Нефть представляет собой многофазную систему, состоящую в основном из жидких углеводородов, в которых растворены также вещества в газообразной и твёрдой фазах. Это сложнейшая природная смесь органического происхождения.
Из этого уникального природного сырья производятся тысячи разнообразных продуктов. Более 70% энергетических ресурсов страны обеспечивается именно за счёт топлив, получаемых из нефти и природных газов, при этом значительная доля их идёт на нужды автотранспорта. Кроме того, растёт использование нефтепродуктов при создании синтетических материалов, а также в качестве смазочных веществ, что делает нефть и попутный газ исключительно ценной основой для выпуска технических жидкостей, масел и горючих смесей.
Первое промышленное применение нефти восходит к XIX веку, когда началась эпоха массовой добычи и переработки этого полезного ископаемого. Уже в 1859 году в США была пробурена первая нефтяная скважина, положившая начало современному нефтяному производству. Однако задолго до этого нефть использовалась в хозяйственных и медицинских целях в древнем Вавилоне, Египте и Персии. С течением времени с развитием органической химии стало ясно, что нефть – это не просто горючее, а сложнейшая смесь органических соединений, обладающих огромным потенциалом в производстве топлива, масел, пластмасс и других синтетических материалов.
Для того чтобы эксплуатация транспорта с использованием нефтяных компонентов была надёжной, а также для обеспечения стабильности свойств при их хранении и транспортировке, важно хорошо понимать химическую природу углеводородов, составляющих основу нефти.
В составе нефти главенствуют углерод и водород. Концентрация углерода варьируется от 83% до 87%, а водород присутствует в пределах 11–14%. Количество атомов углерода в составе углеводородных молекул может варьироваться от одного до более пятидесяти. Метан СН4 до С4Н10 (бутан) при нормальных условиях — это газы, а углеводороды с числом атомов углерода выше 15 проявляют твёрдое агрегатное состояние.
Таким образом, нефть представляет собой жидкую при обычной температуре смесь множества органических соединений, растворяющих в себе как смолистые компоненты, так и твёрдые фракции.
В химическом плане углеводороды, входящие в состав нефти, весьма разнообразны — это соединения, относящиеся к парафинам, нафтенам и аренам, образующие гомологические ряды.
Среди этих гомологов выделяются следующие типы веществ: СnН2n+2 — это насыщенные алканы (предельные соединения),
СnН2n — циклоалканы или нафтены, и
СnН2n–6 — ароматические углеводороды, известные также как арены.
Нефтепродукты, такие как моторные топлива и смазочные жидкости, по своему составу аналогичны нефти — они также состоят из молекул углеводородов, различающихся по массе и молекулярной архитектуре.
Парафиновые соединения, являющиеся насыщенными углеводородами, в органической химии классифицируются как алканы. Их общая формула — СnН2n+2, а атомы углерода в их структуре соединены в открытые цепи. Влияние массы молекулы и наличие изомерных форм определяет различия в их свойствах. С увеличением числа атомов углерода в цепи возрастает плотность, а также температуры кипения и плавления.
Парафиновые компоненты, входящие в состав нефтяных фракций, отличаются устойчивостью к химическим воздействиям. Они практически не вступают в реакции с большинством веществ при стандартных условиях, в частности, малореакционноспособны к присоединению.
Циклоалканы, или нафтены, представляют собой насыщенные углеводороды с замкнутой структурой. Углеродные атомы в них соединяются в кольца с помощью одинарных связей. Благодаря этой особенности их также называют циклопарафинами.
В составе нефти преобладают пяти- и шестиатомные нафтеновые кольца, соответствующие общей формуле СnН2n. Разнообразие их свойств определяется числом колец, их геометрией, а также наличием и конфигурацией боковых цепей. С увеличением размера кольца наблюдается рост плотности и температуры кипения, причём эти параметры, как правило, выше, чем у аналогичных парафинов. Как и парафины, нафтены малоактивны, устойчивы к окислительным процессам и обладают хорошей стабильностью, что делает их подходящими для создания долговечных масел и топлив.
Ароматические соединения в составе нефтяных компонентов включают углеродное кольцо с делокализованной π-системой, которое носит название бензольного ядра. Самый простой представитель — бензол (С6Н6). Гомологические соединения, в которых атомы водорода замещены на алкильные группы, описываются формулой СnН2n–6. Помимо одноядерных, в нефтепродуктах встречаются и полициклические соединения — с двумя и более ароматическими кольцами. К примеру, нафталиновые углеводороды соответствуют формуле СnН2n–12.
Плотность ароматических соединений заметно выше, чем у парафиновых или нафтеновых аналогов с идентичной массой. Бензол и его производные обладают уникальной реакционной способностью, позволяя осуществлять разнообразные химические трансформации. При этом они демонстрируют высокую устойчивость к окислению, в особенности в воздушной среде. Такая инертность делает их ценными компонентами в составах бензинов и масел, которым требуется высокая термическая и химическая стабильность при хранении и эксплуатации.
Непредельные углеводороды, получившие название олефины, отличаются наличием одной двойной связи между атомами углерода в линейной цепи. Они описываются формулой СnН2n, аналогичной нафтенам, хотя отличаются структурой. По ряду физических свойств — таких как плотность, температура плавления и кипения — олефины близки к алканам, и различия между ними невелики.
Олефиновые соединения практически отсутствуют в природной нефти, однако могут образовываться в процессе её переработки. При определённых термических воздействиях, особенно в реакциях крекинга, содержание олефинов в бензинах может достигать 30–40%. В силу своей высокой реакционной способности, олефины применяются в производстве синтетических углеводородов, полимеров и широкого спектра химической продукции.
Однако высокая химическая активность олефинов имеет и отрицательные стороны: они подвержены окислению, что снижает стабильность продуктов, в которых они содержатся. К примеру, бензины, полученные методом термического крекинга, склонны к образованию смол при хранении. Также возрастает скорость старения материалов на их основе — таких как синтетические каучуки, что может приводить к потере эластичности и ухудшению эксплуатационных свойств изделий.
Кроме углеводородных соединений, нефть также содержит в своём составе определённые количества веществ, молекулы которых включают элементы, такие как сера, кислород и азот. Хотя их совокупное содержание, как правило, не превышает 3% от общего состава нефти, тем не менее, эти компоненты при переработке переходят в готовые нефтепродукты и в значительной степени определяют их эксплуатационные характеристики, а также химическую и термическую стабильность.
Серосодержащие соединения традиционно подразделяются на две группы: активные и пассивные. К числу активных веществ, способных вызывать коррозию металлов при стандартных условиях хранения и эксплуатации, относятся такие соединения, как элементарная сера (S), сероводород (H2S), а также органические производные сероводорода — меркаптаны с общей формулой R-SH, где R обозначает углеводородную часть молекулы.
Присутствие элементарной серы в составе нефти — в растворённом либо взвешенном виде — представляет собой серьёзную опасность с точки зрения коррозионной активности, поскольку даже при низких температурах она способна разрушать металл и нарушать целостность металлических конструкций, контактирующих с нефтепродуктами.
Сероводород — это летучее токсичное соединение с характерным, чрезвычайно неприятным запахом. Он хорошо растворяется в водной среде и в гораздо меньшей степени — в углеводородах, что используется в технологии его удаления. Раствор сероводорода в воде проявляет слабокислотные свойства, благодаря чему он способен замещать атом водорода на атомы металла, что приводит к интенсивному коррозионному воздействию. Именно эти химические особенности объясняют, почему сероводород, наряду с элементарной серой, отнесён к группе наиболее коррозионно-опасных компонентов нефти.
Меркаптаны, также известные как тиолы, представляют собой соединения, образованные путём замещения одного атома водорода в молекуле сероводорода на углеводородный радикал. Несмотря на такую модификацию, меркаптаны сохраняют кислые свойства и вступают в реакции с металлами, формируя меркаптиды металлов типа R-SМ. Это объясняет их активное участие в коррозионных процессах при нормальных температурных условиях.
Меркаптаны характеризуются высокой летучестью и резко выраженным неприятным запахом, который ощущается даже при незначительных концентрациях. Они хорошо растворяются в углеводородной фазе, включая бензин, дизельное топливо и прочие нефтепродукты, но почти не растворимы в воде, что затрудняет их удаление из топлива.
Что касается неактивных сернистых соединений, то они, как правило, химически нейтральны и не вызывают разрушения металлов при обычных условиях эксплуатации. Однако при сгорании топлива с их участием образуются окислы серы — сернистый и серный ангидриды. Эти газы, в присутствии водяного пара, трансформируются в сильные кислоты (H2SO3 и H2SO4), значительно усиливающие коррозионное воздействие. Одним из представителей этой группы соединений являются сульфиды с формулой RSR′, в которых атомы водорода сероводорода полностью замещены углеводородными радикалами.
Кислородсодержащие вещества в нефти включают широкий спектр соединений: от сложных смолистых структур (на их долю приходится около 93% кислорода, содержащегося в нефти) до более простых компонентов, таких как фенолы, жирные кислоты и их производные. Среди них особенно выделяются органические кислоты, которые встречаются в нефти в виде разнообразных структур.
Органические кислоты, в том числе нафтеновые, входят в состав практически всех видов нефти и широко распространены в нефтепродуктах — как в топливах, так и в смазочных материалах. Их химическая структура выражается следующими формулами:
R – COOH или HOOC – R – COOH,
где под R понимается углеводородный радикал с различным строением, чаще всего относящийся к циклическому (нафтеновому) ряду, что и определяет название данных соединений — нафтеновые кислоты.
Современные методы анализа позволяют выделить в нефти нафтеновые кислоты с углеродным скелетом, включающим от 7 до 30 атомов углерода. Однако получение чистых индивидуальных представителей затруднено, поэтому на практике оперируют не отдельными веществами, а их комплексными смесями, которые получают из различных фракций нефти и классифицируют по названиям этих фракций: керосиновые, газойлевые и т.д.
Нефтяные кислоты имеют характерные физико-химические свойства: высокая температура кипения (выше 200 ºС), плотность, близкая к единице при температуре +20 ºС, хорошая растворимость в нефтяной среде и почти полная нерастворимость в воде.
Основные химические свойства органических кислот определяются наличием в молекулах карбоксильной группы –СООН. Именно этот фрагмент молекулы делает возможным реакцию замещения водорода на металл, что приводит к образованию нафтенатов — солей нафтеновых кислот. Подобные реакции часто происходят на контактных участках систем топливоподачи и смазки, вызывая серьёзную коррозию деталей и образование вредных примесей в виде осадков.
Смолисто-асфальтеновые компоненты, такие как смолы и асфальтены, относятся к наиболее сложным молекулярным образованиям, содержащим кроме углерода и водорода также атомы серы и кислорода. Эти компоненты присутствуют практически во всех продуктах нефтепереработки, за исключением бензина прямой перегонки, из которого они не переходят в силу низкой испаряемости. Особенно в больших количествах данные вещества обнаруживаются в тяжёлых остаточных продуктах — мазутах.
Поскольку химическая структура этих соединений остаётся до конца не изученной, классификация их основывается на физических свойствах, в первую очередь — на способности растворяться в различных фракциях углеводородов.
Классификация включает:
1. Нейтральные смолы — вязкие жидкости или аморфные вещества с плотностью около 1, хорошо растворяющиеся в большинстве нефтяных фракций. Их содержание в нефти варьируется от 5% до 40%. Цвет варьируется от коричневого до чёрного. Эти вещества окрашивают топливо и масла, однако обладают низкой термической стабильностью и склонностью к образованию твёрдых отложений при использовании.
При накоплении нейтральные смолы оседают на внутренних поверхностях двигателя, провоцируя образование нагара, закоксовку поршневых колец и снижение КПД. Хотя их полное удаление из топлива положительно влияет на его стабильность, оно существенно усложняет технологический процесс и увеличивает себестоимость нефтепродуктов. В ряде случаев удаление смол может быть даже вредно, так как смолы выполняют антиокислительную функцию и обеспечивают дополнительную защиту смазочных материалов.
2. Асфальтены — это плотные твёрдые вещества буро-чёрного цвета, хрупкие по структуре, с плотностью, превышающей 1. В отличие от нейтральных смол, асфальтены не растворяются в парафинах и нафтенах, но хорошо растворимы в ароматических углеводородах, таких как бензол. Их доля в нефти, как правило, не превышает 5%, однако наличие асфальтенов в готовых смазочных материалах недопустимо, поэтому они полностью удаляются на стадии очистки.
3. Кислые смолы внешне напоминают нейтральные, но имеют повышенную плотность и значительно меньшую растворимость в углеводородах. Особенно плохо они растворяются в бензинах, из-за чего выпадают в осадок и оседают на элементах двигателей в виде вязких отложений, ухудшающих работу топливной системы.
Соединения азота в природной нефти встречаются в ничтожных концентрациях. В связи с этим они не оказывают существенного влияния на основные характеристики топлива и смазочных материалов и обычно не учитываются при стандартной оценке качества нефтепродуктов.
Интересные факты:
-
В составе нефти может находиться до 200 различных углеводородов, включая парафины, нафтены и арены, а также соединения серы, кислорода и азота.
-
Некоторые нефтепродукты, полученные из тяжёлых фракций нефти, способны сохранять свои физико-химические свойства десятилетиями, что особенно важно для хранения стратегических запасов топлива.
-
Нефтяные кислоты используются не только как компоненты масел, но и как сырьё для производства металлоорганических присадок, способствующих защите от износа и коррозии.
-
Ароматические углеводороды, несмотря на свою устойчивость, являются предшественниками многих полимеров, включая синтетический каучук и пластмассы.
-
Олефины, практически отсутствующие в сырой нефти, могут составлять до 40% в продуктах термического крекинга, играя важную роль в получении синтетических масел и топлива.
Современное техническое развитие невозможно представить без использования нефтяного сырья и его производных. Химическая сложность и многообразие соединений, входящих в состав нефти, открывают широкие возможности для производства высококачественных топлив, масел, смазочных и специальных технических жидкостей. Однако эффективное применение этих материалов требует глубокого понимания их физико-химических свойств, взаимодействия с окружающей средой, устойчивости при хранении и эксплуатации. Знание состава нефти, структуры углеводородов, а также особенностей содержащихся в ней серо-, кислород- и азотсодержащих соединений позволяет не только повысить надёжность автомобильной техники, но и разрабатывать новые, более устойчивые и эффективные материалы. Таким образом, нефть остаётся не просто топливом, а стратегическим химическим ресурсом мирового значения.
Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.