Organske tvari zauzimaju važno mjesto u našim životima. Oni su glavna komponenta polimera koji nas svuda okružuju: to su plastične vrećice, guma, kao i mnogi drugi materijali. Polipropilen nije posljednji korak u ovoj seriji. Također se nalazi u raznim materijalima i koristi se u brojnim industrijama kao što su građevinarstvo, kućanstvo kao materijal za plastične čaše i druge male (ali ne industrijske) potrebe. Prije nego što govorimo o takvom procesu kao što je hidratacija propilena (zahvaljujući kojem, usput rečeno, možemo dobiti izopropil alkohol), okrenimo se povijesti otkrića ove tvari potrebne za industriju.
Povijest
Kao takav, propilen nema datum otvaranja. Međutim, njegov polimer - polipropilen - zapravo je 1936. otkrio poznati njemački kemičar Otto Bayer. Naravno, teoretski se znalo kako se tako važan materijal može dobiti, ali to u praksi nije bilo moguće. To je bilo moguće tek sredinom dvadesetog stoljeća, kada su njemački i talijanski kemičari Ziegler i Natt otkrili katalizator za polimerizaciju nezasićenih ugljikovodika (koji imaju jednu ili više višestrukih veza), kojikasnije su ga nazvali Ziegler-Natta katalizator. Do tog trenutka bilo je apsolutno nemoguće pokrenuti reakciju polimerizacije takvih tvari. Poznate su reakcije polikondenzacije kada se bez djelovanja katalizatora tvari spajaju u polimerni lanac, stvarajući nusproizvode. Ali to nije bilo moguće učiniti s nezasićenim ugljikovodicima.
Još jedan važan proces povezan s ovom tvari bila je njezina hidratacija. Propilena u godinama početka njegove uporabe bilo je dosta. A sve je to zbog metoda oporavka propena koje su izmislile razne tvrtke za preradu nafte i plina (ovo se ponekad naziva i opisanom tvari). Kada je nafta pukla, bila je nusproizvod, a kada se pokazalo da je njegov derivat, izopropil alkohol, osnova za sintezu mnogih tvari korisnih čovječanstvu, mnoge tvrtke, poput BASF-a, patentirale su svoju metodu proizvodnje. i počeo masovno trgovati ovim spojem. Hidratacija propilena je isprobana i primijenjena prije polimerizacije, zbog čega su se prije polipropilena počeli proizvoditi aceton, vodikov peroksid, izopropilamin.
Proces odvajanja propena od ulja je vrlo zanimljiv. Njemu se sada obraćamo.
Odvajanje propilena
Zapravo, u teoretskom smislu, glavna metoda je samo jedan proces: piroliza nafte i pripadajućih plinova. Ali tehnološke implementacije su samo more. Činjenica je da svaka tvrtka nastoji dobiti jedinstven način i zaštititi ga.patenta, a druge takve tvrtke također traže svoje načine da i dalje proizvode i prodaju propen kao sirovinu ili ga pretvaraju u razne proizvode.
Piroliza ("piro" - vatra, "liza" - destrukcija) je kemijski proces razbijanja složene i velike molekule na manje pod utjecajem visoke temperature i katalizatora. Nafta je, kao što znate, mješavina ugljikovodika i sastoji se od lakih, srednjih i teških frakcija. Od prvih, najniže molekularne mase, propen i etan dobivaju se tijekom pirolize. Ovaj se postupak provodi u posebnim pećnicama. Za najnaprednije proizvodne tvrtke ovaj je proces tehnološki drugačiji: neki koriste pijesak kao nosač topline, drugi koriste kvarc, treći koriste koks; također možete podijeliti peći prema njihovoj strukturi: postoje cijevni i konvencionalni, kako ih zovu, reaktori.
Ali proces pirolize omogućuje dobivanje nedovoljno čistog propena, budući da se, osim njega, tu stvara ogroman broj ugljikovodika koji se onda moraju odvajati na prilično energetski zahtjevan način. Stoga se za dobivanje čišće tvari za naknadnu hidrataciju koristi i dehidrogenacija alkana: u našem slučaju propan. Baš kao i polimerizacija, gornji proces se ne događa tek tako. Odvajanje vodika iz molekule zasićenog ugljikovodika događa se pod djelovanjem katalizatora: trovalentnog krom-oksida i aluminijevog oksida.
Pa, prije nego što prijeđemo na priču o tome kako se odvija proces hidratacije, okrenimo se strukturi našeg nezasićenog ugljikovodika.
Značajke strukture propilena
Propen je samo drugi član niza alkena (ugljikovodici s jednom dvostrukom vezom). Po lakoći je drugi nakon etilena (od kojeg se, kao što možete pretpostaviti, proizvodi polietilen - najmasivniji polimer na svijetu). U svom normalnom stanju, propen je plin, kao i njegov "rođak" iz obitelji alkana, propan.
Ali suštinska razlika između propana i propena je u tome što potonji ima dvostruku vezu u svom sastavu, što radikalno mijenja njegova kemijska svojstva. Omogućuje vam priključivanje drugih tvari na nezasićenu molekulu ugljikovodika, što rezultira spojevima s potpuno različitim svojstvima, često vrlo važnim za industriju i svakodnevni život.
Vrijeme je za razgovor o teoriji reakcija, koja je, zapravo, tema ovog članka. U sljedećem odjeljku naučit ćete da hidratacija propilena proizvodi jedan od industrijski najvažnijih proizvoda, kao i kako se ta reakcija događa i koje su nijanse u njoj.
Teorija hidratacije
Prvo, okrenimo se općenitijem procesu - solvataciji - koji također uključuje gore opisanu reakciju. Ovo je kemijska transformacija, koja se sastoji u dodavanju molekula otapala molekulama otopljene tvari. Istodobno, mogu tvoriti nove molekule, odnosno takozvane solvate, čestice koje se sastoje od molekula otopljene tvari i otapala povezane elektrostatičkom interakcijom. Samo nas zanimaprva vrsta tvari, jer tijekom hidratacije propilena pretežno nastaje takav proizvod.
Kada se solvatiraju na gore opisani način, molekule otapala se vežu na otopljenu tvar, dobiva se novi spoj. U organskoj kemiji hidratacija pretežno stvara alkohole, ketone i aldehide, ali ima još nekoliko slučajeva, poput stvaranja glikola, ali ih nećemo dirati. Zapravo, ovaj je proces vrlo jednostavan, ali u isto vrijeme i prilično kompliciran.
Mehanizam za hidrataciju
Dvostruka veza, kao što znate, sastoji se od dvije vrste veze atoma: pi- i sigma-veze. Pi-veza se uvijek prva prekida tijekom reakcije hidratacije, budući da je manje jaka (ima manju energiju vezanja). Kada se razbije, nastaju dvije slobodne orbitale na dva susjedna ugljikova atoma, koji mogu formirati nove veze. Molekula vode koja postoji u otopini u obliku dviju čestica: hidroksidnog iona i protona, sposobna je spojiti se duž prekinute dvostruke veze. U ovom slučaju, hidroksidni ion je vezan za središnji atom ugljika, a proton - za drugi, ekstremni. Dakle, tijekom hidratacije propilena pretežno nastaje propanol 1 ili izopropil alkohol. Ovo je vrlo važna tvar, jer kada se oksidira, može se dobiti aceton, koji se široko koristi u našem svijetu. Rekli smo da se formira pretežno, ali to nije sasvim točno. Moram reći ovo: jedini proizvod koji nastaje tijekom hidratacije propilena, a to je izopropil alkohol.
Ovo su, naravno, sve suptilnosti. Zapravo, sve se može puno lakše opisati. A sada ćemo saznati kako se takav proces kao što je hidratacija propilena bilježi u školskom tečaju.
Reakcija: kako se to događa
U kemiji se sve obično označava jednostavno: uz pomoć jednadžbi reakcija. Dakle, kemijska transformacija tvari o kojoj se raspravlja može se opisati na ovaj način. Hidratacija propilena, čija je jednadžba reakcije vrlo jednostavna, odvija se u dvije faze. Prvo se prekida pi veza, koja je dio dvojnika. Tada se molekula vode u obliku dviju čestica, hidroksidnog aniona i vodikovog kationa, približava molekuli propilena, koja trenutno ima dva slobodna mjesta za stvaranje veza. Hidroksidni ion tvori vezu s manje hidrogeniranim atomom ugljika (tj. s onim na koji je vezano manje atoma vodika), a proton s preostalim ekstremom. Tako se dobiva samo jedan proizvod: zasićeni monohidroksilni alkohol izopropanol.
Kako snimiti reakciju?
Sada ćemo naučiti kako zapisati kemijskim jezikom reakciju koja odražava proces kao što je hidratacija propilena. Formula koja nam treba je: CH2 =CH - CH3. Ovo je formula izvorne tvari - propena. Kao što vidite, ima dvostruku vezu, označenu sa "=", i tu će se dodati voda kada se propilen hidrira. Jednadžba reakcije može se napisati ovako: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. Hidroksilna skupina u zagradama značida ovaj dio nije u ravnini formule, već ispod ili iznad. Ovdje ne možemo prikazati kutove između tri skupine koje se protežu od srednjeg atoma ugljika, ali recimo da su približno jednaki jedan drugome i čine 120 stupnjeva.
Gdje se primjenjuje?
Već smo rekli da se tvar dobivena tijekom reakcije aktivno koristi za sintezu drugih vitalnih tvari. Po strukturi je vrlo sličan acetonu, od kojeg se razlikuje samo po tome što se umjesto hidrokso skupine nalazi keto skupina (odnosno atom kisika povezan dvostrukom vezom s atomom dušika). Kao što znate, sam aceton se koristi u otapalima i lakovima, ali, osim toga, koristi se kao reagens za daljnju sintezu složenijih tvari, kao što su poliuretani, epoksidne smole, octeni anhidrid i tako dalje.
reakcija proizvodnje acetona
Mislimo da bi bilo korisno opisati transformaciju izopropil alkohola u aceton, pogotovo jer ova reakcija nije tako komplicirana. Za početak, propanol se isparava i oksidira kisikom na 400-600 stupnjeva Celzija na posebnom katalizatoru. Vrlo čisti proizvod dobiva se provođenjem reakcije na srebrnoj mrežici.
jednadžba reakcije
Nećemo ulaziti u detalje mehanizma reakcije oksidacije propanola u aceton, jer je vrlo kompliciran. Ograničavamo se na uobičajenu jednadžbu kemijske transformacije: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) - CH3 +H2O. Kao što vidite, na dijagramu je sve prilično jednostavno, ali vrijedi se udubiti u proces, a naići ćemo na niz poteškoća.
Zaključak
Tako smo analizirali proces hidratacije propilena i proučavali jednadžbu reakcije i mehanizam njezina nastanka. Razmatrani tehnološki principi su temelj stvarnih procesa koji se odvijaju u proizvodnji. Kako se pokazalo, nisu jako teški, ali imaju stvarne prednosti za naš svakodnevni život.
