Физико-химические основы процессов
Для очистки и разделения нефтяного сырья широко используют процессы, основанные на растворимости компонентов сырья в различных растворителях. Растворение веществ А в веществе В возможно лишь в том случае, когда межмолекулярные силы притяжения Faa и Fbb, осуществляющие связь между частицами чистых веществ А и В, преодолеваются силами Fab, которые появляются при растворении этих веществ. Если Faa и Fbb значительно больше Fab, то молекулярного распределения не происходит, т.е. данные вещества не растворимы друг в друге. таким образом, для растворения одного вещества в другом необходимо достаточно сильное притяжение между молекулами растворяемого вещества растворителя.
Межмолекулярное взаимодействие обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Различают две группы межмолекулярных сил. К первой группе относят неспецифичные и ненасыщаемые силы, т.е. ориентационные. индукционные и дисперсионные; ко второй группе - направленные, специфические и насыщенные силы, т.е. силы, вызывающие образование водородных связей и перенос заряда.
Ориентационные силы. Обусловлены электростатическим взаимодействием молекул, обладающих вследствие несимметричного распределения зарядов постоянным дипольным моментом. Вокруг полярных молекул образуется электрическое поле, в котором молекулы ориентируются относительно друг друга, что приводит к их притяжению и образованию гомоненного раствора. Ориентационные силы притяжения тем больше, чем больше дипольные моменты взаимодействующих молекул. Тепловое движение молекул нарушает их взаимную ориентацию, поэтому ориентационное взаимодействие является функцией температуры. При использовании полярных растворителей для очистки и разделения нефтяного сырья ориентационные силы взаимодействия проявляются главным образом при растворении неуглеводородных компонентов сырья в полярных растворителях.
Индукционные силы. При растворении двух веществ, одно из которых полярное, а другое неполярное, электрический диполь молекулы с постоянным дипольным моментом может вызвать в неполярной молекуле сдвиг электронной плотности, ведущий к образованию индуцированного диполя. Величина индуцированного диполя определяется силой электрического поля Е полярной молекулы и способностью неполярной молекулы к поляризации а, т.е.
14 = аЕ
Под поляризуемостью понимается склонность неполярных молекул деформироваться под действием внешнего силового поля. Поляризуемость связана с внутренним сопротивлением молекулы к изменению структуры, поэтому практически не зависит от температуры. Дальнейшее взаимодействие постоянных и индуцированных диполей протекает так же, как и при взаимодействии постоянных диполей. так как в основном компоненты нефтяного сырья являются неполярными веществами, при растворении их в полярных растворителях индукционные силы играют значительную роль.
Дисперсионные силы. Несмотря на симметричное распределение зарядов в неполярных молекулах электроны неполярной молекулы А в любой момент могут образовать такую конфигурацию, в результате которой молекула приобретает мгновенный дипольный момент. Этот дипольный момент поляризует другую неполярную молекулу В, что приводит к взаимному притяжению молекул А и В. В результате непрерывного возникновения кратковременных диполей и их согласованной ориентации действие дисперсионных сил постоянно возобновляется. Дисперсионное взаимодействие не зависит от температуры и проявляется при любой температуре и при взаимодействии не только неполярных, но и полярных молекул, т.е. является наиболее универсальным по сравнению с другими силами межмолекулярного взаимодействия.
На дисперсионное взаимодействие приходится главная часть сил притяжения многих полярных молекул с большой поляризуемостью. Например, вычисленная энергия когезии метилэтилкетона при 40С состоит на 8% из энергии ориентационного, на 14% - индукционного и на 78% - дисперсионного взаимодействия. Следовательно, на растворение любых компонентов нефтяного сырья в растворителе любой природы преобладающее влияние оказывают дисперсионные силы.
Водородная связь. Соединения, в молекулах которых атом водорода связан электроотрицательным атомом Х (О, F, N, CI), сильно ассоциированы; это привело к представлению, что в таких соединениях действуют особые межмолекулярные силы. Так, высокая ассоциация молекул спиртов R-OH (где R-углеводородный радикал) является следствием взаимодействия положительного атома водорода одной гидроксильной группы с весущим отрицательный заряд атомом кислорода другой гидроксильной группы.
Такой тип ассоциации называется водородной связью. Водородная связь, возникающая между двумя одинаковыми или различными молекулами, называется межмолекулярной, а между двумя группами одной и той же молекулы- внутримолекулярной. Водородные связи много слабее обычных ковалентных связей, но много прочнее ван-дер-ваальсовых сил притяжения между молекулами. Энергия водородных связей обычно составляет 8-30 кДж/моль и более.
Возникновение водородных связей объясняют как резонаисными. так и дипольными взаимодействиями. В большинстве случает межмолекулярная и внутримолекулярная водородные связи возникают в результате диполь-дипольного взаимодействия между группой с поляризованной связью X-H и частицей с неподеленной парой электронов: У. Группа Х-Н (протонодонорная) поставляет протон для образования водородной связи, а частица: У-неподеленную пару электронов, т.е. является донором электронов. Более прочные (по сравнению со спиртами) водородные связи образуют гидроксильные группы карбоновых кислот и фенолов; менее прочные-соединения, молекулы которых содержат группировки N-H---N; слабые-соединения с группировками Cl2C-H---O и CL2C-H---N. В качестве слабых доноров электронов могут действовать также п-электронные cистемы ароматических, олефиновых и ацетиленовых соединений. Образование водородной связи наиболее вероятно при пониженных температурах; с повышением температуры водородные связи рвутся вследствии усиления теплового движения молекул.
