Материал: Практикум (лабораторные)

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1.Во время проведения лабораторных работ на рабочем месте необходимо соблюдать чистоту и порядок. Беспорядок и небрежность часто портят результат работы и могут привести к несчастным случаям.

2.Не разрешается работать в лаборатории в отсутствие лаборанта или преподавателя, а так же производить в лаборатории работы, не связанные с выполнением задания.

3.Каждый опыт нужно проводить не торопясь, внимательно прочитав содержание методики и обратив особое внимание на последовательность прибавления реактивов. Если есть неясность в проведении опыта, обязательно перед началом работы выяснить все вопросы с лаборантом или преподавателем.

4.При проведении опытов с легковоспламеняющимися жидкостями (этиловым спиртом, ацетоном, бензолом и др. соединениями) необходимо использовать небольшие количества веществ, а нагрев проводить на небольшом пламени горелки!

5.Категорически запрещается пробовать какие-либо вещества на вкус; ни в коем случае нельзя подносить сосуд к носу и делать глубокий вдох.

6.Категорически запрещается выносить из лаборатории какие-либо реактивы.

7.Будьте внимательны при проведении опытов, сопровождаемых нагреванием исходных реагентов на пламени газовой горелки:

-пользуйтесь держателями для пробирок во избежание ожогов рук;

-отверстие нагреваемой пробирки должно быть направлено в сторону, противоположную от работающего, во избежание попадания горячей реакционной массы на одежду и открытые части тела в случае

непредвиденного выброса содержимого пробирки; - в случае резкого вскипания реакционной массы необходимо убрать пробирку с содержимым из зоны нагрева.

8.Особенно внимательно следует работать с легко воспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ). Они легко воспламеняются, быстро горят, выделяя тепло в 10 раз интенсивнее, чем древесина. В

зависимости от температуры вспышки ЛВЖ можно условно разделить на три группы:

а) особо опасные: бензин, гексан, ацетон, эфир и др.; б) постоянно опасные: бензол, диоксан, гептан, лигроин, толуол, этанол и др.;

в) опасные при повышенной температуре: бромбензол, бутанол, керосин, пропанол, стирол, уксусная кислота, хлорбензол и др. Поэтому при работе с ЛВЖ следует:

- не допускать попадания горючих паров в атмосферу (предотвращать образование пожароопасных смесей);

-исключить возможность воспламенения (не нагревать ЛВЖ на открытом огне);

-не выливать отходы ЛВЖ в канализацию.

9.В опытах, где используется металлический натрий, необходимо соблюдать особую осторожность:

-хранить металлический натрий под слоем керосина;

-не допускать соприкосновения натрия с водой;

-не брать натрий руками, а доставать его пинцетом или щипцами;

-нарезать металлический натрий нужно на сухой фильтровальной

бумаге, предварительно очистив его от окисной пленки; - неиспользованные кусочки натрия и отходы ни в коем случае не

бросать в раковину или мусорный ящик, а отдать лаборанту; 10.При работе с едкими щелочами и концентрированными кислотами

не допускать попадания их на кожу, особенно беречь глаза. 11.При возникновении пожара необходимо:

-немедленно выключить газ по всей лаборатории и все обогревающие приборы;

-убирать все горючие вещества подальше от огня;

-засыпать леском или накрыть одеялом очаг пожара;

-большое пламя тушить огнетушителем;

-загоревшуюся одежду накрыть войлочным одеялом и не снимать,

пока не погаснет пламя;

-о пожаре сообщить дежурному пожарной охраны или по 01. 12.Первая помощь при ожогах и отравлениях:

-при термических ожогах немедленно делайте примочку раствором перманганата калия или этиловым спиртом, a затем смажьте обожженное место мазью от ожогов;

-при ожогах кислотами промойте хорошо обожженное место сильной струей воды, а затем слабым раствором соды и снова водой;

-при ожогах едкими щелочами хорошо промоете ожог проточной

водой, а затем разбавленной уксусной кислотой и снова водой;

Лабораторная работа № 1

ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕГОНКА НЕФТИ

Введение

Наиболее важными источниками углеводородов являются нефть и горючие (природные и попутные) газы.

Природными называются газы, образующие самостоятельное месторождение. Главным компонентом их является метан (до 9698%).

Попутными называются газы, сопровождающие нефть при её добыче. Наряду с метаном (содержание до 70 %) в них содержатся также этан, пропан, бутан и пары низкомолекулярных жидких углеводородов.

Следует отметить, что в состав и природных, и попутных газов входят, наряду с углеводородами, некоторые неорганические газы – например, азот, сероводород, гелий, углекислый газ и др.

Все нефти содержат алканы, циклоалканы и арены. Количественное содержание этих углеводородов в различных нефтях неодинаково и также зависит от месторождения. Кроме того, в нефтях имеются гетероатомные соединения, содержащие кислород, серу, азот. В нефти также содержатся минеральные вещества в виде различных солей.

Нефть представляет собой сложную смесь органических веществ, главным образом, углеводородов. Все нефти содержат метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды, однако количественное содержание углеводородов этих рядов в различных нефтях неодинаково. Кроме того, в нефтях имеются в небольшом количестве органические соединения, содержащие серу, азот, кислород.

Перегонка нефти - процесс разделения ее на фракции по температурам кипения - лежит в основе переработки нефти в моторное топливо, смазочные масла и другие ценные химические продукты. С перегонки нефти начинают также изучение ее химического состава.

Основные фракций и продукты, которые получают при прямой перегонке нефти:

1.Бензиновая фракция (от начала кипения до 150-205 0С (в

зависимости от технологической цели получения авто-, авиа-, или другого специального бензина)) – смесь алканов, нафтенов и ароматических углеводородов. Во всех этих углеводородах содержится от 5 до 10 атомов углерода.

2.Керосиновая фракция (I80-270°C) - содержит углеводороды С10–С15, используется в качестве компо-нента моторного топлива для реактивных и дизельных двигателей, для бытовых нужд (осветительный керосин).

3.Газойлевая фракция (270-350°С) содержит углеводороды C16- C20, может быть использована в качестве компонента дизельного топлива, а также как сырье для крекинга.

4.Мазут - нефтяной остаток, кипящий выше 320-350°С. Мазут может использоваться как котельное топливо, или подвергаться дальнейшей переработке либо крекингу, либо перегонке при пониженном давлении (в вакууме) для предотвращения его термического разложения. При этом отбирают масляные фракции (для получения солярового, трансформаторного, веретенного, машинного и др. масел) или широкую фракцию вакуумного газойля (в свою оче-редь, служащего сырьем для каталитического крекинга с целью получения высокооктанового компонента бензина).

5.Гудрон - почти твердый остаток после отгона от мазута

масляных фракций. Из него получают так называемые остаточные масла и битум, из которого путем окисления получают асфальт, используемый при строительстве дорог и т.п. Из гудрона и других остатков вторичного происхождения может быть получен путем коксования кокс, применяемый в металлургической промышленности.

Методика проведения работы

В колбу Вюрца (объемом 100 мл) наливают 50 мл сырой нефти. Колбу закрывают пробкой с термометром и соединяют с холодильником, к которому присоединяют аллонж и приемники (рис.

используют три небольшие конические колбочки, которые предварительно взвешивают. Результаты взвешивания вносят в таблицу №1. Колбу Вюрца осторожно нагревают на песчаной бане или на асбестовой сетке. Отмечают начало кипения (н.к.) первой фракции и отбирают продукт до 180°C (при достижении температуры отгоняющихся паров 135°С прекращают подачу воды в холодильник). Затем колбу-приемник меняют и отбирают керосиновую (180-270°С) и газойлевую (270-350°С) фракции.

Приемники с отобранными дистиллятами взвешивают и по разности определяют массу каждой фракции, заполняя таким образом таблицу №1. Затем при помощи мензурок определяют объем каждой фракций и вычисляют плотность (ρрасч) для каждой фракции, используя формулу (1). Результаты заносят в таблицу №2.

Убеждаются, что плотность фракций растет с увеличением температуры иx кипения.

После этого аналогичные фракции от всех опытов сливаются в одну мензурку, и плотность всех фракций определяется с помощью ареометров (ρэкс). Полученные данные сравниваются с вычисленными.

Результаты перегонки заносят и таблицу №2.

Таблица №1

№m(пустого m(приемника m(фракции)

1

2

3

Таблица №2

Материальный баланс фракционной перегонки нефти

Вопросы для самоконтроля:

1.Что представляет собой нефть? Газ? Газоконденсат?

2.Приведите примеры углеводородов, содержащихся в нефти.

3.Что такое первичная перегонка нефти?

4.В чем заключается атмосферная перегонка нефти? На какие фракции разделяют нефть при перегонке?

5.В чем заключается вакуумная перегонка? Когда она применяется? На какие фракции разделяют мазут при вакуумной перегонке?

6.Что определяет температуру кипения фракции?

7.От чего зависит фракционный состав нефти?

8.Что такое плотность нефти и плотность нефтепродуктов? В каких пределах изменяется плотность нефти? Как изменяется плотность фракции в зависимости от температуры? Какими двумя методами можно определить плотность нефтепродукта?

9.Углеводороды каких классов содержатся в нефти?

10.Углеводороды с каким числом углеродных атомов содер-жатся в бензиновой фракции? Какие углеводороды входят в состав газойлевой фракции? Керосиновой фракции? Мазута?

11.В какой фракции содержатся углеводороды: С6Н6, С6Н12, С6Н5- СН3? Углеводороды С6Н5-С2Н5, С7Н16, С8Н18? Углеводороды С8Н18, С6Н6? Назовите их.

12.Охарактеризуйте фракционный состав нефти и поясните использование в нефтепереработке следующих нефтяных фракций: а) бензиновой фракции; б) керосиновой фракции; в) дизельной фракции; г) мазута; д) вакуумного газойля; е) масляных фракций; ж) гудрона.

13.Почему мазут перегоняют при пониженном давлении?

14.Как вы представляете себе работу ректификационной колонны?

15.Что такое крекинг?

16.По каким основным параметрам качества оценивают товарную нефть?

17.Дайте определение понятию "глубина переработки нефти".

18.Охарактеризуйте основные направления переработки нефти (топливный, масляный и нефтехимический).

Рис. 1. Установка для перегонки нефти.

1- перегонная колба (колба Вюрца); 2- холодильник; 3- алонж; 4- приемник.

Лабораторная работа №2

УГЛЕВОДОРОДЫ НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Введение.

Нефть представляет собой сложную смесь соединений, состоящих в основном из углеводородов. Углеводороды нефтей представляют собой алканы, циклоалканы (нафтены), арены, а также углеводороды смешанного строения.

При добыче нефти её часто сопровождают попутные газы. В основном это также углеводороды (низкомолекулярные алканы). В результате различных процессов нефтепереработки и нефтехимии получают, наряду с насыщенными, также непредельные углеводороды – алкены, алкадиены, алкины.

Целью данной работы является ознакомление с некоторыми методами получения и химическими свойствами отдельных представителей указанных выше типов углеводородов, входящих в состав нефтей и нефтепродуктов.

Алканы (предельные, метановые, насыщенные, парафины) – это углеводороды, в состав молекул которых входят атомы углерода, связанные только одинарными связями. Общая формула алканов - СnН2n+2. Все атомы углерода находятся в состоянии гибридизации sp3, все связи в алканах равноценны и находятся под тетраэдрическим углом друг к другу.

В химическом отношении при обычных условиях алканы малореакционноспособны. К настоящему времени известны следующие основные типы реакций, в которые вступают алканы: реакции замещения водорода (проходят по радикальному механизму, часто только при облучении), реакции окисления, дегидрирования, крекинга (т.е. идущие с расщеплением связей С-С).

Алкены (этиленовые, непредельные, ненасыщенные, олефины) – углеводороды, в молекулах которых между двумя атомами углерода имеется двойная связь. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии гибридизации sp2. Двойная связь представляет собой сочетание одинарной -связи, образованной за счет осевого перекрывания гибридизованных sp2-орбиталей, и -связи, образованной за счет бокового перекрывания негибридизованных р- орбиталей. Общая формула алкенов СnН2n.

Алкены – это самый реакционноспособный тип углеводородов. В основном реакции идут за счет раскрытия двойной -связи под действием различных реагентов, поскольку -связь намного слабее, чем -связь. Основные типы реакций алкенов - присоединение по месту разрыва двойной связи, полимеризация, окисление.

Циклоалканы (полиметиленовые, циклопарафины) – являются, как и алканы, предельными, насыщенными углеводородами, все атомы углерода в которых находятся в состоянии гибридизации sp3. Атомы углерода в незамещенных циклоалканах замкнуты в цикл. В

нефтях найдены циклические углеводороды с пятью и шестью атомами углерода в цикле, поэтому такие циклоалканы получили название нафтенов. Общая формула циклоалканов СnН2n.

По химическим свойствам нафтены похожи на алканы, т.е. малореакционноспособны. Из особых реакций следует отметить реакцию дегидрирования шестичленных нафтенов (реакция Зелинского), которая даёт возможность получать из низкооктановых нафтенов высокооктановые арены.

Арены (ароматические углеводороды) – углеводороды, в состав молекул которых входит особая группировка - бензольное кольцо

( ). Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии

гибридизации sp2. Общая формула простейших аренов СnН2n-6.

Арены вступают в реакции замещения в бензольном кольце (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование), в реакции окисления, присоединения, замещения водорода в боковых цепях (последние аналогичны реакциям алканов).

Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения водорода в бензольном кольце. При наличии в бензольном кольце заместителей следующая группа встает не в любое, а в строго определенное положение по отношению к первой. Заместители, которые облегчают проведение реакций и посылают следующую группу в орто-, и пара-положения по отношению к себе, называются заместителями (ориентантами) I рода. Это алкильные группы Alk- (CH3-, C2H5- и т.п.), группы –ОН, NH2, а также галогены (однако последние затрудняют протекание реакции). Заместители, которые затрудняют реакции и посылают следующую группу в метаположение по отношению к себе, называются заместителями (ориентантами) II рода. К ним относятся: -NO2, -SO3H, -COOH, -C N, -СHO.

Арены являются высокооктановыми компонентами моторных топлив, однако часто токсичными. Циклоалканы и нормальные (неразветвленные) алканы обладают низкими октановыми числами. Наиболее ценными компонентами бензинов являются разветвленные алканы.

Порядок выполнения работы

Алканы и циклоалканы

Опыт 1. Химические свойства гексана и циклогексана.

Гексан и циклогексан представляют собой бесцветные прозрачные жидкости с характерным запахом. Температуры их кипения 68,7 0С и 81,4 0С соответственно, плотности 20 =0,6548 и 0,7786 г/см3. 4

а) отношение к кислотам

Вдве пробирки наливают по 1 мл гексана и циклогексана, затем

вкаждую добавляют по 1 мл конц. H2SO4. Встряхивают пробирки, отмечают отсутствие протекания в них каких-либо реакций.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 + H2SO4(k)

+ H2SO4(k)

б) отношение к щелочам Повторяют опыт а), но вместо кислоты в пробирки добавляют

раствор щелочи NaOH. Реакции также не идут. в) отношение к окислителям

Вкачестве окислителя используют раствор перманганата калия, однако обесцвечивание раствора KMnO4 не происходит даже при встряхивании и нагревании.

г) отношение к галогенам

Вдве пробирки, содержащие по 1 мл гексана и циклогексана, добавляют по несколько капель бромной воды желтого цвета. Обесцвечивания растворов не происходит.

Опыт 2. Получение и свойства этилена.

Готовят заранее две пробирки: с бромной водой и с раствором перманганата калия. В третью, сухую пробирку помещают 1 мл этилового спирта и осторожно приливают 2 мл концентрированной серной кислоты. В разогревшуюся смесь бросают кипелку, закрывают пробирку газоотводной трубкой и начинают медленно и осторожно нагревать до начала равномерного выделения газа. Реакция внутримолекулярной дегидратации (отщепление воды) протекает по уравнению:

Как только из реакционной пробирки начинает выделяться этилен, опускают газоотводную трубку поочередно в пробирки с бромной водой и перманганатом калия. Наблюдают, как при пропускании газа через приготовленные растворы они постепенно обесцвечиваются (во время опыта полезно подводящую газ трубочку время от времени вынимать из пробирок с раствором брома и перманганата калия и встряхивать их) в результате протекания следующих реакций:

Галогенирование (присоединения брома):

CH2=CH2+ Br2 Br-CH2-CH2-Br 1,2-дибромэтан

Окисление:

этиленгликоль (1,2-этандиол)

Затем, не прекращая нагревания пробирки со смесью спирта и кислоты, газоотводную трубку поворачивают отверстием вверх и зажигают выделяющийся этилен.

Опыт 3. Бромирование 1-гексена и циклогексена.

В одну пробирку наливают 1 мл 1-гексена, в другую-1 мл циклогексена. Добавляют в каждую 0,5 мл бромной воды. Встряхивают пробирки, наблюдают почти мгновенное исчезновение брома в обеих пробирках в результате протекания реакции бромирования:

циклогексен 1,2-дибромциклогексан

Опыт 4. Получение и свойства ацетилена.

В сухую пробирку помещают кусочки карбида кальция, затем прикапывают насколько капель воды и быстро закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой. В пробирке наблюдается вспенивание за счет выделения газа. Опустите газоотводную трубку в