חומצות נפתניות (NA) הן תערובת של מספר חומצות ציקלופנטיל וציקלוהקסיל-קרבוקסיליות עם משקל מולקולרי של 120 עד 700 יחידות מסה אטומיות או יותר. החלק העיקרי הוא חומצות קרבוקסיליות עם שלד פחמן בין 9 ל-20 אטומי פחמן. מדענים טוענים שחומצות נפתניות (NA) הן חומצות קרבוקסיליות ציקלואליפטיות עם 10-16 אטומי פחמן, אם כי חומצות המכילות עד 50 אטומי פחמן נמצאו בשמנים כבדים.
אטימולוגיה
שורשיו של המונח במונח הארכאי משהו "נפתן" (ציקלואליפטי אך לא ארומטי), המשמש לסיווג פחמימנים. זה שימש במקור לתיאור תערובת מורכבת של חומצות מבוססות נפט, כאשר שיטות אנליטיות הזמינות בתחילת המאה ה-19 יכלו לזהות רק כמה מהם בדיוק.רכיבים מסוג נפתני. כיום משתמשים בחומצה נפתנית באופן כללי יותר להתייחסות לכל החומצות הקרבוקסיליות הקיימות בנפט (בין אם תרכובות מחזוריות, א-ציקליות או ארומטיות) וחומצות קרבוקסיליות המכילות הטרואטומים כגון N ו-S. מחקרים רבים הראו שרוב החומצות הציקלואליפטיות מכילות גם ישרות חומצות אליפטיות מסועפות וחומצות ארומטיות. חומצות מסוימות מכילות > 50% חומצות אליפטיות וארומטיות משולבות.
נוסחה
חומצות נפתניות מיוצגות על ידי הנוסחה הכללית CnH2n-z O2, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן ו-z היא הסדרה ההומולוגית. ערך ה-z הוא 0 עבור חומצות אציקליות רוויות ועולה ל-2 בחומצות מונוציקליות, ל-4 בחומצות דו-ציקליות, ל-6 בחומצות טריציקליות ול-8 בחומצות טטרציקליות.
מלחים של חומצות הנקראים נפתנאטים נמצאים בשימוש נרחב כמקורות יוני מתכת הידרופוביים במגוון יישומים. מלחי האלומיניום והנתרן של חומצה נפתנית וחומצה פלמיטית שולבו במהלך מלחמת העולם השנייה לייצור נפלם. ונפאלם סונתז בהצלחה. המילה "נפלם" מגיעה מהמילים "חומצה נפתנית" וחומצה פלמיטית.
חיבור נפט
הטבע, המקור, המיצוי והשימוש המסחרי של חומצה נפתנית נחקרו במשך זמן רב. ידוע שנפט גולמי משדות ברומניה, רוסיה, ונצואלה, הים הצפוני, סין ומערב אפריקהמכיל כמות גדולה של תרכובות חומציות בהשוואה לרוב הנפט הגולמי בארה ב. תכולת החומצות הקרבוקסיליות של חלק ממוצרי הנפט הקליפורניים גבוהה במיוחד (עד 4%), כאשר הקבוצות הנפוצות ביותר של חומצות קרבוקסיליות מדווחות כחומצות ציקלואליפטיות וארומטיות.
Composition
ההרכב משתנה בהתאם להרכב הנפט הגולמי ולתנאים במהלך העיבוד והחמצון. שברים העשירים בחומצות נפתניות עלולים לגרום לנזקי קורוזיה לציוד בתי הזיקוק, ולכן תופעת קורוזית החומצה (NAC) נחקרה היטב. שמן גולמי גבוה בחומצה מכונה לעתים קרובות שמן גולמי עם מספר חומצות גבוה (TAN) או שמן גולמי עם חומציות גבוהה (HAC). חומצות נפתניות הן מזהם עיקרי במים מהפקת נפט מחולות הנפט של אטבסקה (AOS). לחומצות יש רעילות חריפה וכרונית לדגים ואורגניזמים אחרים.
סביבתי
במאמרו המצוטט לעתים קרובות שפורסם ב-Toxicological Sciences, רוג'רס הצהיר שתערובות חומצה נפתנית הן המזהמים הסביבתיים המשמעותיים ביותר מייצור חולות נפט. הם מצאו כי בתנאים הגרועים ביותר, רעילות חריפה אינה סבירה ליונקי בר הנחשפים לחומצות במים, אך לחשיפה חוזרת עלולה להיות השפעות בריאותיות שליליות.
במאמר שלו משנת 2002צוטט יותר מ-100 פעמים, Rogers וחב' דיווחו על הליך מעבדה מבוסס ממס שנועד לחלץ ביעילות חומצות מכמויות גדולות של מים Athabasca Oil Sands Tailings Pond (TPW). חומצות נפתניות קיימות ב-AOS Tailings Water (TPW) בריכוז מוערך של 81 מ ג/ליטר, רמה נמוכה מדי מכדי ש-TPW ייחשב כמקור בר-קיימא להתאוששות מסחרית.
Delete
חומצה נפתנית מוסרת מחומרי נפט לא רק כדי למזער קורוזיה, אלא גם כדי לשחזר מוצרים שימושיים מסחריים. השימוש הנוכחי וההיסטורי הגדול ביותר בחומצה זו הוא בייצור נפטנאטים ממתכת. חומצות מופקות מתזקיקי נפט על ידי מיצוי אלקליין, מתחדשות בתהליך נטרול חומצה, ולאחר מכן מזוקקות להסרת זיהומים. חומצות הנמכרות באופן מסחרי מסווגות לפי מספר חומצה, רמת טומאה וצבע. משמש לייצור נפטנאטים ממתכת ונגזרות אחרות כגון אסטרים ואמידים.
Naphthenates
נפטנאטים הם מלחי חומצה מקבילים לאצטטים המקבילים, מוגדרים טוב יותר אך פחות שימושיים. נפתנאטים, כמו החומצות הנפתניות בנפט, מסיסות מאוד במדיה אורגנית כמו צבעים. הם משמשים בתעשייה, כולל ייצור של דברים שימושיים כאלה: דטרגנטים סינתטיים, חומרי סיכה, מעכבי קורוזיה, תוספי דלק ושמן סיכה, חומרים משמריםעבור עץ, קוטלי חרקים, קוטלי פטריות, קוטלי אקריות, חומרי הרטבה, מעבי נפלם וחומרי ייבוש שמן המשמשים לצביעה וטיפול משטחי עץ.
חולות שמן
מחקר אחד קובע כי חומצות נפתניות הן המזהם הסביבתי הפעיל ביותר מכל החומרים שמקורם בהפקת נפט מחולות נפט. עם זאת, בתנאים של דליפה וזיהום, רעילות חריפה לא צפויה להתרחש ביונקי בר הנחשפים לחומצות במי בריכות זנב, אך לחשיפה חוזרת עלולה להיות השפעות שליליות על בריאות בעלי החיים. חומצות קיימות בחולות שמן ובמי זנב בריכוז מוערך של 81 מ ג/ליטר.
באמצעות פרוטוקולים של הארגון לשיתוף פעולה ופיתוח כלכלי (OECD) לבדיקת רעילות, חוקרים אמריקאים טענו כי בהתבסס על מחקריהם, NAs מטוהרים, כאשר הם נלקחים דרך הפה, אינם רעילים באופן חריף ליונקים. עם זאת, נזק שנגרם על ידי NDT מחשיפה לטווח קצר במהלך חשיפה חריפה או לסירוגין עלול להצטבר בחשיפה חוזרת.
Cyclopentane
Cyclopentane הוא פחמימן אליציקלי דליק עם הנוסחה הכימית C5H10 ומספר CAS 287-92-3, המורכב מטבעת של חמישה אטומי פחמן, כל אחד קשור לשני אטומי מימן מעל ומתחת למישור. לעתים קרובות זה מוצג בצורהנוזל חסר צבע עם ריח דומה לבנזין. נקודת ההיתוך שלו היא -94 מעלות צלזיוס ונקודת הרתיחה שלו היא 49 מעלות צלזיוס. ציקלופנטן שייך לקבוצת הציקלואלקנים והם אלקנים עם טבעת אחת או יותר של אטומי פחמן. הוא נוצר על ידי פיצוח ציקלוהקסאן בנוכחות אלומינה בטמפרטורה ובלחץ גבוהים.
ייצור חומצות נפתניות, כולל ציקלופנטן, איבד בשנים האחרונות את אופיו ההמוני הקודם.
הוא הוכן לראשונה ב-1893 על ידי הכימאי הגרמני יוהנס ויסליקוס. לאחרונה, היא מכונה לעתים קרובות חומצות נפתניות.
תפקיד בהפקה
ציקלפנטן משמש בייצור שרפים סינתטיים ודבקי גומי, וכחומר ניפוח בייצור קצף בידוד פוליאוריטן, המצוי במכשירי חשמל ביתיים רבים כמו מקררים ומקפיאים, המחליף חלופות מזיקות לסביבה כגון CFCs -11 ו-HCFC- 141b.
לחומרי סיכה מרובי cyclopentane alkylation (MAC) יש נדיפות נמוכה והם משמשים בכמה יישומים מיוחדים.
ארצות הברית מייצרת יותר מחצי מיליון קילוגרמים של כימיקל זה בשנה. ברוסיה, חומצות נפתניות (כולל ציקלופנטן) מיוצרות כמוצר טבעי של עיבוד שמן.
ניתן לייצר ציקלו-אלקנים באמצעות תהליך המכונה רפורמה קטליטית. לדוגמה, ניתן להמיר 2-מתיל בוטאן לציקלופנטן באמצעות זרז פלטינה. זה משמש במיוחד במכוניות, שכן אלקנים מסועפים ישרפו הרבה יותר מהר.
מאפיינים פיזיים וכימיים
באופן מפתיע, הציקלו-הקסנים שלהם מתחילים לרתוח ב-10 מעלות צלזיוס גבוה יותר מהקסהידרופנזן או הקסנפטן, אבל החידה הזו נפתרה ב-1895 על ידי Markovnikov, N. M. קישנר וניקולאי זלינסקי כשהם השתמשו מחדש בהקסהידרופנזן והקסנפתן כמתיל-ציקלפנטן - תוצאה של תגובה בלתי צפויה.
למרות שאינו מגיב למדי, cyclohexane עובר חמצון קטליטי ליצירת cyclohexanone ו-cyclohexanol. תערובת של cyclohexanone-cyclohexanol, הנקראת "שמן KA", היא חומר הגלם לחומצה אדיפית וקפרולקטם, מבשרי ניילון.
Application
הוא משמש כממס בכמה מותגים של נוזל תיקון. ציקלוהקסאן משמש לעתים כממס אורגני לא קוטבי, אם כי n-הקסאן משמש לרוב למטרה זו. הוא משמש לעתים קרובות גם כממס לגיבוש מחדש, שכן תרכובות אורגניות רבות מציגות מסיסות טובה בציקלוהקסאן חם ומסיסות ירודה בטמפרטורות נמוכות.
ציקלוהקסאן משמש גם לכיול מכשירי קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית (DSC) בשל המעבר הנוח של גביש-לגביש ב-87.1 מעלות צלזיוס.
אדי ציקלוהקסאן משמשים בתנורי קרבורור ואקום בייצור ציוד לטיפול בחום.
עיוות
טבעת בעלת 6 קודקודים אינה תואמת את צורתו של משושה מושלם. לקונפורמציה המשושה המישורית יש מתח זוויתי משמעותי מכיוון שהקשרים שלו אינם 109.5 מעלות. גם עיוות פיתול יהיה משמעותי מכיוון שכל הקשרים יוסמו.
לכן, על מנת להפחית עיוות פיתול, ציקלוהקסן מאמץ מבנה תלת מימדי המכונה "כיסא קונפורמטיבי". ישנם גם שני קונפורמי ביניים נוספים - "חצי כיסא", שהוא הקונפורמר הכי לא יציב, ו"סירת טוויסט", שהיא יציבה יותר. השמות האקסצנטריים הללו הוצעו לראשונה כבר ב-1890 על ידי הרמן זאקס, אך הפכו מקובלים הרבה מאוחר יותר.
חצי מאטומי המימן נמצאים במישור הטבעת (באופן משווני), והחצי השני מאונכים למישור (בציר). מבנה זה מספק את המבנה הציקלוהקסן היציב ביותר. קיימת מבנה נוסף של ציקלוהקסאן המכונה "קונפורמציה של הסירה", אך הוא יהפוך לצורת "צואה" מעט יציבה יותר.
לציקלוהקסאן יש את הזווית והמתח הנמוך ביותר מבין כל הציקלו-אלקנים, וכתוצאה מכך ציקלוהקסאן נחשב ל-0 במתח הטבעתי הכולל. הדבר נכון גם לגבי מלחי נתרן של חומצות נפתניות.
שלבים
ציקלוהקסאן יש שני פאזות גבישיות. טמפרטורה גבוהה שלב I, יציב בין +186 מעלות צלזיוס לטמפרטורהנקודת התכה +280 מעלות צלזיוס, היא גביש פלסטי, מה שאומר שהמולקולות שומרות על מידה מסוימת של חופש תנועה. שלב II בטמפרטורה נמוכה (מתחת ל-186 מעלות צלזיוס) מסודר יותר. שני השלבים האחרים בטמפרטורות נמוכות (מט-יציבות) III ו-IV הושגו על ידי הפעלת לחצים מתונים מעל 30 MPa, ושלב IV מופיע אך ורק בציקלוהקסאן מפושט (שימו לב שהפעלת לחץ מגבירה את כל טמפרטורות המעבר).
