Organiskās vielas ieņem nozīmīgu vietu mūsu dzīvē. Tie ir galvenā polimēru sastāvdaļa, kas mūs ieskauj visur: tie ir plastmasas maisiņi un gumija, kā arī daudzi citi materiāli. Polipropilēns nav pēdējais solis šajā sērijā. Tas ir atrodams arī dažādos materiālos un tiek izmantots vairākās nozarēs, piemēram, celtniecībā, sadzīves vajadzībām kā materiāls plastmasas glāzēm un citām mazām (bet ne rūpnieciska mēroga) vajadzībām. Pirms runāt par tādu procesu kā propilēna hidratācija (pateicoties tam, starp citu, varam iegūt izopropilspirtu), pievērsīsimies šīs rūpniecībai nepieciešamās vielas atklāšanas vēsturei.
Vēsture
Propilēnam nav atvēršanas datuma. Taču tā polimēru – polipropilēnu – patiesībā 1936. gadā atklāja slavenais vācu ķīmiķis Otto Bayer. Protams, teorētiski bija zināms, kā var iegūt tik svarīgu materiālu, taču praktiski to nebija iespējams izdarīt. Tas bija iespējams tikai divdesmitā gadsimta vidū, kad vācu un itāļu ķīmiķi Cīglers un Nats atklāja nepiesātināto ogļūdeņražu polimerizācijas katalizatoru (ar vienu vai vairākām saitēm).vēlāk viņi to sauca par Ziegler-Natta katalizatoru. Līdz tam brīdim bija absolūti neiespējami panākt, lai šādu vielu polimerizācijas reakcija noritētu. Bija zināmas polikondensācijas reakcijas, kad bez katalizatora iedarbības vielas tika apvienotas polimēra ķēdē, veidojot blakusproduktus. Taču to nebija iespējams izdarīt ar nepiesātinātiem ogļūdeņražiem.
Cits svarīgs process, kas saistīts ar šo vielu, bija tās hidratācija. Propilēna tā lietošanas sākuma gados bija diezgan daudz. Un tas viss ir saistīts ar dažādu naftas un gāzes pārstrādes uzņēmumu izgudrotajām propēna atgūšanas metodēm (to dažreiz sauc arī par aprakstīto vielu). Kad eļļa tika krekinga, tā bija blakusprodukts, un, kad izrādījās, ka tās atvasinājums izopropilspirts ir daudzu cilvēcei noderīgu vielu sintēzes pamatā, daudzi uzņēmumi, piemēram, BASF, patentēja savu ražošanas metodi. un sāka masveida tirdzniecību ar šo savienojumu. Propilēna hidratācija tika izmēģināta un piemērota pirms polimerizācijas, tāpēc acetonu, ūdeņraža peroksīdu, izopropilamīnu sāka ražot pirms polipropilēna.
Propēna atdalīšanas process no eļļas ir ļoti interesants. Tagad mēs pievēršamies viņam.
Propilēna atdalīšana
Patiesībā teorētiskā nozīmē galvenā metode ir tikai viens process: naftas un saistīto gāzu pirolīze. Bet tehnoloģiskās ieviešanas ir tikai jūra. Fakts ir tāds, ka katrs uzņēmums cenšas iegūt unikālu veidu un aizsargāt to.patentu, un arī citi šādi uzņēmumi meklē savus veidus, kā joprojām ražot un pārdot propēnu kā izejvielu vai pārvērst to dažādos produktos.
Pirolīze ("pyro" - uguns, "līze" - iznīcināšana) ir ķīmisks process, kurā sarežģītas un lielas molekulas sadalās mazākās augstas temperatūras un katalizatora ietekmē. Eļļa, kā zināms, ir ogļūdeņražu maisījums un sastāv no vieglajām, vidējām un smagajām frakcijām. No pirmajiem pirolīzes laikā iegūst zemāko molekulmasu, propēnu un etānu. Šis process tiek veikts īpašās krāsnīs. Progresīvākajiem ražošanas uzņēmumiem šis process ir tehnoloģiski atšķirīgs: daži izmanto smiltis kā siltumnesēju, citi izmanto kvarcu, citi izmanto koksu; jūs varat arī sadalīt krāsnis pēc to struktūras: ir cauruļveida un parastie, kā tos sauc, reaktori.
Bet pirolīzes process ļauj iegūt nepietiekami tīru propēnu, jo papildus tam tur veidojas milzīgs daudzums ogļūdeņražu, kas pēc tam ir jāatdala diezgan energoietilpīgi. Tāpēc, lai iegūtu tīrāku vielu turpmākai hidratācijai, tiek izmantota arī alkānu dehidrogenēšana: mūsu gadījumā propāns. Tāpat kā polimerizācija, iepriekš minētais process nenotiek vienkārši. Ūdeņraža sadalīšanās no piesātināta ogļūdeņraža molekulas notiek katalizatoru iedarbībā: trīsvērtīgā hroma oksīda un alumīnija oksīda.
Pirms pāriet pie stāsta par to, kā notiek hidratācijas process, pievērsīsimies mūsu nepiesātinātā ogļūdeņraža struktūrai.
Propilēna struktūras iezīmes
Pats propēns ir tikai otrais alkēnu sērijas loceklis (ogļūdeņraži ar vienu dubultsaiti). Viegluma ziņā tas ir otrais aiz etilēna (no kura, kā jau varētu nojaust, tiek ražots polietilēns – masīvākais polimērs pasaulē). Parastā stāvoklī propēns ir gāze, tāpat kā tā "radinieks" no alkānu saimes, propāns.
Bet būtiskā atšķirība starp propānu un propēnu ir tā, ka tā sastāvā ir dubultsaite, kas radikāli maina tā ķīmiskās īpašības. Tas ļauj pievienot citas vielas nepiesātinātai ogļūdeņraža molekulai, kā rezultātā rodas savienojumi ar pilnīgi atšķirīgām īpašībām, kas bieži vien ir ļoti svarīgi rūpniecībai un ikdienas dzīvei.
Ir pienācis laiks runāt par reakcijas teoriju, kas patiesībā ir šī raksta tēma. Nākamajā sadaļā uzzināsiet, ka propilēna hidratācija rada vienu no rūpnieciski svarīgākajiem produktiem, kā arī to, kā notiek šī reakcija un kādas ir nianses tajā.
Hidrācijas teorija
Vispirms pievērsīsimies vispārīgākam procesam - atrisināšanai -, kas ietver arī iepriekš aprakstīto reakciju. Tā ir ķīmiska transformācija, kas sastāv no šķīdinātāja molekulu pievienošanas izšķīdušās vielas molekulām. Tajā pašā laikā tie var veidot jaunas molekulas jeb tā sauktos solvātus, daļiņas, kas sastāv no izšķīdušās vielas un šķīdinātāja molekulām, kas savienotas ar elektrostatisko mijiedarbību. Mēs esam tikai ieinteresētipirmā veida vielas, jo propilēna hidratācijas laikā pārsvarā veidojas šāds produkts.
Solvatējot iepriekš aprakstītajā veidā, šķīdinātāja molekulas tiek piesaistītas izšķīdušajai vielai, tiek iegūts jauns savienojums. Organiskajā ķīmijā hidratācija pārsvarā veido spirtus, ketonus un aldehīdus, taču ir daži citi gadījumi, piemēram, glikolu veidošanās, taču mēs tos neapspriedīsim. Patiesībā šis process ir ļoti vienkāršs, bet tajā pašā laikā diezgan sarežģīts.
Hidrācijas mehānisms
Divkāršā saite, kā zināms, sastāv no divu veidu atomu savienojuma: pi- un sigma-saitēm. Pi-saite vienmēr ir pirmā, kas pārtrūkst hidratācijas reakcijas laikā, jo tā ir mazāk spēcīga (tai ir zemāka saistīšanās enerģija). Kad tas saplīst, pie diviem blakus esošajiem oglekļa atomiem veidojas divas brīvas orbitāles, kas var veidot jaunas saites. Ūdens molekula, kas pastāv šķīdumā divu daļiņu veidā: hidroksīda jonu un protonu, spēj savienoties pa pārrautu dubultsaiti. Šajā gadījumā hidroksīda jons ir pievienots centrālajam oglekļa atomam, bet protons - otrajam, galējam. Tādējādi propilēna hidratācijas laikā pārsvarā veidojas propanols 1 jeb izopropilspirts. Šī ir ļoti svarīga viela, jo, to oksidējot, var iegūt acetonu, ko plaši izmanto mūsu pasaulē. Mēs teicām, ka tā veidojas pārsvarā, taču tā nav pilnīgi taisnība. Man jāsaka tā: vienīgais produkts, kas veidojas propilēna hidratācijas laikā, un tas ir izopropilspirts.
Tas, protams, ir visi smalkumi. Patiesībā visu var aprakstīt daudz vienkāršāk. Un tagad mēs uzzināsim, kā skolas kursā tiek reģistrēts tāds process kā propilēna hidratācija.
Reakcija: kā tas notiek
Ķīmijā parasti visu apzīmē vienkārši: ar reakciju vienādojumu palīdzību. Tātad apspriežamās vielas ķīmisko transformāciju var aprakstīt šādi. Propilēna hidratācija, kuras reakcijas vienādojums ir ļoti vienkāršs, notiek divos posmos. Pirmkārt, tiek salauzta pi saite, kas ir dubultā daļa. Tad ūdens molekula divu daļiņu, hidroksīda anjona un ūdeņraža katjona formā tuvojas propilēna molekulai, kurā šobrīd ir divas brīvas vietas saišu veidošanai. Hidroksīda jons veido saiti ar mazāk hidrogenēto oglekļa atomu (tas ir, ar to, kuram ir piesaistīts mazāk ūdeņraža atomu), un attiecīgi protonu ar atlikušo galējo daļu. Tādējādi iegūst vienu produktu: piesātināto vienvērtīgo spirtu izopropanolu.
Kā ierakstīt reakciju?
Tagad mēs iemācīsimies ķīmiskā valodā pierakstīt reakciju, kas atspoguļo tādu procesu kā propilēna hidratācija. Nepieciešamā formula ir: CH2 =CH - CH3. Šī ir sākotnējās vielas - propēna formula. Kā redzat, tam ir dubultā saite, kas apzīmēta ar "=", un šeit tiks pievienots ūdens, kad propilēns tiks hidratēts. Reakcijas vienādojumu var uzrakstīt šādi: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. Hidroksilgrupa iekavās nozīmēka šī daļa neatrodas formulas plaknē, bet gan zemāk vai augstāk. Šeit mēs nevaram parādīt leņķus starp trim grupām, kas stiepjas no vidējā oglekļa atoma, bet pieņemsim, ka tie ir aptuveni vienādi viens ar otru un veido 120 grādus.
Kur tas attiecas?
Jau teicām, ka reakcijas laikā iegūtā viela tiek aktīvi izmantota citu vitāli svarīgu vielu sintēzei. Pēc struktūras tas ir ļoti līdzīgs acetonam, no kura tas atšķiras tikai ar to, ka hidroksogrupas vietā ir keto grupa (tas ir, skābekļa atoms, kas savienots ar dubultsaiti ar slāpekļa atomu). Kā zināms, pats acetons tiek izmantots šķīdinātājos un lakās, bet papildus tam tiek izmantots kā reaģents sarežģītāku vielu, piemēram, poliuretānu, epoksīdsveķu, etiķskābes anhidrīda un tā tālākai sintēzei.
Acetona ražošanas reakcija
Mēs domājam, ka būtu lietderīgi aprakstīt izopropilspirta pārvēršanu acetonā, jo īpaši tāpēc, ka šī reakcija nav tik sarežģīta. Sākumā propanols tiek iztvaicēts un oksidēts ar skābekli 400-600 grādos pēc Celsija uz īpaša katalizatora. Ļoti tīru produktu iegūst, veicot reakciju uz sudraba sieta.
Reakcijas vienādojums
Mēs neiedziļināsimies propanola oksidēšanās reakcijas mehānismā par acetonu, jo tas ir ļoti sarežģīti. Mēs aprobežojamies ar parasto ķīmisko pārveidošanas vienādojumu: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) - CH3 +H2O. Kā redzat, diagrammā viss ir diezgan vienkāršs, taču ir vērts iedziļināties procesā, un mēs saskarsimies ar vairākām grūtībām.
Secinājums
Tāpēc mēs analizējām propilēna hidratācijas procesu un pētījām reakcijas vienādojumu un tā rašanās mehānismu. Apskatītie tehnoloģiskie principi ir pamatā reālajiem procesiem, kas notiek ražošanā. Kā izrādījās, tie nav īpaši grūti, taču tiem ir reāls ieguvums mūsu ikdienas dzīvē.
