Химики из Казанского федерального университета совместно с китайским коллегой предложили модель воспламенения сырой нефти. Выяснилось, что процесс развивается по цепному механизму, а его протекание зависит от содержания в нефти свободных радикалов. Именно разница в их концентрации создает отличия в поведении «легкой» и «тяжелой» нефти. Результаты исследования опубликованы в журнале Energy and Fuels.
Нефть — жидкое ископаемое топливо, маслянистая горючая жидкость черного цвета. Обычно 80−90 процентов нефти составляют различные жидкие углеводороды — простейшие органические соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода. Углеводороды легко вступают в реакции горения (бурного окисления под действием кислорода), зато достаточно инертны к другим видам взаимодействия: реакциям с водой, кислотами, щелочами. Все это делает углеводороды и нефть универсальным и удобным в использовании топливом. Еще 10 процентов объема нефти приходится на другие органические соединения, содержащие серу, кислород, азот, примеси воды и растворенные газообразные углеводороды — метан, этан и пропан.
Горение (окисление) нефти — сложный физико-химический процесс. При горении может меняться не только химический состав нефти, но и другие ее свойства, например плотность, вязкость, что может сильно повлиять на дальнейшее протекание этого процесса.
В своей новой работе химики из Казани смоделировали окисление нефти с помощью компьютерной программы. Авторы предположили, что воспламенение нефти протекает по цепному механизму. Когда молекула углеводорода контактирует с кислородом, последний может оторвать от нее один атом водорода. В результате образуются два радикала — реакционно способные частицы с неспаренными электронами. Так происходит зарождение цепи.
Далее радикалы могут взаимодействовать с другими молекулами углеводородов, образуя новые радикалы. Происходит рост цепи. Однако иногда радикалы сталкиваются друг с другом и «схлопываются» в одну нейтральную молекулу — в этом случае цепь реакции обрывается. В свою модель авторы ввели параметр, который показывал склонность образца нефти к таким цепным реакциям: он был пропорционален разности между вероятностями зарождения цепи и ее обрыва. Оказалось, что, вычислив этот параметр, можно достаточно точно предсказать, как будет протекать горение нефти.
В частности, авторам удалось показать разницу между так называемой легкой и тяжелой нефтью. Оказалось, что у легкой нефти выше склонность к образованию тех самых цепных процессов, поэтому она воспламеняется при более низких температурах по сравнению с тяжелой. Полученные результаты хорошо согласуются с данными экспериментов — как с теми, что провели сами авторы новой работы, так и описанными в других публикациях.
