Sustanțele organice ocupă un loc important în viața noastră. Ele sunt componenta principală a polimerilor care ne înconjoară peste tot: acestea sunt pungi de plastic și cauciuc, precum și multe alte materiale. Polipropilena nu este ultimul pas din această serie. De asemenea, se găsește în diverse materiale și este utilizat într-o serie de industrii, cum ar fi construcții, uz casnic ca material pentru pahare de plastic și alte nevoi mici (dar nu la scară industrială). Înainte de a vorbi despre un astfel de proces precum hidratarea propilenei (mulțumită căruia, apropo, putem obține alcool izopropilic), să trecem la istoria descoperirii acestei substanțe necesare industriei.
Istorie
Ca atare, propilena nu are o dată de deschidere. Cu toate acestea, polimerul său - polipropilena - a fost de fapt descoperit în 1936 de celebrul chimist german Otto Bayer. Desigur, se știa teoretic cum se putea obține un astfel de material important, dar nu a fost posibil să se facă acest lucru în practică. Acest lucru a fost posibil abia la mijlocul secolului al XX-lea, când chimiștii germani și italieni Ziegler și Natt au descoperit un catalizator pentru polimerizarea hidrocarburilor nesaturate (având una sau mai multe legături multiple), caremai târziu l-au numit catalizatorul Ziegler-Natta. Până în acel moment, a fost absolut imposibil să se realizeze reacția de polimerizare a unor astfel de substanțe. Erau cunoscute reacțiile de policondensare, când, fără acțiunea unui catalizator, substanțele erau combinate într-un lanț polimeric, formând produse secundare. Dar nu a fost posibil să se facă acest lucru cu hidrocarburi nesaturate.
Un alt proces important asociat cu această substanță a fost hidratarea acesteia. Propilena în anii de la începutul utilizării sale a fost destul de mult. Și toate acestea se datorează metodelor de recuperare a propenei inventate de diverse companii de prelucrare a petrolului și gazelor (aceasta este uneori numită și substanța descrisă). Când petrolul a fost crăpat, era un produs secundar și când s-a dovedit că derivatul său, alcoolul izopropilic, stă la baza sintezei multor substanțe utile omenirii, multe companii, precum BASF, și-au patentat metoda de producere. și a început tranzacționarea în masă a acestui compus. Hidratarea propilenei a fost încercată și aplicată înainte de polimerizare, motiv pentru care acetona, peroxidul de hidrogen, izopropilamina au început să fie produse înainte de polipropilenă.
Procesul de separare a propenei de ulei este foarte interesant. La el ne întoarcem acum.
Separarea propilenei
De fapt, în sens teoretic, metoda principală este un singur proces: piroliza petrolului și gazelor asociate. Dar implementările tehnologice sunt doar o mare. Faptul este că fiecare companie se străduiește să obțină o modalitate unică și să o protejeze.brevet și alte astfel de companii caută, de asemenea, propriile modalități de a produce și de a vinde în continuare propenă ca materie primă sau de a o transforma în diverse produse.
Piroliza ("piro" - foc, "liză" - distrugere) este un proces chimic de descompunere a unei molecule complexe și mari în altele mai mici sub influența temperaturii ridicate și a unui catalizator. Uleiul, după cum știți, este un amestec de hidrocarburi și este format din fracții ușoare, medii și grele. Dintre primele, cea mai mică greutate moleculară, propena și etanul sunt obținute în timpul pirolizei. Acest proces se realizează în cuptoare speciale. Pentru cele mai avansate companii de producție, acest proces este diferit din punct de vedere tehnologic: unii folosesc nisip ca purtător de căldură, alții folosesc cuarț, alții cocs; de asemenea, puteți împărți cuptoarele în funcție de structura lor: există reactoare tubulare și convenționale, așa cum se numesc, reactoare.
Dar procesul de piroliză face posibilă obținerea de propenă insuficient de pură, deoarece, pe lângă aceasta, se formează acolo un număr imens de hidrocarburi, care apoi trebuie separate în moduri destul de consumatoare de energie. Prin urmare, pentru a obține o substanță mai pură pentru hidratarea ulterioară, se folosește și dehidrogenarea alcanilor: în cazul nostru, propan. La fel ca polimerizarea, procesul de mai sus nu se întâmplă pur și simplu. Divizarea hidrogenului dintr-o moleculă de hidrocarbură saturată are loc sub acțiunea catalizatorilor: oxid de crom trivalent și oxid de aluminiu.
Ei bine, înainte de a trece la povestea despre cum are loc procesul de hidratare, să ne întoarcem la structura hidrocarburii noastre nesaturate.
Caracteristici ale structurii propilenei
Propenul în sine este doar al doilea membru al seriei de alchene (hidrocarburi cu o legătură dublă). În ceea ce privește ușurința, este al doilea după etilenă (din care, după cum ați putea ghici, este fabricată polietilena - cel mai masiv polimer din lume). În starea sa normală, propena este un gaz, la fel ca „ruda” sa din familia alcanilor, propanul.
Dar diferența esențială dintre propan și propenă este că acesta din urmă are o dublă legătură în compoziția sa, care îi schimbă radical proprietățile chimice. Vă permite să atașați alte substanțe la o moleculă de hidrocarbură nesaturată, rezultând compuși cu proprietăți complet diferite, adesea foarte importanți pentru industrie și viața de zi cu zi.
Este timpul să vorbim despre teoria reacției, care, de fapt, face obiectul acestui articol. În secțiunea următoare, veți afla că hidratarea propilenei produce unul dintre cele mai importante produse din punct de vedere industrial, precum și cum are loc această reacție și care sunt nuanțele acesteia.
Teoria hidratării
În primul rând, să trecem la un proces mai general - solvatarea - care include și reacția descrisă mai sus. Aceasta este o transformare chimică, care constă în adăugarea de molecule de solvent la moleculele de dizolvat. În același timp, ele pot forma noi molecule, sau așa-numiții solvați, particule formate din molecule dintr-un dizolvat și un solvent conectate prin interacțiune electrostatică. Suntem doar interesațiprimul tip de substanțe, deoarece în timpul hidratării propilenei se formează predominant un astfel de produs.
La solvatarea în modul descris mai sus, moleculele de solvent sunt atașate de solut, se obține un nou compus. În chimia organică, hidratarea formează predominant alcooli, cetone și aldehide, dar există alte câteva cazuri, cum ar fi formarea de glicoli, dar nu ne vom atinge de ele. De fapt, acest proces este foarte simplu, dar în același timp destul de complicat.
Mecanism de hidratare
Legătura dublă, după cum știți, constă din două tipuri de conexiune de atomi: legături pi și sigma. Legătura pi este întotdeauna prima care se rupe în timpul reacției de hidratare, deoarece este mai puțin puternică (are o energie de legare mai mică). Când se rupe, se formează doi orbitali liberi la doi atomi de carbon vecini, care pot forma noi legături. O moleculă de apă care există în soluție sub formă de două particule: un ion hidroxid și un proton, este capabilă să se unească de-a lungul unei duble legături rupte. În acest caz, ionul hidroxid este atașat la atomul de carbon central, iar protonul - la al doilea, extrem. Astfel, în timpul hidratării propilenei, se formează predominant propanol 1 sau alcool izopropilic. Aceasta este o substanță foarte importantă, deoarece atunci când este oxidată se poate obține acetonă, care este utilizată pe scară largă în lumea noastră. Am spus că se formează predominant, dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Trebuie să spun asta: singurul produs format în timpul hidratării propilenei și acesta este alcoolul izopropilic.
Aceasta sunt, desigur, toate subtilitățile. De fapt, totul poate fi descris mult mai ușor. Și acum vom afla cum este înregistrat un astfel de proces precum hidratarea propilenei în cursul școlar.
Reacție: cum se întâmplă
În chimie, totul este de obicei notat simplu: cu ajutorul ecuațiilor de reacție. Deci transformarea chimică a substanței în discuție poate fi descrisă în acest fel. Hidratarea propilenei, a cărei ecuație de reacție este foarte simplă, se desfășoară în două etape. În primul rând, legătura pi, care face parte din dublu, este ruptă. Apoi, o moleculă de apă sub formă de două particule, un anion hidroxid și un cation de hidrogen, se apropie de molecula de propilenă, care are în prezent două locuri libere pentru formarea legăturilor. Ionul hidroxid formează o legătură cu atomul de carbon mai puțin hidrogenat (adică cu cel de care sunt atașați mai puțini atomi de hidrogen), respectiv cu protonul cu extrema rămasă. Astfel, se obține un singur produs: alcoolul monohidroxilic saturat izopropanol.
Cum se înregistrează o reacție?
Acum vom învăța cum să scriem în limbaj chimic o reacție care reflectă un proces precum hidratarea propilenei. Formula de care avem nevoie este: CH2 =CH - CH3. Aceasta este formula substanței originale - propenă. După cum puteți vedea, are o legătură dublă, marcată cu „= , și aici se va adăuga apă când propilena este hidratată. Ecuația reacției poate fi scrisă astfel: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. Gruparea hidroxil dintre paranteze înseamnăcă această parte nu este în planul formulei, ci dedesubt sau deasupra. Aici nu putem arăta unghiurile dintre cele trei grupuri care se extind de la atomul de carbon din mijloc, dar să presupunem că sunt aproximativ egale între ele și alcătuiesc 120 de grade.
Unde se aplică?
Am spus deja că substanța obținută în timpul reacției este folosită activ pentru sinteza altor substanțe vitale. Este foarte asemănător ca structură cu acetona, de care diferă doar prin aceea că în loc de o grupare hidroxo există o grupare ceto (adică un atom de oxigen conectat printr-o legătură dublă la un atom de azot). După cum știți, acetona în sine este utilizată în solvenți și lacuri, dar, în plus, este folosită ca reactiv pentru sinteza ulterioară a unor substanțe mai complexe, cum ar fi poliuretanii, rășinile epoxidice, anhidrida acetică și așa mai departe.
Reacție de producere a acetonei
Credem că ar fi util să descriem transformarea alcoolului izopropilic în acetonă, mai ales că această reacție nu este atât de complicată. Pentru început, propanolul este evaporat și oxidat cu oxigen la 400-600 de grade Celsius pe un catalizator special. Un produs foarte pur se obține prin efectuarea reacției pe o plasă de argint.
Ecuația reacției
Nu vom intra în detalii despre mecanismul reacției de oxidare a propanolului la acetonă, deoarece este foarte complicat. Ne limităm la ecuația obișnuită de transformare chimică: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) - CH3 +H2O. După cum puteți vedea, totul este destul de simplu pe diagramă, dar merită să ne aprofundăm în proces și vom întâmpina o serie de dificultăți.
Concluzie
Așa că am analizat procesul de hidratare a propilenei și am studiat ecuația reacției și mecanismul apariției acesteia. Principiile tehnologice considerate stau la baza proceselor reale care au loc în producție. După cum sa dovedit, nu sunt foarte dificile, dar au beneficii reale pentru viața noastră de zi cu zi.
