II.2. Химический (молекулярный) состав нефтей и природных газов

Химический состав органических веществ

	СОДЕРЖАНИЕ, %
С	Н	О
Клетчатка		6,5	49,5
Древесина		6,0
Торф
Бурый уголь
Каменный уголь
Сапропель		7,2	37,8
Горючие сланцы		7,5	32,5
Сапропелит
Нефть
Асфальт

Как видно из таблицы нефть по своему элементарному составу близка к другим полезным ископаемым органического происхождения. Это предполагает единый источник их образования. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 79,5-87,5%, в газах – от 42 до 78%. Водород содержится в нефтях в количестве 11-14%, в газах – 14-24%. Отношение углерода к водороду колеблется в нефтях в пределах 6-8, в газах – 3-4,3. В газах некоторых месторождений содержится свободный водород, азот, углекислый газ. Сера в нефтях присутствует в свободном, либо в связанном состоянии. Связанная сера находится в виде сероводорода, либо входит в состав высокомолекулярных органических соединений. Содержание ее в нефтях иногда достигает 7-8%.

Кислород в нефтях присутствует в виде кислородных соединений нафтеновых кислот, фенолов и смолистых веществ, в газах встречается главным образом в составе углекислого газа. Содержание углекислого газа в природных газах изменяется от нуля до 100%. Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная масса его находится в смолах. В газах азот находится в свободном виде, в них его содержание колеблется в широких пределах – от нуля до почти чисто азотных газов.

Количество гелия в газах обычно не более 1-2% (редко до 10%), аргона – менее 1%, лишь иногда достигает 2%.

В золе нефтей обнаружено много других элементов в небольших количествах: кремний, алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, медь, стронций, барий, марганец, хром, кобальт и др.

Нефти различаются по содержанию изотопов углерода, водорода, кислорода, серы и азота. Известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Масса протона близка к массе атома водорода, заряд его равен заряду электрона, но противоположен по знаку. Количество протонов в ядре равно количеству электронов в атоме. Нейтрон электрически нейтрален, масса его несколько больше массы протона. Атомы элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Углерод имеет три изотопа: с массовыми числами 12, 13, 14 – ¹²С, ¹³С, ¹⁴С, из них последний радиоактивный. Он ассимилируется живыми организмами из атмосферы. Водород имеет три изотопа: ¹Н – протий, ²Н – дейтерий, ³Н – тритий, из них тритий радиоактивный. Кислород имеет три изотопа: ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Сера имеет четыре изотопа: ³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S. Азот имеет два стабильных изотопа: ¹⁴N, ¹⁵N. Наибольшее содержание в нефтях имеют легкие изотопы С, О, S, N, а из изотопов водорода – дейтерий.

Основными компонентами газа газовых месторождений являются метан и его гомологи: этан, пропан, бутан, пентан, гексан. Общая их формула С_nH_2n+2. Среди гомологов метана обычно преобладает этан, затем пропан. Газ, богатый этаном, пропаном, бутаном, пентаном называется жирным. Неуглеводородные компоненты газа представлены обычно азотом и углекислым газом, примесью сероводорода. В незначительных количествах присутствуют благородные газы – гелий и аргон. Содержание азота в газах достигает до 50%, углекислого газа - до 100%, сероводорода – до 6%, гелия – до 10%, аргона – до 2%.

Нефть представляет собой смесь трех основных групп углеводородов: метановых (парафиновых, алкановых), нафтеновых (циклановых), ароматических (ареновых).

Метановые углеводороды - полностью насыщенные соединения, не способные к реакциям присоединения. Общая их формула С_nH_2n+2. Они могут иметь нормальное строение в виде неразветвленных цепей или изостроение в виде разветвленных цепей.

Нормальное строение: CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

Изостроение: CH₃-CH-CH₃

|

CH₃

Простейшие члены содержащие в молекуле от одного до пяти атомов углерода при нормальной температуре являются газами. К газам относятся: CH₄ - метан, C₂H₆ – этан, C₃H₈ – пропан, C₄H₁₀ – бутан, C₅H₁₂ – пентан. Углеводороды, содержащие от 6 до 20 атомов углерода в молекуле, являются жидкими. Высокомолекулярные алканы имеют твердое состояние, называются парафинами.

Нафтеновые углеводороды – непредельные, циклические* соединения, углеводородные цепи которых замкнуты в пяти и шестичленные кольца. Общая их формула С_nH_2n. Содержание водорода в них меньше, чем в метановых углеводородах.

СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН₂

СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН СН СН₂

½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½

СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН СН СН₂

СН₂ СН₂ СН₂ СН₂

В нафтеновой группе могут быть одно, два или более колец. К ним могут присоединяться цепочки метанового строения – алкильные группы. Особенностью нафтеновых углеводородов и их производных является способность к изомеризации, т.е. к образованию разветвленных цепей. Под влиянием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходит в пятичленные. В легких фракциях нафтеновых нефтей преобладают производные циклогегсана, в более тяжелых – полициклические углеводороды. Углеводородные соединения, в молекулах которых присутствует более 20 атомов углерода представляют собой твердые вещества – битумы.

Ароматические углеводороды имеют общую формулу С_nH_2n-6. Основой их строения являются бензольные кольца. Эти соединения обладают повышенной неустойчивостью и химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми углеводородами, высокой растворяющей способностью. Такие свойства обусловлены наличием в ядре двойных связей, одна из которых может стать свободной и присоединить другие молекулы. Моноциклические арены – премущественно гомологи бензола с недлинными боковыми цепями.

СН СН₂ СН₂

СН СН СН₂ С СН

½½ ½ ½ ½½ ½

СН СН СН₂ С СН

СН СН₂ СН

Среди полициклических ароматических углеводородов преобладают нафталин и его гомологи. Это уже не нефть, а битумы, с высоким молекулярным весом.

В нефтях и газах содержатся соединения, в молекулах которых помимо углеводородных радикалов входят атомы серы, азота и кислорода. Содержание метановых углеводородов в нефтях различных типов составляет 25 - 70%, нафтеновых – 15 - 75%, ароматических - до 35%. По Дж.Ханту (1987) в "типичной" нефти, имеющей плотность 850 кг/м³ содержание метановых углеводородов составляет 25%, нафтеновых – 50%, ароматических – 17%, смол и асфальтенов – 8%.