مواد آلی جایگاه مهمی در زندگی ما دارند. آنها جزء اصلی پلیمرهایی هستند که در همه جا ما را احاطه کرده اند: اینها کیسه های پلاستیکی و لاستیک و همچنین بسیاری از مواد دیگر هستند. پلی پروپیلن آخرین مرحله در این سری نیست. همچنین در مواد مختلفی یافت می شود و در تعدادی از صنایع مانند ساختمان سازی، مصارف خانگی به عنوان ماده ای برای لیوان های پلاستیکی و سایر نیازهای کوچک (اما نه در مقیاس صنعتی) استفاده می شود. قبل از اینکه در مورد فرآیندی مانند هیدراتاسیون پروپیلن صحبت کنیم (به لطف آن می توانیم الکل ایزوپروپیل دریافت کنیم)، اجازه دهید به تاریخچه کشف این ماده ضروری برای صنعت بپردازیم.
تاریخ
به این ترتیب، پروپیلن تاریخ افتتاح ندارد. با این حال، پلیمر آن - پلی پروپیلن - در واقع در سال 1936 توسط شیمیدان مشهور آلمانی Otto Bayer کشف شد. البته از نظر تئوری معلوم بود که چگونه می توان چنین مطالب مهمی را به دست آورد، اما در عمل امکان این کار وجود نداشت. این تنها در اواسط قرن بیستم امکان پذیر بود، زمانی که شیمیدانان آلمانی و ایتالیایی زیگلر و نات کاتالیزوری برای پلیمریزاسیون هیدروکربن های غیر اشباع (دارای یک یا چند پیوند چندگانه) کشف کردند.بعدها آن را کاتالیزور Ziegler-Natta نامیدند. تا آن لحظه، انجام واکنش پلیمریزاسیون چنین موادی کاملاً غیرممکن بود. هنگامی که بدون عمل کاتالیزور، مواد در یک زنجیره پلیمری ترکیب شده و محصولات جانبی را تشکیل می‌دهند، واکنش‌های چند تراکمی شناخته شده بودند. اما انجام این کار با هیدروکربن های غیر اشباع ممکن نبود.
یکی دیگر از فرآیندهای مهم مرتبط با این ماده، هیدراتاسیون آن بود. پروپیلن در سالهای آغاز استفاده از آن بسیار زیاد بود. و همه اینها به دلیل روشهای بازیابی پروپن است که توسط شرکتهای مختلف فرآوری نفت و گاز اختراع شده است (این ماده گاهی اوقات ماده توصیف شده نیز نامیده می شود). هنگامی که نفت شکسته شد، یک محصول جانبی بود، و زمانی که مشخص شد مشتق آن، ایزوپروپیل الکل، اساس سنتز بسیاری از مواد مفید برای بشر است، بسیاری از شرکت ها مانند BASF روش تولید آن را به ثبت رساندند. و تجارت انبوه این ترکیب را آغاز کرد. هیدراتاسیون پروپیلن قبل از پلیمریزاسیون آزمایش و اعمال شد، به همین دلیل است که استون، پراکسید هیدروژن، ایزوپروپیلامین قبل از پلی پروپیلن شروع به تولید کردند.
فرایند جداسازی پروپن از روغن بسیار جالب است. اکنون به سوی او می رویم.
جداسازی پروپیلن
در واقع، از نظر تئوریک، روش اصلی تنها یک فرآیند است: پیرولیز نفت و گازهای مرتبط. اما پیاده سازی های تکنولوژیکی فقط یک دریا هستند. واقعیت این است که هر شرکتی در تلاش است تا راه منحصر به فردی پیدا کند و از آن محافظت کند.حق ثبت اختراع، و سایر شرکتهای مشابه نیز به دنبال راه‌های خاص خود برای تولید و فروش پروپن به عنوان ماده خام یا تبدیل آن به محصولات مختلف هستند.
pyrolysis ("pyro" - آتش، "lysis" - تخریب) یک فرآیند شیمیایی برای شکستن یک مولکول پیچیده و بزرگ به مولکول های کوچکتر تحت تأثیر دمای بالا و یک کاتالیزور است. همانطور که می دانید نفت مخلوطی از هیدروکربن ها است و از کسرهای سبک، متوسط و سنگین تشکیل شده است. از اولی، کمترین وزن مولکولی، پروپن و اتان در طی پیرولیز به دست می آید. این فرآیند در کوره های مخصوص انجام می شود. برای پیشرفته ترین شرکت های تولیدی، این فرآیند از نظر فنی متفاوت است: برخی از ماسه به عنوان حامل گرما استفاده می کنند، برخی دیگر از کوارتز و برخی دیگر از کک استفاده می کنند. همچنین می‌توانید کوره‌ها را بر اساس ساختارشان تقسیم کنید: راکتورهای لوله‌ای و معمولی که به آنها گفته می‌شود، وجود دارد.
اما فرآیند پیرولیز امکان به دست آوردن پروپن به اندازه کافی خالص را فراهم می کند، زیرا علاوه بر آن، تعداد زیادی هیدروکربن در آنجا تشکیل می شود که سپس باید به روش های نسبتاً مصرف کننده انرژی جدا شوند. بنابراین، برای به دست آوردن یک ماده خالص تر برای هیدراتاسیون بعدی، از هیدروژن زدایی آلکان ها نیز استفاده می شود: در مورد ما، پروپان. درست مانند پلیمریزاسیون، فرآیند فوق فقط اتفاق نمی افتد. تقسیم هیدروژن از یک مولکول هیدروکربن اشباع تحت تأثیر کاتالیزورها اتفاق می افتد: اکسید کروم سه ظرفیتی و اکسید آلومینیوم.
خب، قبل از اینکه به داستان چگونگی انجام فرآیند هیدراتاسیون بپردازیم، اجازه دهید به ساختار هیدروکربن غیراشباع خود بپردازیم.
ویژگی های ساختار پروپیلن
پروپن خود تنها دومین عضو از سری آلکن ها (هیدروکربن هایی با یک پیوند دوگانه) است. از نظر سبکی، تنها پس از اتیلن (که همانطور که حدس می زنید، پلی اتیلن از آن ساخته می شود - عظیم ترین پلیمر در جهان) در رتبه دوم قرار دارد. پروپن در حالت عادی خود گازی است، مانند "نسبی" آن از خانواده آلکان، پروپان.
اما تفاوت اساسی بین پروپان و پروپن این است که دومی دارای پیوند دوگانه در ترکیب خود است که به طور اساسی خواص شیمیایی آن را تغییر می دهد. این به شما امکان می دهد مواد دیگری را به یک مولکول هیدروکربن غیر اشباع بچسبانید و در نتیجه ترکیباتی با خواص کاملاً متفاوت ایجاد کنید که اغلب برای صنعت و زندگی روزمره بسیار مهم است.
وقت آن رسیده که در مورد نظریه واکنش صحبت کنیم که در واقع موضوع این مقاله است. در بخش بعدی خواهید آموخت که هیدراتاسیون پروپیلن یکی از مهم ترین محصولات صنعتی را تولید می کند و همچنین نحوه انجام این واکنش و تفاوت های ظریف در آن چیست.
نظریه هیدراسیون
ابتدا، اجازه دهید به یک فرآیند کلی تر - حلال سازی - بپردازیم که شامل واکنش توصیف شده در بالا نیز می شود. این یک تبدیل شیمیایی است که شامل افزودن مولکول های حلال به مولکول های املاح است. در همان زمان، آنها می توانند مولکول های جدید یا به اصطلاح حلال ها، ذرات متشکل از مولکول های یک املاح و یک حلال را تشکیل دهند که توسط برهمکنش الکترواستاتیکی به هم متصل شده اند. ما فقط علاقه مندیماولین نوع مواد، زیرا در حین هیدراتاسیون پروپیلن، چنین محصولی عمدتاً تشکیل می شود.
هنگامی که حلال‌سازی به روشی که در بالا توضیح داده شد، مولکول‌های حلال به محلول متصل می‌شوند، ترکیب جدیدی به دست می‌آید. در شیمی آلی، هیدراتاسیون عمدتاً الکل ها، کتون ها و آلدئیدها را تشکیل می دهد، اما چند مورد دیگر مانند تشکیل گلیکول ها وجود دارد، اما ما به آنها اشاره نمی کنیم. در واقع، این فرآیند بسیار ساده است، اما در عین حال بسیار پیچیده است.
مکانیسم هیدراتاسیون
پیوند دوگانه همانطور که می دانید از دو نوع اتصال اتم تشکیل شده است: پیوندهای پی و سیگما. پیوند پی همیشه اولین پیوندی است که در طول واکنش هیدراتاسیون شکسته می شود، زیرا استحکام کمتری دارد (انرژی اتصال کمتری دارد). وقتی می شکند، دو اوربیتال خالی در دو اتم کربن همسایه تشکیل می شود که می توانند پیوندهای جدیدی را ایجاد کنند. یک مولکول آب که در محلول به شکل دو ذره وجود دارد: یک یون هیدروکسید و یک پروتون، می تواند در امتداد یک پیوند دوگانه شکسته بپیوندد. در این مورد، یون هیدروکسید به اتم کربن مرکزی و پروتون به اتم دوم، شدید متصل می شود. بنابراین، در حین هیدراتاسیون پروپیلن، پروپانول 1 یا ایزوپروپیل الکل عمدتاً تشکیل می شود. این ماده بسیار مهمی است، زیرا هنگامی که اکسید می شود، استون به دست می آید که به طور گسترده در جهان ما استفاده می شود. گفتیم که عمدتاً شکل گرفته است، اما این کاملاً درست نیست. باید این را بگویم: تنها محصولی که در طی هیدراتاسیون پروپیلن ایجاد می شود و این ایزوپروپیل الکل است.
البته این همه نکات ظریف است. در واقع، همه چیز را می توان بسیار ساده تر توصیف کرد. و اکنون خواهیم فهمید که چگونه فرآیندی مانند هیدراتاسیون پروپیلن در دوره مدرسه ثبت می شود.
واکنش: چگونه اتفاق می افتد
در شیمی، همه چیز را معمولاً به سادگی نشان می دهند: با کمک معادلات واکنش. بنابراین استحاله شیمیایی ماده مورد بحث را می توان به این صورت توصیف کرد. هیدراتاسیون پروپیلن که معادله واکنش آن بسیار ساده است در دو مرحله انجام می شود. ابتدا پیوند پی که بخشی از دوگانه است شکسته می شود. سپس یک مولکول آب به شکل دو ذره، آنیون هیدروکسید و کاتیون هیدروژن، به مولکول پروپیلن نزدیک می شود که در حال حاضر دو مکان خالی برای تشکیل پیوند دارد. یون هیدروکسید با اتم کربن کمتر هیدروژنه شده (یعنی با اتم کمتر هیدروژنی که به آن اتم های هیدروژن کمتری متصل است) و پروتون با حداکثر باقیمانده پیوند تشکیل می دهد. بنابراین، یک محصول واحد به دست می آید: ایزوپروپانول الکل مونوهیدریک اشباع.
چگونه یک واکنش را ثبت کنیم؟
اکنون یاد می گیریم که چگونه واکنشی را به زبان شیمیایی بنویسیم که منعکس کننده فرآیندی مانند هیدراتاسیون پروپیلن است. فرمولی که ما نیاز داریم این است: CH2 =CH - CH3. این فرمول ماده اصلی - پروپن است. همانطور که می بینید، دارای یک پیوند دوگانه است که با "=" مشخص شده است، و در اینجاست که وقتی پروپیلن هیدراته شود، آب اضافه می شود. معادله واکنش را می توان به این صورت نوشت: CH2 =CH - CH3 + H2O=CH 3 - CH(OH) - CH3. گروه هیدروکسیل در براکت به معنیکه این قسمت در صفحه فرمول نیست بلکه در زیر یا بالا قرار دارد. در اینجا نمی‌توانیم زوایای بین سه گروه را که از اتم کربن میانی امتداد می‌یابند نشان دهیم، اما فرض کنید که آنها تقریباً با یکدیگر برابر هستند و 120 درجه را تشکیل می‌دهند.
کجا اعمال می شود؟
قبلاً گفتیم که ماده ای که در طی واکنش به دست می آید به طور فعال برای سنتز سایر مواد حیاتی استفاده می شود. از نظر ساختار بسیار شبیه به استون است، که تنها از این جهت متفاوت است که به جای گروه هیدروکسو، یک گروه کتو وجود دارد (یعنی یک اتم اکسیژن که توسط یک پیوند دوگانه به یک اتم نیتروژن متصل است). همانطور که می دانید خود استون در حلال ها و لاک ها استفاده می شود، اما علاوه بر این، به عنوان یک معرف برای سنتز بیشتر مواد پیچیده تر مانند پلی یورتان ها، رزین های اپوکسی، انیدرید استیک و غیره استفاده می شود..
واکنش تولید استون
ما فکر می کنیم که توضیح تبدیل ایزوپروپیل الکل به استون مفید باشد، به خصوص که این واکنش چندان پیچیده نیست. برای شروع، پروپانول تبخیر شده و با اکسیژن در دمای 400-600 درجه سانتیگراد روی یک کاتالیزور مخصوص اکسید می شود. یک محصول بسیار خالص با انجام واکنش روی مش نقره ای به دست می آید.
معادله واکنش
ما به جزئیات مکانیسم واکنش اکسیداسیون پروپانول به استون نمی پردازیم، زیرا بسیار پیچیده است. ما خود را به معادله تبدیل شیمیایی معمول محدود می کنیم: CH3 - CH(OH) - CH3 + O2=CH3 - C(O) - CH3 +H2O. همانطور که می بینید، همه چیز در نمودار کاملاً ساده است، اما ارزش آن را دارد که در این فرآیند عمیق شوید و ما با تعدادی از مشکلات روبرو خواهیم شد.
نتیجه گیری
بنابراین فرآیند هیدراتاسیون پروپیلن را تجزیه و تحلیل کردیم و معادله واکنش و مکانیسم وقوع آن را مطالعه کردیم. اصول فناورانه در نظر گرفته شده زیربنای فرآیندهای واقعی در حال وقوع در تولید است. همانطور که مشخص شد، آنها خیلی سخت نیستند، اما مزایای واقعی برای زندگی روزمره ما دارند.
