октановое число приняли за 100, а для н-гептана, который обладает сильно выраженной склонностью к детонации, октановое число приравняли к 0. Смешивая изооктан и н-гептан, можно получать промежуточные октановые числа. Например, бензин с октановым числом 90 обладает такими же антидетонационными свойствами, как смесь из 90% изооктана и 10% н-гептана. Чем выше октановое число, тем более высокими антидетонационными свойствами обладает бензин.
Бензин, получаемый из нефти путем простой перегонки, содержит много углеводородов нормального строения, поэтому, как уже говорилось, обладает низким октановым числом (50-60). Такой бензин не может служить горючим для двигателей современных автомобилей. Для повышения октанового числа поступают так: или в горючее вводят добавки, которые регулируют процесс сгорания бензина (или обладают высоким октановым числом), или подвергают бензин различным химическим воздействиям. В качестве добавок могут служить различные антидетонаторы, например, марганецорганическое соединение С5Н5Мn(СО)3. Еще совсем недавно с этой целью широко использовали тетраэтилсвинец Рb(С2Н5)4, незначительное количество которого (0,05%), добавленное к горючему, повышало его октановое число. Но тетраэтилсвинец оказался очень ядовитым соединением. Сейчас «этилированный бензин» (бензин, к которому добавляли тетраэтилсвинец) не используется. Увеличить октановое число бензина можно добавлением в него изооктана, бензола, этилового спирта и некоторых других веществ.
Бензин с более высоким октановым числом получается при крекинге. В зависимости от типа крекинга это число составляет 70-80. Следует отметить, что применение каталитического крекинга (по сравнению с термическим) позволяет повысить октановое число бензина приблизительно на 10 единиц. Качество бензина можно улучшить также риформингом. Риформинг похож на процесс крекинга. Его проводят в паровой фазе под давлением и при нагревании в присутствии катализаторов. При этом молекулы с неразветвленной цепью углеродных атомов превращаются в разветвленные или образуются ароматические соединения. Особая заслуга в решении вопросов ароматизации нефти принадлежит знаменитому химику-органику Н. Д. Зелинскому.
В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель изобрел двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В цилиндрах этих двигателей происходит быстрое сжатие воздуха до высоких давлений. Дизельные двигатели установлены на судах, тепловозах, грузовых автомобилях, тракторах и дизельных электростанциях. Для дизельного двигателя необходимо другое горючее, которое назвали дизельным топливом. Это топливо отличается от бензина по числу углеродных атомов (15-20) и кипит при температуре 180-360 °С.
С появлением реактивной авиации произошло второе «рождение» керосина. Издавна он исправно выполнял свою роль. Без него не обходились бытовые осветительные и нагревательные приборы. Еще сейчас можно кое-где встретить старые керосинки, керогазы и примусы. Правда, они уже отслужили свой век. На смену им пришло электричество и газ. А на смену винтовой авиации пришла авиация реактивная. Это произошло в начале 50-х гг. XX в. Реактивная авиация — основной потребитель керосина. Для реактивных самолетов бензин непригоден. Почему?
Керосин кипит в интервале 200-300 °С, а бензин — при 40-195 °С. Если бы реактивные самолеты использовали бензин, то высота их полета была бы значительно ниже. Известно, что атмосферное давление падает при подъеме. Поэтому потребовалась бы сверхтщательная герметизация топливных баков и всей топливной системы в самолете. Это, в свою очередь, увеличило бы его массу и усложнило конструкцию. Кроме того, при увеличении скорости самолета топливо в баках заметно нагревается. Чем выше скорость, тем выше температура. Например, при скорости самолета даже ниже скорости звука топливо в топливных насосах и топливомасляном радиаторе нагревается до 100-120 °С. Если же скорость самолета выше скорости звука, то приходится учитывать и трение самолета о воздух. Например, при скорости 2300 км/ч топливо разогревается до 180 °С! В этих условиях бензин начал бы кипеть, а керосин — нет. Поэтому для реактивных самолетов керосин стал основным видом топлива. Это важно еще и потому, что керосин дешевле, а реактивные самолеты расходуют топливо в огромных количествах. Так, самолет Ил-86 за один час полета «съедает» до 11,5 т топлива, а Ил-76 — 8 т. Даже небольшой Як-40 расходует за один час 1,2 т.
Но керосин — топливо не только для реактивной авиации. Это также и жидкое топливо для ракет. Известно, что в американских ракетах типа «Атлас» топливом служит смесь керосиновой и бензиновой фракций нефти. Двигатели, которые выводили советские космические корабли «Восток» на орбиту Земли, также работали на керосине.
14.3. Уголь глазами химиков
Поговорим об угле — веществе, которое согревает и освещает, а также служит сырьем для промышленного производства огромного числа органических веществ.
Было время, когда человек знал только один уголь — древесный. Он был необходим человеку, когда тот научился работать с металлом. Это было около 5-6 тыс. лет назад. Человек сам изготавливал древесный уголь. Но однажды он нашел готовый уголь, который создала сама природа. Он отличался от древесного угля, потому что был похож на камень. Это был каменный уголь. Чтобы создать такой уголь, природе потребовались миллионы лет. Уголь — вещество растительного происхождения, образовавшееся из древесины, т. е. в конечном счете — из целлюлозы. В течение миллионов лет при отсутствии воздуха при повышенном давлении и температуре, часто в присутствии влаги происходили процессы обугливания. Так возник каменный уголь.
Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Из 3,5 трлн т органического топлива, которые можно извлечь из земных недр, 80% составляет уголь.
Уголь — сложная смесь веществ, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В состав угля входят также минеральные вещества, содержащие соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния и других элементов.
Полезной частью каменного угля является органическая масса, которая придает ему горючие свойства. Это смесь высокомолекулярных соединений с небольшим количеством битумов.
Уголь в жизни людей играет огромную роль. Прежде всего уголь — источник энергии. Подумайте только: одним килограммом угля можно нагреть 7 т воды на 1 °С или 70 кг воды — до 100 °С. Но уголь — не только источник энергии, но и богатый источник разнообразных органических веществ.
Существуют три основных направления переработки каменного угля: коксование, гидрирование и неполное сгорание.
Коксование каменного угля. Основная цель этого процесса — получение кокса для металлургических заводов. Более 80% вырабатываемого кокса используют для выплавки чугуна (доменный кокс). При этом кокс служит не только топливом, но и восстановителем руды. Кокс содержит 96-98% углерода.
Коксование угля проводится в коксовых печах, состоящих из камер, в верхней части которых находятся отверстия для загрузки угля (рис. 31). Камеры отделены друг от друга отопительными простенками. В них сжигается газ, предварительно подогретый в регенераторах, которые расположены под камерами. Температура в камерах 1000-1200 °С. При этой температуре без доступа воздуха каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуются кокс и летучие продукты. Коксование каменного угля — периодический процесс: после выгрузки кокса в камеру загружается новая порция угля. Полученный кокс гасят водой. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.
При охлаждении летучих продуктов (коксовый, или светильный, газ) образуется каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), азот, этилен и другие вещества. Пропуская эти газы через раствор серной кислоты, выделяют аммиак в виде сульфата аммония, который используют как азотистое удобрение. Бензол поглощают растворителем, а затем отгоняют его из раствора. После отделения от аммиака и бензола коксовый газ используют в качестве топлива или химического сырья. Такой очищенный газ содержит метан и водород.
Каменноугольная смола образуется в незначительных количествах (до 3%). Но учитывая масштабы производства кокса, каменноугольная смола применяется в качестве сырья для получения большого количества органических веществ. Из каменноугольной смолы получают бензол и его производные, нафталин, фенол и другие ароматические соединения. Если из смолы отогнать продукты, кипящие до 350 °С, то остается твердая масса — пек. Он может служить для изготовления лаков (пековый лак), незаменимых при окрашивании железных и деревянных конструкций. Это предохраняет их от гниения и коррозии.
Гидрирование угля. При температуре 450-500 °С под давлением водорода в присутствии катализатора из угля образуется смесь жидких углеводородов, которая может служить в качестве моторного топлива. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного дешевого бурого угля.
Неполное сгорание (газификация твердого топлива). Этот процесс является источником оксида углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и оксида углерода (II), смесь которых называется синтез-газом (СО + Н2), можно получать бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
К сожалению, такой бензин имеет низкое октановое число и нуждается в дополнительной переработке.
Глава 15Друг или враг?
15.1. Злые силы
Подавляющее большинство органических веществ, о которых вы прочли в этой книге, верно служат людям. Они являются источниками разнообразных и необходимых для человека продуктов. Трудно переоценить роль органической химии в жизни современных людей. Она дает людям одежду и обувь, лекарства и красители, полимерные материалы, разнообразные предметы быта и многое другое.