Удивительный мир органической химии

Изучением нефти и продуктов ее переработки занимались многие ученые мира, но особую роль в этом сыграли русские ученые. Всех интересовал вопрос: как возникла нефть? Появились две теории — органическая и неорганическая. Согласно первой теории нефть возникла из органического сырья, т. е. из остатков некогда населявших планету растений и животных. Эта теория находит свое подтверждение в том, что в нефти обнаружены некоторые азотистые органические вещества, являющиеся, вероятно, продуктами распада природных веществ, присутствующих в тканях растений. Согласно второй теории нефть образовалась в результате действия воды в толщах земного шара на раскаленные карбиды металлов (соединения металлов с углеродом). В результате этого под влиянием высокой температуры и давления могли образоваться различные углеводороды. Эту теорию поддерживал Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907). Этот выдающийся русский химик особенно много сделал для развития нефтехимии и нефтяной промышленности в России.

Бурение нефтяных скважин началось с 1859 г. Горный инженер Г. Д. Романовский для бурения использовал даже паровую машину. Первая в мире нефтяная скважина была заложена в 1864 г. на Кубани, а в 1868 г. на реке Ухте. Спустя 3 года началось широкое применение бурения нефтяных скважин в России. Однако, несмотря на это, основным продуктом, используемым при переработке нефти, был все же керосин. Его применяли для заправки осветительных ламп. Получаемый при перегонке нефти бензин либо сжигали, либо сливали в реки (вот уже когда возникали проблемы с экологией!). Д. И. Менделеев доказывал, что получать и использовать из нефти только керосин — слишком расточительно. Из нефти, по мнению ученого, можно получать гораздо больше ценных продуктов. По инициативе Д. И. Менделеева под г. Ярославлем в 1879 г. был построен Константиновский нефтеперерабатывающий завод (в 1934 г. ему было присвоено имя Д. И. Менделеева), на котором получали не только керосин, но и смазочные масла, а также более десяти видов других нефтепродуктов.

В 1875 г. А. А. Летний установил, что при температуре свыше 300 °С тяжелые нефтяные остатки (после перегонки нефти) частично разлагаются на более легкие продукты — бензин, керосин и газы.

Изучением нефти занималась также одна из первых русских женщин-химиков — Юлия Всеволодовна Лермонтова (1847-1919), дальняя родственница великого поэта.

Если при переработке нефти самым ценным продуктом оставался все же керосин, то с бензином не знали, что и делать. Но времена менялись. В 1860 г. был изобретен двигатель внутреннего сгорания, который в качестве горючего мог использовать только бензин. Число автомобилей, хотя и медленно, начало расти. Вот тогда и появился спрос на бензин. Более того, бензина стало не хватать! Но возникла другая проблема: бензин, получаемый из нефти путем простой перегонки, оказался мало пригодным для двигателей внутреннего сгорания. Нужно было срочно решать эту проблему. Продолжая работы А. А. Летнего, выдающийся русский изобретатель Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939) в 1891 г. открыл новый метод получения бензина из высококипящих фракций нефти. Такой процесс был назван крекингом (от англ. to crack — расщеплять). Однако царское правительство не спешило с внедрением этого изобретения. Поэтому первые установки крекинга нефтепродуктов в нашей стране были построены только в советское время.

Если прямая перегонка нефти — физический процесс (он не изменяет строение молекул углеводородов нефти), то крекинг нефтепродуктов — процесс химический. При нагревании высококипящих фракций нефти до высоких температур без доступа воздуха происходит расщепление молекул, содержащих значительное число атомов углерода, на меньшие. При этом образуются как предельные, так и непредельные углеводороды. Если при крекинге процесс проводят только при высокой температуре (без катализатора), то это — термический крекинг. Он имеет цепной радикальный механизм.

Полученные при этом углеводороды также участвуют в процессе крекинга, разлагаясь на углеводороды с еще более короткими углеродными цепями. Место разрыва углеродной цепи определяется температурой и давлением. С повышением температуры разрыв происходит ближе к краю цепи с образованием устойчивых углеводородов с короткими цепями. С повышением давления цепь разрывается ближе к середине.

Если же при крекинге используют катализатор (например, SiO₂ или Аl₂O₃), то это каталитический крекинг, который имеет, скорее всего, ионный характер.

Несмотря на разнообразные варианты процесса крекинга, происходит практически одно и то же: высококипящие составные части нефти расщепляются до более легкокипящих соединений. Жидкие и газообразные продукты крекинга разделяют на специальных установках — ректификационных колоннах. Наиболее ценная жидкая фракция — бензиновая.