Orgaanilised ained on meie elus olulisel kohal. Need on meid kõikjal ümbritsevate polümeeride põhikomponendid: need on kilekotid ja kumm, aga ka paljud muud materjalid. Polüpropüleen ei ole selle sarja viimane etapp. Seda leidub ka erinevates materjalides ja seda kasutatakse paljudes tööstusharudes, nagu ehitus, kodukasutus plasttopside materjalina ja muud väikesed (kuid mitte tööstuslikud) vajadused. Enne kui räägime sellisest protsessist nagu propüleeni hüdratatsioon (tänu millele, muide, saame isopropüülalkoholi), pöördume selle tööstusele vajaliku aine avastamise ajaloo poole.
Ajalugu
Sellisena ei ole propüleenil avamiskuupäeva. Selle polümeeri – polüpropüleeni – avastas aga 1936. aastal kuulus Saksa keemik Otto Bayer. Muidugi oli teoreetiliselt teada, kuidas nii olulist materjali saab, kuid praktikas polnud seda võimalik teha. See sai võimalikuks alles 20. sajandi keskel, kui Saksa ja Itaalia keemikud Ziegler ja Natt avastasid küllastumata süsivesinike polümerisatsiooni katalüsaatori (millel on üks või mitu mitut sidet), mishiljem nimetati seda Ziegler-Natta katalüsaatoriks. Kuni selle hetkeni oli selliste ainete polümerisatsioonireaktsiooni toimumine täiesti võimatu. Tunti polükondensatsioonireaktsioone, kui ilma katalüsaatorita ühendati ained polümeeriahelaks, moodustades kõrvalsaadusi. Kuid küllastumata süsivesinikega ei olnud seda võimalik teha.
Teine selle ainega seotud oluline protsess oli selle hüdratiseerimine. Propüleeni oli selle kasutamise alguses üsna palju. Ja kõik see on tingitud propeeni taaskasutamise meetoditest, mille on leiutanud erinevad nafta- ja gaasitöötlemisettevõtted (seda nimetatakse mõnikord ka kirjeldatud aineks). Kui õli krakiti, oli see kõrvalsaadus ja kui selgus, et selle derivaat isopropüülalkohol on paljude inimkonnale kasulike ainete sünteesi aluseks, patenteerisid paljud ettevõtted, näiteks BASF, oma meetodi selle valmistamiseks. ja hakkas selle ühendiga massiliselt kauplema. Propüleeni hüdraatimist prooviti ja rakendati enne polümerisatsiooni, mistõttu hakati atsetooni, vesinikperoksiidi ja isopropüülamiini tootma enne polüpropüleeni.
Propeeni õlist eraldamise protsess on väga huvitav. Tema poole me nüüd pöördume.
Propüleeni eraldamine
Tegelikult on teoreetilises mõttes peamine meetod ainult üks protsess: nafta ja sellega seotud gaaside pürolüüs. Kuid tehnoloogilised teostused on vaid meri. Fakt on see, et iga ettevõte püüab leida ainulaadset viisi ja seda kaitsta.patent ja teised sellised ettevõtted otsivad samuti oma viise, kuidas propeeni toorainena ikkagi toota ja müüa või sellest erinevaid tooteid valmistada.
Pürolüüs ("püro" - tuli, "lüüs" - hävitamine) on keemiline protsess, mille käigus laguneb keeruline ja suur molekul kõrge temperatuuri ja katalüsaatori mõjul väiksemateks. Nafta, nagu teate, on süsivesinike segu ja koosneb kergetest, keskmistest ja rasketest fraktsioonidest. Esimestest saadakse pürolüüsi käigus madalaima molekulmassiga propeen ja etaan. See protsess viiakse läbi spetsiaalsetes ahjudes. Kõige arenenumate tootmisettevõtete jaoks on see protsess tehnoloogiliselt erinev: ühed kasutavad soojuskandjana liiva, teised kvartsi, teised koksi; võite ahjud jagada ka nende struktuuri järgi: on olemas torukujulised ja tavapärased, nagu neid nimetatakse, reaktorid.
Aga pürolüüsiprotsess võimaldab saada ebapiisav alt puhast propeeni, kuna lisaks sellele tekib seal tohutul hulgal süsivesinikke, mida tuleb siis üsna energiakuluk alt eraldada. Seetõttu kasutatakse järgnevaks hüdreerimiseks puhtama aine saamiseks ka alkaanide dehüdrogeenimist: meie puhul propaani. Nii nagu polümerisatsioon, ei toimu ül altoodud protsess lihts alt. Vesiniku lõhenemine küllastunud süsivesiniku molekulist toimub katalüsaatorite toimel: kolmevalentne kroomoksiid ja alumiiniumoksiid.
Noh, enne kui liigume edasi hüdratatsiooniprotsessi toimumise loo juurde, vaatame meie küllastumata süsivesinike struktuuri.
Propüleeni struktuuri omadused
Propeen ise on alles alkeenide seeria teine liige (ühe kaksiksidemega süsivesinikud). Kerguse poolest on see teine etüleeni järel (millest, nagu võite arvata, valmistatakse polüetüleen - maailma kõige massiivsem polümeer). Tavalises olekus on propeen gaas, nagu ka tema "sugulane" alkaanide perekonnast, propaan.
Aga oluline erinevus propaani ja propeeni vahel seisneb selles, et viimase koostises on kaksikside, mis muudab radikaalselt selle keemilisi omadusi. See võimaldab teil siduda teisi aineid küllastumata süsivesiniku molekuliga, mille tulemuseks on täiesti erinevate omadustega ühendid, mis on sageli tööstuse ja igapäevaelu jaoks väga olulised.
On aeg rääkida reaktsiooniteooriast, mis on tegelikult selle artikli teema. Järgmisest jaotisest saate teada, et propüleeni hüdraatimisel saadakse üks tööstuslikult kõige olulisematest toodetest, samuti saate teada, kuidas see reaktsioon toimub ja millised on selle nüansid.
Hüdratsiooniteooria
Esm alt pöördume üldisema protsessi – lahendamise – juurde, mis hõlmab ka ülalkirjeldatud reaktsiooni. See on keemiline muundamine, mis seisneb lahusti molekulide lisamises lahustunud aine molekulidele. Samal ajal võivad need moodustada uusi molekule ehk nn solvaate, osakesi, mis koosnevad elektrostaatilise interaktsiooni kaudu ühendatud lahustunud aine ja lahusti molekulidest. Oleme ainult huvitatudesimest tüüpi ained, sest propüleeni hüdratatsiooni käigus tekib valdav alt selline toode.
Eelpool kirjeldatud viisil solvateerimisel kinnituvad lahustimolekulid lahustunud aine külge, saadakse uus ühend. Orgaanilises keemias moodustuvad hüdraatimisel valdav alt alkoholid, ketoonid ja aldehüüdid, kuid on ka mõned muud juhtumid, näiteks glükoolide moodustumine, kuid me neid ei puuduta. Tegelikult on see protsess väga lihtne, kuid samal ajal üsna keeruline.
Niisutusmehhanism
Kaksikside, nagu teate, koosneb kahte tüüpi aatomite ühendusest: pi- ja sigma-sidemest. Pi-side katkeb hüdratatsioonireaktsiooni ajal alati esimesena, kuna see on vähem tugev (sellel on madalam sidumisenergia). Kui see puruneb, moodustub kahe naabersüsinikuaatomi juures kaks vaba orbitaali, mis võivad moodustada uusi sidemeid. Veemolekul, mis eksisteerib lahuses kahe osakese: hüdroksiidiooni ja prootoni kujul, on võimeline ühinema mööda katkenud kaksiksidet. Sel juhul on hüdroksiidioon seotud keskse süsinikuaatomiga ja prooton - teise, äärmusliku külge. Seega tekib propüleeni hüdraatimisel valdav alt propanool 1 ehk isopropüülalkohol. See on väga oluline aine, kuna selle oksüdeerimisel võib saada atsetooni, mida meie maailmas laialdaselt kasutatakse. Me ütlesime, et see moodustatakse valdav alt, kuid see pole täiesti tõsi. Pean ütlema seda: ainus toode, mis tekkis propüleeni hüdraatimisel, ja see on isopropüülalkohol.
See on muidugi kõik peensused. Tegelikult saab kõike palju lihtsam alt kirjeldada. Ja nüüd saame teada, kuidas sellist protsessi nagu propüleeni hüdratatsioon koolikursusel registreeritakse.
Reaktsioon: kuidas see juhtub
Keemias tähistatakse tavaliselt kõike lihts alt: reaktsioonivõrrandite abil. Seega saab käsitletava aine keemilist muundumist kirjeldada nii. Propüleeni hüdratiseerimine, mille reaktsioonivõrrand on väga lihtne, toimub kahes etapis. Esiteks katkeb pi-side, mis on osa topelt. Seejärel läheneb kahe osakese, hüdroksiidi aniooni ja vesiniku katiooni kujul olev veemolekul propüleeni molekulile, millel on praegu sidemete moodustamiseks kaks vaba kohta. Hüdroksiidiioon moodustab sideme vähem hüdrogeenitud süsinikuaatomiga (st sellega, millega on seotud vähem vesinikuaatomeid) ja prootoniga vastav alt ülejäänud äärmusega. Nii saadakse üksainus saadus: küllastunud ühehüdroksüülne alkohol isopropanool.
Kuidas reaktsiooni salvestada?
Nüüd õpime, kuidas keemilises keeles üles kirjutada reaktsiooni, mis peegeldab sellist protsessi nagu propüleeni hüdratatsioon. Vajalik valem on järgmine: CH2 =CH - CH3. See on algse aine - propeeni valem. Nagu näete, on sellel kaksikside, mis on tähistatud tähega "=", ja see on koht, kus propüleeni hüdraatumisel lisatakse vett. Reaktsioonivõrrandi saab kirjutada järgmiselt: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. Sulgudes olev hüdroksüülrühm tähendabet see osa ei asu valemi tasapinnal, vaid allpool või üleval. Siin ei saa me näidata kolme keskmisest süsinikuaatomist ulatuva rühma vahelisi nurki, kuid oletame, et need on üksteisega ligikaudu võrdsed ja moodustavad 120 kraadi.
Kus see kehtib?
Oleme juba öelnud, et reaktsiooni käigus saadud ainet kasutatakse aktiivselt teiste elutähtsate ainete sünteesiks. See on oma struktuurilt väga sarnane atsetooniga, millest see erineb ainult selle poolest, et hüdroksorühma asemel on ketorühm (see tähendab hapnikuaatom, mis on kaksiksidemega ühendatud lämmastikuaatomiga). Nagu teate, kasutatakse atsetooni ennast lahustites ja lakkides, kuid lisaks kasutatakse seda reagendina keerukamate ainete, näiteks polüuretaanide, epoksüvaikude, äädikhappe anhüdriidi jne sünteesiks.
Atsetooni tootmisreaktsioon
Me arvame, et oleks kasulik kirjeldada isopropüülalkoholi muundumist atsetooniks, eriti kuna see reaktsioon pole nii keeruline. Alustuseks propanool aurustatakse ja oksüdeeritakse hapnikuga temperatuuril 400-600 kraadi Celsiuse järgi spetsiaalsel katalüsaatoril. Reaktsiooni läbiviimisel hõbedasel võrgul saadakse väga puhas toode.
Reaktsioonivõrrand
Me ei hakka üksikasjalikult kirjeldama propanooli oksüdatsiooni atsetooniks reaktsiooni mehhanismi, kuna see on väga keeruline. Piirdume tavalise keemilise teisendusvõrrandiga: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) – CH3 +H2O. Nagu näete, on diagrammil kõik üsna lihtne, kuid protsessi tasub süveneda ja me puutume kokku mitmete raskustega.
Järeldus
Nii analüüsisime propüleeni hüdratatsiooni protsessi ning uurisime reaktsioonivõrrandit ja selle toimumise mehhanismi. Vaadeldavad tehnoloogilised põhimõtted on tootmises toimuvate reaalsete protsesside aluseks. Nagu selgus, pole need kuigi keerulised, kuid neil on meie igapäevaelus tõeline kasu.
