Нефть. Химический состав нефтей

Нефть представляет собой природную, обычно сложную, смесь углеводородных веществ – жидких, газообразных и твердых (от 97 до 99 %), кислорода, азота, серы и фосфора. Содержание углерода в нефтях различных месторождений составляет 84–87 %, а водорода 12–14 %, серы, кислорода и азота содержится 1–2 % и лишь в редких случаях до 3–5 % (в основном за счет серы).

Всю углеводородную часть в нефтях составляют три основные группы углеводородов: алифатические, нафтеновые и ароматические.

Алифатические углеводороды – алканы (С_nН_2n+2) характеризуются наибольшим содержанием водорода. Углеводороды этой группы (метан – CH₄, пентан – C₅H₁₂, гексан - C₆H₁₄, гептан - C₇H₁₆)относятся к насыщенным, или предельным. Этот ряд углеводородов называется жирным, или парафиновым. Его структурная формула изображается в виде:

· открытой линейной (нормальные или н-алканы) или

· разветвленной (изоалканы или и-алканы) цепочки.

Алифатические углеводороды не способны к реакции непосредственного соединения и не окисляются на воздухе, так как все единицы сродства углерода замещены водородом. Все нефтепродукты, полученные из нефтей, в которых преобладают углеводороды парафинового ряда, отличаются высоким качеством и химической устойчивостью.

Углеводороды от CH₄ до –C₄H₁₀ при нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0° С) – газы; от C₅H₁₂ до C₁₆H₃₄ – жидкости; от C₁₆H₃₄ до C₃₅H₇₂ – твердые тела (парафины).

Углеводороды нафтеновой группы – циклопарафины(С_nН_2n) в больших количествах встречаются в нефтях (от 25 до 79 %).Их структурная формула имеет вид замкнутой цепочки.

Нафтены, так же как и углеводороды парафинового ряда, химически устойчивы, поскольку все единицы сродства углеводорода замещены.

Углеводороды ароматической группы – арены (С_nН_2n-p) наиболее бедны водородом. Начиная с бензола (С₆Н₈) группа включает весь бензольный ряд – толуол, ксилол и др. Ароматические циклические углеводороды с шестью атомами углерода в кольце не насыщены по структуре, но приближаются к насыщенным углеводородам по своему отношению к реакциям присоединения.

Неуглеродные соединения(асфальтены, смолы, кислород) содержатся в основном в асфальто-смолистой части нефти, которая представляет собой темноокрашенное вещество, обладающее преимущественно циклической структурой и изменяющееся по консистенции от вязкого и легкоплавкого до твердого, хрупкого и не плавящегося без раз­ложения. Наиболее высокомолекулярную часть асфальто-смолистых веществ, которая не растворяется в бензине, составляют асфальтены. Остальную часть занимают смолы. Причем количество последних обычно в несколько раз превышает количество асфальтенов. При этом обязательной составной частью асфальто-смолистых веществ является кислород, содержание которого достигает здесь 93 % от общего количества его в нефтях. Кислород в нефти присутствует еще в составе нафтеновых кислот, фенолов и воскообразных соединений. Среднее содержание в нефти нафтеновых кислот 0,5 %, фенолов 0,05 %.

Азот содержится в нефтях как в чистом виде (в газовой фазе), так и в виде различных соединений с водородом (аммиак) и углеродом (пиридины, гипропиридины и др.). Особое значение среди азотистых соединений имеют порфирины, хотя содержание их в нефтях составляет всего лишь сотые и тысячные доли процента. Порфирины представляют собой сложные соединения, производные от хлорофилла растительного происхождения и гемо­глобина животного происхождения. Наличие их в нефтях указывает на органическое происхождение нефти и на то, что нефти образовались при температуре ниже 200–250° С, при которой порфирины разлагаются.

Сера является постоянным компонентом в составе нефти. Она присутствует как в свободном виде, так и в виде различных соединений. Содержание серы колеблется в широких пределах – от 0,1 до 5 % и более.

Зольную часть безводных нефтей составляют в основном окислы железа, ванадия и никеля. В нефтях, добываемых с водой, основным компонентом зольной части являются соли натрия.

Биомолекулы или их части, содержащиеся в нефти, получили название хемофоссилий – реликтовых биологических меток или биологически маркирующих соединений с унаследованной структурой – биомаркеров. Хемофоссилии включают две группы соединений:

· неуглеводородные и

· углеводородные.

Неуглеводородные соединения представлены порфиринами и металлопорфиринами (с V, Ni) – тетрациклическими азотсодержащими органическими соединениями.

Углеводородные соединения включают нормальные и изопреноидные алканы, циклические изопреноиды – стераны и тритерпаны (гопаны).

Они тесно связаны с исходными биомолекулами. Наличие в нефтях соединений с унаследованной от органического вещества структурой позволяет определять генезис нефти и свидетельствует о ее органическом происхождении.