Химический состав битумов
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, а также их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения металлов.
Элементный состав битумов (% по массе): углерода 80—85; водорода 8—12,5; кислорода 0,2—4; серы 0,5—10; азота 0,2—0,4. Содержание некоторых металлов в асфальтовых концентратах нефти (арланской) составляет (% Но массе): V — 0,22; Ni — 0,115; Fe — 0,110; Са — 0,054 и т. д. Средняя молекулярная масса битумов не превышает 700—800 к. е.
Часть битума, нерастворимая в низкокипящих углеводородах парафинового ряда (н — пентане, н — гексане, изооктане), но растворимая в сероуглероде и четыреххлористом углероде и называемая асфальтенами, характеризуется следующими показателями: средняя молекулярная масса 900—6000; плотность 1,01—1,24 г/см3; температура разложения 175—240°С; отношение С : Н = 0,78 4-0,94 (атомное); растворимость в ароматических углеводородах — полная, в парафиновых углеводородах—очень плохая, в циклопарафиновых углеводородах (нафтеновых) — частичная.
Асфальтены являются наиболее высокомолекулярными соединениями нефти, в которых имеются кислород, сера, азотсодержащие соединения и металлические комплексы — порфирины. Элементный состав асфальтенов (% по массе): углерода 80—89; водорода. 7—8,5; серы 1—8,5; азота 1—3; кислорода 3—5. По растворимости в разных растворителях асфальтены могут быть разделены на ряд фракций. Асфальтены полидисперсны как по массе, так и по структуре и элементам ному составу молекул (высокомолекулярные синтетические вещества — полимеры полидисперсны только по массе).
Асфальтены с относительно невысокой молекулярной массой (900—2000) имеют компактную систему в основном из гетероциклических гибридных колец, тогда как более высокомолекулярные (2000— 6000) содержат многокольчатые гетероциклические системы, соединенные между собой алифатическими мостиками, и имеют короткие боковые алифатические цепи. Рентгеноструктурным анализом показано, что структура асфальтенов характеризуется хорошо организованными полициклическими системами — двухмерными дискообразными слоями (гроздьями), имеющими диаметр 0,0005—0,0015 мкм.
Полиядерные пластины ассоциируются в кристаллонодобные образования (пачки) толщиной 0,0012—0,002 мкм, состоящие из пяти-шести слоев. Расстояние между слоями 0,00035—0,00037 мкм. Расстояние между звеньями в насыщенных структурах 0,0055—0,0006 мкм.
В асфальтеновых веществах концентрируются свободные радикалы, которые являются одним из факторов, определяющих склонность асфальтенов к ассоциации. Наличие свободных радикалов обусловлено тем, что в асфальтенах сосредоточено больше всего конденсированных ароматических структур, которые дают явления парамагнетизма. Это приводит к значительному межмолекулярному взаимодействию, способствующему образованию надмолекулярных структур, выявляемых рентгеноструктурным анализом.
Концентрация парамагнитных частиц в значительной степени зависит от величины молекулярной массы асфальтенов, их степени ароматичности, способа выделения.
В зависимости от химической природы нефти и способа переработки сырья в битум структурные элементы молекул асфальтенов могут несколько различаться. В частности, может варьировать количественное соотношение ароматических, циклопарафиновых и гетероциклических структур в молекуле так же, как могут различаться их размеры, а следовательно, и молекулярные массы.