до 400 °С). Большая часть неорганических соединений представляет собой твердые вещества, плавящиеся при весьма высоких температурах.

В качестве примеров типично неорганического и типично органического вещества можно взять хлористый натрий и хлористый этил, молекулярные веса которых примерно одинаковы (58,44 и 64,51):



Такие резкие отличия в физических свойствах типично органических и типично неорганических соединений обусловлены отличием в их строении, а именно: неорганические соединения большей частью построены ионно, а органические соединения — ковалентно.

Особенности строения органических соединений как соединений с ковалентными связями находят свое отражение не только в физических, но и в химических свойствах. Так, реакции неорганических соединений (электролитов) в водных растворах, например

NaCl + AgNO3 -----> AgCl + NaNO3

протекают с большой скоростью, практически мгновенно, в то время как реакции органических соединений, например

С2Н5Cl + NaOH ------> NaCl + С2Н5ОН

идут значительно медленнее.

Углеводороды и их производство.

Многообразие органических соединений обусловлено специфическими особенностями углерода сравнительно с другими химическими элементами:

Углерод способен соединяться с большинством других элементов. Это свойство углерода, связанное с его положением в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, обусловлено его почти электронейтральным характером и способностью образовывать ковалентные связи.

Атомы углерода способны также соединяться друг с другом, образуя углеродные цепи различного вида (прямые, разветвленные, замкнутые в цикл). Таким же свойством обладают некоторые другие элементы, однако все они образуют цепи лишь с небольшим числом звеньев. Так, для кислорода известны цепи максимально из трех атомов, для азота — из четырех, для кремния — из шести атомов. Для углерода, в отличие от всех остальных элементов, способность атомов соединяться друг с другом, по-видимому, совершенно не ограничена. В настоящее время получены высокомолекулярные продукты углеводородного характера, углеродная цепь которых состоит из сотен и тысяч углеродных атомов (полиэтилен, полиизобутилен и др.).

В промышленных масштабах вырабатывают галогенопроизводные парафинов. Из метана получают метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод и др. продукты. Метиленхлорид и четырёххлористый углерод являются хорошими растворителями. Хлороформ используют для синтеза тетрахлорэтилена, хлорфторпроизводных, ценного мономера тетрафторэтилена и прочих. Хлорированием этана производят гексахлорэтан и др. хлорпроизводные. Продукт хлорирования твёрдых парафинов хлорпарафин-40 (около 40% Cl) используется в качестве пластификатора, хлорпарафин-70 (около 70% Cl) — для пропитки бумаги и тканей повышенной огнестойкости. Продукты полного фторирования узких фракций керосина и газойля являются ценными смазочными веществами и гидравлическими жидкостями, обладающими высокой термической и химической стойкостью. Они могут работать продолжительное время при 250—300 °С в очень агрессивных средах. Фреоны — хлорфторпроизводные метана и этана — применяются в качестве хладоагентов в холодильных машинах. Нитрованием пропана и парафинов, кипящих выше 160—180 °С, азотной кислотой вырабатывают смесь нитропарафинов. Они используются как растворители и промежуточные продукты синтеза нитроспиртов, аминоспиртов, взрывчатых веществ. Сульфохлорированием и сульфоокислением керосиновых фракций C12—C20 и н-парафинов получают поверхностно-активные вещества типа алкилсульфонатов.

2 Химия органического топлива. Понятие о физико-химических процессах горения топлив. Продукты горения и защита воздушного бассейна.

В последние годы все шире применяют моторные топлива, вырабатываемые из ненефтяного сырья. Сжатые (основа СН4, давление 15-20 МПа) и сжиженные (основа С3Н8 и С4Н10, давление 1,6 МПа) газы используют гл. обр. в двигателях с принудит. воспламенением. Перспективны жидкие топлива, получаемые при переработке углей, сланцев, битуминозных песков и др. В качестве самостоятельных моторных топлив или их компонентов находят применение такие кислородсодержащие продукты, как спирты (метанол, этанол) и эфиры (метил-трет-бутиловый и метил-трет-амиловыи, октановое число 115-120), которые можно добавлять в автомобильные бензины в кол-ве 7-11% по массе. Из спиртов наиб. перспективен метанол, т.к. его произ-во обеспечено широкими сырьевыми ресурсами. Для воздушно-реактивных двигателей наиб. пригодны по эксплуатационным свойствам керосиновые фракции с пределами выкипания 140-280 °С. Такие топлива получают обычно прямой перегонкой нефти с применением гидроочистки и добавлением присадок, в т.ч. антиокислителей, противоизносных, антисептических, биоцидных и антиводокристаллизующих. Для газовых турбин и котельных установок используют тяжелые дистиллятные фракции прямой перегонки нефти и вторичных процессов ее переработки, а также тяжелые нефтяные остатки.

В двигателях с принудит. воспламенением испарение топлива и образование топливно-воздушной смеси происходит при относительно невысоких т-рах, поэтому в таких двигателях применяют легкоиспаряющиеся бензиновые фракции углеводородов, выкипающие в пределах 40-200 °С. Бензины приготовляют смешением разл. компонентов: бензинов ка-талитич. крекинга и риформинга, алкилата, изомеризата и др. В качестве присадок используют антидетонаторы (тетра-этил- и тетраметилсвинец в виде этиловых жидкостей, см. Антидетонаторы моторных топлив); антиокислители (фе-нил-n-аминофенол, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол, смеси фенолов из древесной или кам.-уг. смолы); деактивато-ры металлов (N,N'-бис-салицилиденэтилендиамин); соед. с моющими и антиобледенит. св-вами (спирты, эфиры).

В быстроходных двигателях с воспламенением от сжатия применяют фракции углеводородов, выкипающие в пределах 180-360 °С; в утяжеленных топливах конец кипения 380-400 °С. Дизельные топлива получают прямой перегонкой нефтей с послед. гидроочисткой (содержание S 0,2-0,5% по массе). В качестве компонента используют легкий газойль каталитич. крекинга. Для улучшения эксплуатац. св-в товарных топлив в них могут добавлять присадки, повышающие цетановое число (изопропил- или циклогексилнитрат), антиокислители, ПАВ с защитными св-вами, биоцидные, антидымные (соед. Ва и др.), снижающие т-ру застывания (депрессоры-сополимеры этилена с винилацетатом и т.д.). Тихоходные дизели менее требовательны к качеству топлива и в них применяют тяжелые дистиллятные, а иногда и смеси с остаточными нефтяными фракциями.

Понятие о физико-химических процессах горения топлив

Горение, сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению (горючего), с окислителем. Современная физико-химическая теория горения относит к горению все химические процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным их ускорением, в том числе разложение взрывчатых веществ, озона, и др.; соединение ряда веществ с хлором, фтором и т. д.; взаимодействие многих металлов с хлором, окисей натрия и бария с двуокисью углерода и т. д. Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной, т. е. состоит из большого числа элементарных химических процессов. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических процессов — переносом тепла и масс и характеризуется соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. В силу комплексной природы горения, суммарная скорость горения практически никогда не тождественна скорости чисто химического взаимодействия реагентов системы.

Для любого вида горения характерны две типичные стадии — воспламенение и последующее сгорание (догорание) вещества до продуктов полного горения. Время, затрачиваемое на обе стадии, составляет общее время горения. Обеспечение минимального суммарного времени горения при максимальной полноте горения (полноте тепловыделения) — основная задача техники сжигания. Для технического горения важны также физические процессы подготовки смеси: испарение, перемешивание и т. д. Основные термодинамические характеристики горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая (или адиабатическая) температура горения, т. е. та температура, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании без потерь тепла.

  Горение твёрдых веществ в простейшем случае не сопровождается разложением вещества с выделением их летучих компонентов (например, горение металлов). В технике большое значение имеет горение твёрдого топлива, главным образом углей, содержащих углерод и некоторое количество органических веществ, которые при нагревании топлива разлагаются и выделяются в виде паров и газов. Термически неустойчивую часть топлива принято называеть летучей, а газы — летучими. При быстром нагревании частиц топлива (что возможно для частиц малого размера) летучие компоненты могут не успеть выделиться и сгорают вместе с углеродом. При медленном нагревании наблюдается чёткая стадийность начального этапа горения — сначала выход летучих компонентов и их воспламенение, затем воспламенение и горение твёрдого, так называемого коксового, остатка, который кроме углерода содержит минеральную часть топлива — золу.

Продукты горения и защита воздушного бассейна.

Одна из важнейших проблем современного мира - защита воздушного бассейна от загрязнений. Сильно прогрессирующие в своем развитии промышленность и транспорт приводят к загрязнению атмосферы дымом, диоксидом углерода, парами хлора, пылью металлургических и других промышленных предприятий. Свинец и оксид углерода выбрасываемый в атмосферу выхлопными газами автомобилей, в одном литре этилированного бензина содержится 200-500 мг свинца.
Во многих крупных городах автомобили переводят на сжиженный газ, что во многом способствует очищению воздушного бассейна.

Также очередным источником загрязнения воздушного бассейна является все увеличивающиеся темпы потребления различного топлива, вместе с ним увеличивается количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. При сжигании топлива образуются вредные для здоровья человека вещества: сажа, зола, оксид углерода, оксиды азота и др.
Выделяемый сгорающим топливом оксид азота NO является токсичным веществом, и вместе с этим одним из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Вырабатывается он в пламени при высокой температуре, путем соединения азота с кислородом, и наибольшая концентрация оксида азота достигается при температуре 1500-1800 °С. При попадании в атмосферу горячие газы охлаждаются, за счет чего оксид азота превращается в диоксид азота (NO2). Попадая в организм человека, оксид азота поглощается кровью и оказывает вредное действие на органы дыхания. В нашей стране утверждены предельно допустимые нормы концентрации оксидов азота в атмосфере населенных пунктов  - 0,085 мг/м3. Все продукты сгорания должны удаляться через дымовые трубы.
В процессе сжигания твердого и жидкого топлива образовываются канцерогенные вещества, в результате вызывающие возникновение раковых заболеваний. Особую опасность несет за собой тонкая пыль, адсорбирующая химические вещества воздуха и переносящая их в легкие человека.

В процессе горения образуется сажа,  несущая мельчайшие частицы угля, является носителем ароматических веществ, которые вызывают различные тяжелые заболевания.
Поэтому на данный момент перед человечеством стоит важнейшая проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна.

Лучшее на сегодня средство борьбы с загрязнением воздушного бассейна это вместо твердого и жидкого топлива использование природного газа. Ежегодно несколько тысяч промышленных и коммунальных предприятий переходят на газовое топливо.
Природный газ при сжигании не образует твердых частиц, и это одно из главнейших его достоинств. При обнаружении в месторождения природных газов сероводорода, его удаляют, дабы исключить образование оксидов серы.
Газогорелочные устройства отечественного производства обеспечивают полноту сгорания газа и уменьшают концентрацию оксида углерода в продуктах сгорания до допустимых пределов. Разные методы сжигания газа вместе с конструкциями горелок обеспечивают снижение количества образующихся оксидов азота до приемлемого минимума.

Преследуя цель сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки уходящих газов от вредных примесей ученые совершенствуют технологические процессы и транспортные средства, увеличивают выпуск высокоэффективных газо- и пылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля за состоянием окружающей среды.

3 Водород – топливо будущего.

Как предсказывают многие эксперты в области энергетики, топливо будущего уже найдено. Это водород.
Есть два пути использования водорода в качестве топлива на автомобилях.
Первый путь - это использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Но, несмотря на то, что до сих пор продолжаются эксперименты в этом направлении и уже достигнуты определенные успехи - это не правильный путь. При сжигании водорода в цилиндрах поршневого двигателя, добиться полного отсутствия токсичных выхлопов невозможно - мешают попутные реакции других компонентов атмосферного воздуха.
К тому же, теплотворная способность водорода заметно меньше чем у бензина, дизельного топлива и даже метана, что заметно снижает отдачу двигателей и требует повышенного расхода водорода.
Второй путь - это использовании водорода для питания топливных элементов.

Основная проблема, которую предстоит решить конструкторам, заключается в том, что плотность водорода в тысячи раз меньше, чем у бензина, поэтому количества водорода даже под давлением 250-350 атм в тяжелых толстостенных баллонах совершенно недостаточно для нормального пробега на одной заправке.
К тому же, теплотворная способность водорода заметно меньше чем у бензина, дизельного топлива и даже метана, что заметно снижает отдачу двигателей и требует повышенного расхода водорода. Сейчас успешно ведутся эксперименты с металлогидридными баками, в которых водород хранится в межатомных промежутках кристаллической структуры металла, чем достигается неплохая плотность упаковки и безопасность хранения. Такие системы хранения водорода на автомобиле теоретически известны давно, но желаемых параметров (ёмкость, цена, затраты энергии на подогрев, необходимый для извлечения водорода) исследователи во всём мире пока так и не достигли.
На сегодня успешно ведутся эксперименты с еще более перспективными нано-хранилищами, где водород впитывается в губку из мельчайших волокон композитного материала.
Так что, может в самом ближайшем будущем машина с водородным двигателем перестанет быть экзотикой.
Однако, все не так просто. Весь водород, который сейчас добывается в мире, не сможет покрыть и сотой доли потребности. И в одно мгновение ситуацию в мировой энергетике не изменить - на это нужны десятилетия совместной работы всех стран


Скачать файл (334.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru