Υδρογονάνθρακες λαδιού: συστατικά, σύνθεση, δομή

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Οι υδρογονάνθρακες είναι το πιο σημαντικό συστατικό οποιουδήποτε λαδιού. Η συγκέντρωση των φυσικών υδρογονανθράκων σε διαφορετικούς τύπους λαδιών δεν είναι η ίδια: από 100 (συμπύκνωμα αερίου) έως 30%. Κατά μέσο όρο, οι υδρογονάνθρακες αποτελούν το 70% της μάζας αυτού του καυσίμου.

Υδρογονάνθρακες σε λάδι

Περίπου 700 υδρογονάνθρακες μιας ιδιόμορφης δομής έχουν εντοπιστεί στη σύνθεση των ελαίων. Όλα τους είναι διαφορετικά σε σύνθεση και δομή, αλλά ταυτόχρονα αποθηκεύουν πληροφορίες για τη σύνθεση και τη δομή των ουσιών που αποτελούν τη βάση των λιπιδίων των αρχαίων βακτηρίων, των φυκιών και των ανώτερων φυτών.

Η σύνθεση υδρογονανθράκων του λαδιού περιλαμβάνει:

1. Παραφίνες.
2. Ναφθένια (κυκλοαλκάνια).
3. Αρωματικοί υδρογονάνθρακες (αρένες).

Αλκάνια (αλειφατικοί κορεσμένοι υδρογονάνθρακες)

Τα αλκάνια είναι οι πιο σημαντικοί και καλά μελετημένοι υδρογονάνθρακες από οποιοδήποτε λάδι. Η σύνθεση του λαδιού περιλαμβάνει υδρογονάνθρακες αλκάνια από C₁ έως C₁₀₀. Ο αριθμός τους κυμαίνεται από 20 έως 60% και εξαρτάται από το είδος του λαδιού. Ως το μοριακόκλάσμα μάζας, η συγκέντρωση των αλκανίων μειώνεται σε όλους τους τύπους.

Αν κυκλικοί υδρογονάνθρακες διαφορετικών δομών είναι εξίσου κοινοί στο πετρέλαιο, τότε δομές συγκεκριμένης δομής συνήθως κυριαρχούν μεταξύ των αλκανίων. Επιπλέον, η δομή, κατά κανόνα, δεν εξαρτάται από το μοριακό βάρος. Αυτό σημαίνει ότι σε διαφορετικούς τύπους λαδιών υπάρχουν ορισμένες ομόλογες σειρές αλκανίων: αλκάνια κανονικής δομής, μονομεθυλ-υποκατεστημένα με διαφορετικές θέσεις της μεθυλικής ομάδας, λιγότερο συχνά - δι- και τριμεθυλ-υποκατεστημένα αλκάνια, καθώς και τετραμεθυλαλκάνια του ισοπρενοειδούς τύπου. Τα αλκάνια χαρακτηριστικής δομής αποτελούν σχεδόν το 90% της συνολικής μάζας των αλκανίων ελαίου. Αυτό το γεγονός επιτρέπει μια καλή μελέτη των αλκανίων σε διάφορα κλάσματα ελαίου, συμπεριλαμβανομένων των υψηλού βρασμού.

Αλκάνια διαφορετικών κλασμάτων

Σε θερμοκρασίες από 50 έως 150 °C, απελευθερώνεται το κλάσμα I, το οποίο περιλαμβάνει αλκάνια με αριθμό ατόμων άνθρακα από 5 έως 11. Τα αλκάνια έχουν ισομερή:

• πεντάνιο - 3;
• εξάνιο – 5;
• επτάνιο – 9;
• οκτάνιο - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Επομένως, το κλάσμα Ι μπορεί θεωρητικά να περιλαμβάνει περίπου 300 υδρογονάνθρακες. Φυσικά, δεν υπάρχουν όλα τα ισομερή στο λάδι, αλλά ο αριθμός τους είναι μεγάλος.

Το σχήμα δείχνει ένα χρωματογράφημα αλκανίων C₅ – C₁₁ πετρελαίου από το πεδίο Surgut, όπου κάθε κορυφή αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ουσία.

Σε θερμοκρασία 200-430 °C, απομονώνονται αλκάνια του κλάσματος II της σύνθεσης С₁₂ – С₂₇. Το σχήμα δείχνειχρωματογράφημα αλκανίων του κλάσματος II. Το χρωματογράφημα δείχνει τις κορυφές των κανονικών και των μονομεθυλο-υποκατεστημένων αλκανίων. Οι αριθμοί δείχνουν τη θέση των υποκαταστατών.

Σε θερμοκρασία >430°C, αλκάνια του κλάσματος III της σύνθεσης С₂₈ – С₄₀.

Ισοπρενοειδή αλκάνια

Τα ισοπρενοειδή αλκάνια περιλαμβάνουν διακλαδισμένους υδρογονάνθρακες με κανονική εναλλαγή ομάδων μεθυλίου. Για παράδειγμα, 2, 6, 10, 14-τετραμεθυλοπενταδεκάνιο ή 2, 6, 10-τριμεθυλοδεκαεξάνιο. Τα ισοπρενοειδή αλκάνια και τα αλκάνια ευθείας αλυσίδας αποτελούν την πλειοψηφία της βιολογικής πρώτης ύλης πετρελαίου. Φυσικά, υπάρχουν πολλές περισσότερες επιλογές για ισοπρενοειδή υδρογονάνθρακες.

Τα ισοπρενοειδή χαρακτηρίζονται από ομολογία και ανισορροπία, δηλαδή, διαφορετικά έλαια έχουν το δικό τους σύνολο αυτών των ενώσεων. Η ομολογία είναι συνέπεια της καταστροφής πηγών υψηλότερου μοριακού βάρους. Στα ισοπρενοειδή αλκάνια μπορούν να ανιχνευθούν «κενά» στις συγκεντρώσεις οποιωνδήποτε ομολόγων. Αυτό είναι συνέπεια της αδυναμίας διάσπασης της αλυσίδας τους (ο σχηματισμός αυτού του ομολόγου) στο σημείο που βρίσκονται οι μεθυλικοί υποκαταστάτες. Αυτή η δυνατότητα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των πηγών σχηματισμού ισοπρενοειδών.

Κυκλοαλκάνια (ναφθένια)

Τα ναφθένια είναι κορεσμένοι κυκλικοί υδρογονάνθρακες λαδιού. Σε πολλά λάδια, υπερισχύουν έναντι άλλων κατηγοριών υδρογονανθράκων. Η περιεκτικότητά τους μπορεί να κυμαίνεται από 25 έως 75%. Βρέθηκε σε όλες τις παρατάξεις. Καθώς το κλάσμα γίνεται βαρύτερο, η περιεκτικότητά τους αυξάνεται. Τα ναφθένια διακρίνονται από την ποσότητακύκλους σε ένα μόριο. Τα ναφθένια χωρίζονται σε δύο ομάδες: μονοκυκλικά και πολυκυκλικά. Τα μονοκυκλικά είναι πενταμελή και εξαμελή. Οι πολυκυκλικοί δακτύλιοι μπορούν να περιλαμβάνουν πενταμελείς και εξαμελείς δακτυλίους.

Τα κλάσματα χαμηλού βρασμού περιέχουν κυρίως αλκυλικά παράγωγα κυκλοεξανίου και κυκλοπεντανίου, με τα παράγωγα μεθυλίου να κυριαρχούν στα κλάσματα βενζίνης.

Πολυκυκλικά ναφθένια βρίσκονται κυρίως σε κλάσματα λαδιού που βράζουν σε θερμοκρασίες πάνω από 300 °C και η περιεκτικότητά τους σε κλάσματα 400-550 °C φτάνει το 70-80%.

Αρωματικοί υδρογονάνθρακες (αρένες)

Χωρίζονται σε δύο ομάδες:

1. Αλκυλαρωματικοί υδρογονάνθρακες που περιέχουν μόνο αρωματικούς δακτυλίους και αλκυλικούς υποκαταστάτες. Αυτά περιλαμβάνουν αλκυλοβενζόλια, αλκυλοναφθαλένια, αλκυλοφαινανθρένια, αλκυλοχρυσέπες και αλκυλοπικένια.
2. Υδρογονάνθρακες μικτού τύπου δομής, που περιέχουν τόσο αρωματικούς (ακόρεστους) όσο και ναφθενικούς (περιοριστικούς) δακτυλίους. Ανάμεσά τους διακρίνονται:

• μονοαρωματικοί υδρογονάνθρακες - ινδάνια, δι-, τρι- και τετραναφθενοβενζόλια;
• διαρωματικοί υδρογονάνθρακες - μονο- και διναφθενοναφθαλίνια;
• υδρογονάνθρακες με τρεις ή περισσότερους αρωματικούς δακτυλίους - ναφθενοφαινανθρένια.

Τεχνική σημασία της σύνθεσης υδρογονανθράκων του λαδιού

Η σύνθεση των ουσιών επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα του λαδιού.

1. Παραφίνες:

• Οι κανονικές παραφίνες (μη διακλαδισμένες) έχουν χαμηλό αριθμό οκτανίων και υψηλά σημεία ροής. Ως εκ τούτου, σεστη διαδικασία της επεξεργασίας μετατρέπονται σε υδρογονάνθρακες άλλων ομάδων.
• Οι ισοπαραφίνες (διακλαδισμένες) έχουν υψηλό αριθμό οκτανίων, δηλαδή υψηλές αντικρουστικές ιδιότητες (το ισοοκτάνιο είναι μια ένωση αναφοράς με αριθμό οκτανίων 100), καθώς και χαμηλά σημεία ροής σε σύγκριση με τις κανονικές παραφίνες.

2. Τα ναφθένια (κυκλοπαραφίνες) μαζί με τις ισοπαραφίνες έχουν θετική επίδραση στην ποιότητα του καυσίμου ντίζελ και των λιπαντικών ελαίων. Η υψηλή περιεκτικότητά τους στο κλάσμα βαριάς βενζίνης οδηγεί σε υψηλή απόδοση και υψηλό αριθμό οκτανίων.

3. Οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες επιδεινώνουν τις περιβαλλοντικές ιδιότητες του καυσίμου, αλλά έχουν υψηλό αριθμό οκτανίων. Επομένως, κατά τη διύλιση πετρελαίου, άλλες ομάδες υδρογονανθράκων μετατρέπονται σε αρωματικούς, αλλά η ποσότητα τους, κυρίως βενζόλιο, στο καύσιμο ρυθμίζεται αυστηρά.

Μέθοδοι για τη μελέτη της σύστασης υδρογονανθράκων του λαδιού

Για τεχνικούς σκοπούς, αρκεί να προσδιοριστεί η σύνθεση του λαδιού από την περιεκτικότητα σε ορισμένες κατηγορίες υδρογονανθράκων σε αυτό. Η κλασματική σύνθεση του λαδιού είναι σημαντική για την επιλογή της κατεύθυνσης διύλισης λαδιού.

Για να προσδιοριστεί η σύνθεση της ομάδας του λαδιού, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι:

• Χημικό σημαίνει διεξαγωγή αντίδρασης (νιτρώσεως ή σουλφόνωσης) της αλληλεπίδρασης ενός αντιδραστηρίου με μια ορισμένη κατηγορία υδρογονανθράκων (αλκένια ή αρένια). Μεταβάλλοντας τον όγκο ή την ποσότητα των προϊόντων αντίδρασης που προκύπτουν, κρίνεται η περιεκτικότητα της καθορισμένης κατηγορίας υδρογονανθράκων.
• Οι φυσικοχημικές περιλαμβάνουν την εκχύλιση και την προσρόφηση. Έτσι εξάγονται οι αρένεςδιοξείδιο του θείου, ανιλίνη ή θειικός διμεθυλεστέρας, ακολουθούμενη από προσρόφηση αυτών των υδρογονανθράκων σε σιλικαζέλ.
• Η φυσική περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των οπτικών ιδιοτήτων.
• Συνδυασμένο - το πιο ακριβές και πιο κοινό. Συνδυάστε οποιεσδήποτε δύο μεθόδους. Για παράδειγμα, η αφαίρεση των αρενών με χημικές ή φυσικοχημικές μεθόδους και η μέτρηση των φυσικών ιδιοτήτων του λαδιού πριν και μετά την αφαίρεσή τους.

Για επιστημονικούς σκοπούς, είναι σημαντικό να προσδιοριστεί ακριβώς ποιοι υδρογονάνθρακες υπάρχουν ή ποιοι κυριαρχούν στο λάδι.

Για τον εντοπισμό μεμονωμένων μορίων υδρογονανθράκων, χρησιμοποιείται χρωματογραφία αερίου-υγρού με χρήση τριχοειδών στηλών και ελέγχου θερμοκρασίας, χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας με επεξεργασία υπολογιστή και δόμηση χρωματογραμμάτων για μεμονωμένα χαρακτηριστικά ιόντα θραυσμάτων (μαζική θραυσματογραφία ή χρωματογραφία μάζας). Χρησιμοποιούνται επίσης φάσματα NMR στους πυρήνες ¹³C.

Τα σύγχρονα σχήματα για την ανάλυση της σύνθεσης των υδρογονανθράκων πετρελαίου περιλαμβάνουν τον προκαταρκτικό διαχωρισμό σε δύο ή τρία κλάσματα με διαφορετικά σημεία βρασμού. Μετά από αυτό, καθένα από τα κλάσματα διαχωρίζεται σε κορεσμένους (παραφινοναφθενικούς) και αρωματικούς υδρογονάνθρακες χρησιμοποιώντας υγρή χρωματογραφία σε σιλικαζέλ. Στη συνέχεια, οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες θα πρέπει να διαχωριστούν σε μονο-, δι- και πολυαρωματικούς χρησιμοποιώντας υγρή χρωματογραφία χρησιμοποιώντας οξείδιο αλουμινίου.

Πηγές υδρογονανθράκων

Φυσικές πηγές υδρογονανθράκων πετρελαίου και αερίου είναι βιοοργανικά μόρια διαφόρων ενώσεων, κυρίως των λιπιδικών συστατικών τους. Imiμπορεί να είναι:

• υψηλότερα φυτικά λιπίδια,
• φύκια,
• φυτοπλαγκτόν,
• ζωοπλαγκτόν,
• βακτήρια, ιδιαίτερα τα λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης.

Τα λιπιδικά συστατικά των φυτών είναι πολύ παρόμοια σε χημική σύνθεση, ωστόσο, ορισμένες παραλλαγές των μορίων καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της κυρίαρχης συμμετοχής ορισμένων ουσιών στον σχηματισμό αυτού του ελαίου.

Όλα τα φυτικά λιπίδια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

• ενώσεις που αποτελούνται από μόρια με ευθεία (ή ελαφρώς διακλαδισμένη) αλυσίδα;
• ενώσεις βασισμένες σε ισοπρενοειδείς μονάδες αλεικυκλικών και αλειφατικών σειρών.

Υπάρχουν ενώσεις που αποτελούνται από στοιχεία που ανήκουν και στις δύο κατηγορίες, όπως το κερί. Τα μόρια του κεριού είναι εστέρες ανώτερων κορεσμένων ή ακόρεστων λιπαρών οξέων και κυκλικών ισοπρενοειδών αλκοολών - στερόλων.

Τυπικοί εκπρόσωποι λιπιδικών φυσικών πηγών υδρογονανθράκων πετρελαίου είναι οι ακόλουθες ενώσεις:

1. Κορεσμένα και ακόρεστα λιπαρά οξέα σύνθεσης C₁₂-C₂₆ και υδροξυοξέα. Τα λιπαρά οξέα αποτελούνται από ζυγό αριθμό ατόμων άνθρακα, καθώς συντίθενται από C₂-οξικά συστατικά. Αποτελούν μέρος των τριγλυκεριδίων.
2. Φυσικό κερί - σε αντίθεση με τα λίπη, δεν περιέχει γλυκερίνη, αλλά υψηλότερες λιπαρές αλκοόλες ή στερόλες.
3. Ασθενώς διακλαδισμένα οξέα που έχουν υποκαταστάτες μεθυλίου στο άκρο της αλυσίδας απέναντι από την καρβοξυλική ομάδα, για παράδειγμα, ισο- και αντιισοξέα.
4. Ενδιαφέρουσες ουσίες είναι η σουμπερίνη και η κουτίνη, που περιλαμβάνονται σεδιάφορα μέρη των φυτών. Σχηματίζονται από πολυμερισμένα συνδεδεμένα λιπαρά οξέα και αλκοόλες. Αυτές οι ενώσεις είναι ανθεκτικές στην ενζυμική και μικροβιακή επίθεση, η οποία προστατεύει τις αλειφατικές αλυσίδες από τη βιολογική οξείδωση.

Λείψανα και μετατρεπόμενοι υδρογονάνθρακες

Όλοι οι υδρογονάνθρακες πετρελαίου χωρίζονται σε δύο ομάδες:

1. Μεταμορφώθηκε - έχοντας χάσει τα δομικά χαρακτηριστικά των αρχικών βιοοργανικών μορίων.
2. Λείψανα, ή χημειοαπολιθώματα - εκείνοι οι υδρογονάνθρακες που έχουν διατηρήσει τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της δομής των αρχικών μορίων, ανεξάρτητα από το αν αυτοί οι υδρογονάνθρακες ήταν στην αρχική βιομάζα ή σχηματίστηκαν αργότερα από άλλες ουσίες.

Οι υδρογονάνθρακες που αποτελούν το πετρέλαιο χωρίζονται σε δύο ομάδες:

• ισοπρενοειδές τύπος - αλεικυκλική και αλειφατική δομή, με έως και πέντε κύκλους σε ένα μόριο;
• μη ισοπρενοειδή - κυρίως αλειφατικές ενώσεις με ν-αλκυλο ή ελαφρά διακλαδισμένες αλυσίδες.

Τα λείψανα ισοπρενοειδής δομής είναι πολύ περισσότερα από τα μη ισοπρενοειδή.

Έχουν εντοπιστεί περισσότεροι από 500 υδρογονάνθρακες ελαιολάδου και ο αριθμός τους αυξάνεται κάθε χρόνο.