Часть I
   На главную I. Теоретические основы II. Углеводороды III. Кислородсодержащие соединения IV. Азотсодержащие соединения V. Высокомолекулярные соединения VI. Решение задач
Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Предмет органической химии
  • Органическая химия – это раздел химической науки, в котором изучаются соединения углeрода – их строение, свойства, способы получения и практического использования.

  • Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.
Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементыХимические элементы, наиболее часто входящие в состав органических соединений (O, N, S, P и галогены), называют элементами-органогенами, а атомы, кроме углерода и водорода, – гетероатомами (от греч. heteros - другой, иной).. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. Поэтому часто используется другое определение:
  • Органические соединения – это углеводородыУглеводороды — соединения, которые содержат только углерод и водород.
    Производные углеводородов — продукты замещения в молекулах углеводородов одного или более атомов водорода на другие атомы или группы атомов (Cl, Br, OH, COOH, NH2 и др.).
    и их производные.

Благодаря особым свойствам углерода, органические соединения очень многочисленны. Сейчас они составляют подавляющее большинство из 182 миллионов веществ, зарегистрированных с начала 1800-х годов до 2021 года, и их число постоянно возрастает~10 млн. за год. [данные Chemical Abstracts ServiceCAS].


Динамика роста числа новых соединений

Сырьевые источники органических веществ: нефть, природный газ, попутные нефтяные газы, каменный и бурый угли, горючие сланцы, сланцевый газ, торф, древесина, лесные и сельскохозяйственные растения (хлопок, лён и др.).

Видео (из фонда советских научно-популярных фильмов)

Учитывая невозобновляемость основных природных сырьевых ресурсов (кроме древесины и сельскохозяйственной продукции), важное значение придается получению топлива и других органических веществ из альтернативных источников – биологических, бытовых и производственных отходов. Перспективным для окружающей среды является замена органического топлива (уголь, нефтепродукты, природный газ) на водородное (водородная энергетика).Водородная энергетика — комплекс технологий, включающий способы получения, хранения, транспортировки и использования водорода как источника энергии. Это альтернатива углеродной энергетике, приводящей к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания органического топлива (оксиды углерода и др. парниковые газы).
    Краткая характеристика сырьевых источников органических веществ:
  • нефть
    Нефть — горючее ископаемое, представляющее собой сложную смесь углеводородов с другими органическими соединениями (сернистыми, азотистыми, кислородными). Является важнейшим источником жидкого топлива, смазочных масел и других нефтепродуктов, а также ценным сырьём для химической промышленности.
    В процессе первичной переработки нефть подвергают перегонке (ректификации) – разделению на составные части (фракции) по температурам кипения.


    Интерактивная иллюстрация

    В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей и др. Нефть уникальна комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на 30% выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углём), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.
  • природный газ
    Природный газ (горючий) – естественная смесь газообразных углеводородов, в составе которой преобладает метан (80-97%). Образуется в недрах земли при медленном анаэробном (без доступа воздуха) разложении органических веществ.
    Природный газ относится к полезным ископаемым. Часто является попутным газом при добыче нефти. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Природный газ существует также в виде естественных газогидратов (гидратов метана) в океанах и зонах вечной мерзлоты материков.

    Гидрат метана CH4⋅(H2O)x – наиболее распространённый среди природных газогидратов, представляющих собой кристаллические клатратныеот лат. clathratus — «сажать в клетку» соединения воды и газа (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S и т.п.). Газогидраты обнаружены в морских донных отложениях и в районах вечной мерзлоты (т.е. в условиях низкой температуры и повышенного давления).
    Клатрат гидрата метана содержит молекулу метана, помещённую в «клетку», построенную молекулами воды. Поскольку число молекул воды в клатрате зависит от условий его образования, метангидрат относится к нестехиометрическим соединениям, то есть к соединениям переменного состава. По внешнему виду гидрат метана напоминает лёд, легко распадается на воду и метан при повышении температуры, может гореть (за счёт выделения метана).

    Природный газ широко используется как топливо и как ценное сырье в химической промышленности.
  • попутные нефтяные газы
    Попутные нефтяные газы — смесь различных газообразных углеводородов, растворенных в нефти; выделяются в процессе добычи и перегонки (главным образом состоят из пропана и изомеров бутана). К нефтяным газам также относят газы крекинга нефти, состоящие из предельных и непредельных (этилена, ацетилена) углеводородов.
    Нефтяные газы применяют как топливо и для получения различных химических веществ. Путем химической переработки из них получают пропилен, бутилены, бутадиен и др., которые используют в производстве пластмасс и каучуков.
  • каменный и бурый угли
    Каменный уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся под землёй при глубоком разложении растительных остатков без доступа кислорода. Большинство залежей каменного угля возникло в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300-350 миллионов лет тому назад. Содержание углерода в каменном угле в зависимости от месторождения составляет от 75% до 95%. По химическому составу каменный уголь представляет собой смесь полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ряд соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.
    Бурые угли — твердые горючие ископаемые, образовавшиеся из торфа. Наиболее молодые из ископаемых углей. Относятся к группе углеродсодержащих пород гумусовой природы. Содержат 65-70% углерода, имеют бурый цвет. Используются как местное топливо, а также как химическое сырье. При термической переработке бурых углей получают светильный газ (смесь горючих газов, главным образом метана и водорода), парафины, фенолы и др.
  • горючие сланцы, сланцевый газ, сланцевая нефть
    Сланцы (горючие) — осадочная горная порода, содержащая органический горючий материал, дающий при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Используются как местное топливо, сырье для получения жидких топлив, вяжущих строительных материалов, сырье для получения битумов, масел, фенолов, бензола, толуола, ксилолов, нафтолов, ихтиола и др.
    В ряде стран (США, Канада, Китай и др.) в связи с недостатком ресурсов свободного природного газа и нефти ведётся экологически небезопасная добыча из горючих сланцев метана (сланцевый газ) и нефти (сланцевая нефть).
    Сланцевый газ — природный газ, добываемый из газоносных сланцевых пластов с низкой проницаемостью, состоит преимущественно из метана. По своим свойствам очищенный сланцевый газ принципиально ничем не отличается от традиционного природного газа. Однако технология его добычи и очистки подразумевает гораздо большие по сравнению с традиционным газом затраты.
    Добыча сланцевого газа производится путём горизонтального бурения и гидравлического разрыва (гидроразрыва) пласта. Горизонтальная скважина прокладывается через слой газоносного сланца. Затем внутрь скважины под давлением закачиваются десятки тысяч кубометров воды, песка и химикатов. В результате разрыва пласта газ по трещинам поступает в скважину и далее на поверхность.
    Схема добычи сланцевого газа
    Сланцевая нефть — легкая нефть низкопроницаемых плотных нефтеносных сланцевых пород, залегающих на большой глубине (2-3 км). Для её добычи также применяется горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта (схема).

    Технология гидроразрыва (фрекинга) геологических пластов наносит колоссальный вред окружающей среде. Независимые экологи подсчитали, что специальный буровой раствор при добыче сланцевого газа содержит 596 наименований химикатов: ингибиторы коррозии, загустители, кислоты, биоциды, ингибиторы для контроля сланца, гелеобразователи и др.

      Назначение некоторых химикатов:
    • соляная кислота помогает растворять минералы;
    • этиленгликоль препятствует появлению отложений на стенках труб;
    • изопропиловый спирт используется для увеличения вязкости жидкости;
    • глютаральдегид борется с коррозией;
    • легкие фракции нефти используются для минимизации трения;
    • гуаровая камедь увеличивает вязкость раствора;
    • пероксодисульфат аммония препятствует распаду гуаровой камеди;
    • формамид препятствует коррозии;
    • борная кислота поддерживает вязкость жидкости при высоких температурах;
    • лимонная кислота используется для предотвращения осаждения металла;
    • хлорид калия препятствует прохождению химических реакций между грунтом и жидкостью;
    • карбонат натрия или калия используется для поддержания баланса кислот.

    Для каждого бурения нужно до 26 тыс. кубометров раствора. При добыче сланцевого газа требуется бурить большое число скважин, так как срок их службы весьма низок. Десятки тонн раствора из сотен наименований химикатов смешиваются с грунтовыми водами и вызывают широчайший спектр непрогнозируемых негативных последствий. Ядовитые продукты попадают в питьевую воду и воздух. В местах добычи наблюдается мор животных, птиц, рыбы, кипящие ручьи с метаном. Домашние животные болеют, теряют шерсть, умирают. Среди людей отмечается скачок онкологических и других заболеваний. Кроме того, нарушение структуры глубоких почвенных слоёв вызывает опасность возникновения землетрясений.
    Несмотря на то, что «сланцевая революция» широко разрекламирована, технические и экономические подробности добычи не афишируются.


  • торф
    Торф — вид твердого топлива, ¤вляющегос¤ геологически более молодым среди твердых горючих ископаемых. Образовался из скоплений болотных растений, которые вследствие повышенной влажности и недостаточной аэрации подверглись лишь частичной минерализации. Содержит 50-60% углерода. Теплота сгорания (максимальная) 24 кДж/кг.
    Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и др. Торф применяют в сельском хозяйстве и животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Развитие современных производственных технологий позволяет получать из торфа очень плодородные грунты для выращивания пищевых растений, удобрения, стимуляторы роста растений, изоляционные и упаковочные материалы, активный уголь, графит и тому подобное.
  • древесина
    Древесина — важнейший источник органических веществ, занимающий 4-е место после нефти, газа и угля. В качестве сырья древесину потребляют три отрасли химической промышленности:
    • целлюлозно-бумажная (производство бумаги, искусственных волокон, плёнок, взрывчатых веществ),
    • гидролизная (получение технического спирта, белковых дрожжей, пищевых и кормовых продуктов из непищевого растительного сырья, отходов деревообработки),
    • лесохимическая (канифоль, скипидар, древесный уголь и др.).
    Перед этими отраслями стоит задача комплексного рационального использования сырья, значительного уменьшения количества потребляемой пресной воды (особенно, на целлюлозно-бумажных комбинатах) и значительного сокращения производственных выбросов при одновременном расширении производства основных видов продукции.
    В отличие от невосполняемых запасов ископаемых источников углеводородного сырья (нефти, природного газа и др.), древесина, наряду с растительной продукцией сельского хозяйства, относится к возобновляемым ресурсам для получения органических соединений. Актуальной проблемой является защита и восстановление лесных массивов, а также совершенствование технологии переработки древесины и растительного сырья