Φυσικό αέριο

Συνήθως το πετρέλαιο συνυπάρχει με αέριο μίγμα, κυρίως υδρογονανθράκων, που ονομάζεται φυσικό αέριο.

• Το φυσικό αέριο είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο, CH₄ (μέχρι και 90%).

Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται ως καύσιμο και παρουσιάζει δύο βασικά πλεονεκτήματα έναντι του πετρελαίου:

1. Είναι καθαρό καύσιμο, γιατί αφ' ενός μεν καίγεται πλήρως και με ευκολία προς CO₂, αφ' ετέρου δεν περιέχει S ή Ν₂, οπότε δε δίνει ρυπογόνα αέρια όπως, SO₂, CO, NΟx.

2. Έχει μεγάλη θερμαντική ικανότητα (9000 - 12000 Kcal για κάθε 1 m³ καυσίμου).

Εκτός από καύσιμο το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται και ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία πετροχημικών προϊόντων.

Αλκάνια - μεθάνιο

Γενικά

Όπως έχουμε αναφέρει, αλκάνια ονομάζονται οι άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες. Τα αλκάνια έχουν γενικό μοριακό τύπο: C_νΗ_2ν+2 και το πρώτο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκανίων είναι το μεθάνιο CH₄. Στον ακόλουθο πίνακα φαίνονται οι μοριακοί και συντακτικοί τύποι των αλκανίων με 1 έως 5 άτομα άνθρακα.

Τα αλκάνια εμφανίζουν τετραεδρική διάταξη στο χώρο. Δηλαδή, στο κέντρο του τετραέδρου τοποθετείται ένα άτομο άνθρακα και στις κορυφές τοποθετούνται οι υποκαταστάτες του.

Προέλευση

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες βρίσκονται άφθονοι στο φυσικό αέριο και στο πετρέλαιο. Επίσης το μεθάνιο αποτελεί το κύριο συστατικό του βιοαερίου.

• Βιοαέριο είναι το αέριο που παράγεται από τη σήψη της βιομάζας (το σύνολο της οργανικής ύλης που παράγουν τα ζώα και τα φυτά) και του οποίου το κύριο συστατικό είναι το μεθάνιο.

N	CvH2v+2	Συντακτικοί τύποι
1	CH4	CH4 μεθάνιο
2	C2H6	CH3-CH3 αιθάνιο
3	C3H8	CH3-CH2-CH3 προπάνιο
4	C4H10	CH3CH2CH2CH3 βουτάνιο μεθυλοπροπάνιο
5	C5H12	CH3CH2CH2CH2CH3 πεντάνιο μεθυλοβουτάνιο διμεθυλοπροπάνιο

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: Μοριακοί, συντακτικοί και ονόματα των πρώτων μελών

ΣΧΗΜΑ 2.4 Στερεοχημική διάταξη μεθανίου.

Παρασκευές

Τα αλκάνια, ως φυσικές πρώτες ύλες, δεν παράγονται βιομηχανικά. Αντίθετα, αποτελούν τις πρώτες ύλες για την παραγωγή άλλων ενώσεων (πετροχημεία). Τα απλούστερα αλκάνια (μεθάνιο έως πεντάνιο) μπορούν να παραχθούν σε καθαρή κατάσταση με κλασματική απόσταξη του πετρελαίου ή του φυσικού αερίου. Τα υπόλοιπα αλκάνια μπορούν να συντεθούν με μια από τις μεθόδους που περιγράφονται παρακάτω, οι οποίες έχουν καθαρό εργαστηριακό χαρακτήρα.

Γενικές παρασκευές αλκανίων

1. Από τα αλκυλαλογονίδια RX με αντικατάσταση του αλογόνου από υδρογόνο.

RX + H₂ RH + HX

Από τα αλκυλαλογονίδια δραστικότερα είναι τα αλκυλοιωδίδια, ακολουθούν τα αλκυλοβρωμίδια και αλκυλοχλωρίδια, ενώ τα αλκυλοφθορίδια είναι τελείως αδρανή.

π.χ. CH₃I + H₂Ch₄ + HI

2. Με επίδραση νατρίου σε αλκυλαλογονίδια διαλυμένα σε ξηρό αιθέρα (μέθοδος Wurtz).

2RX + 2Na R-R + 2NaX

π.χ. 2CH₃Br + 2Na → CH₃CH₃ + 2NaBr

3. Με θέρμανση των με νάτριο ή κάλιο αλάτων κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων (RCOONa ή RCOOK) με στερεό NaOH ή ΚΟΗ.

RCOONa + NaOH RH + Na₂CO₃

Η μέθοδος αυτή ονομάζεται αποκαρβοξυλίωση και το αλκάνιο που προκύπτει έχει 1 άτομο C λιγότερο από το άλας.

π.χ. CH₃COONa + NaOH CH₄ + Na₂CO₃

4. Με καταλυτική υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων

π.χ. C_vH_2v + H₂ C_vH_2v+2

Φυσικές ιδιότητες

Τα κατώτερα μέλη των αλκανίων (C₁ - C₄) είναι αέρια, άχρωμα, άοσμα και αδιάλυτα στο νερό. Τα μέσα μέλη (C₅ - C₁₆) είναι υγρά με χαρακτηριστική οσμή πετρελαίου και τα ανώτερα (C₁₇ και άνω) είναι στερεά, άχρωμα  με υφή κεριού, όπως η βαζελίνη.

Χημικές ιδιότητες

Το CH₄ και όλα τα αλκάνια είναι αδρανείς ενώσεις. Σε κατάλληλες όμως συνθήκες μπορούν να δώσουν ορισμένες αντιδράσεις, σημαντικότερες από τις οποίες είναι: η καύση, η πυρόλυση και η υποκατάσταση.

α. Καύση

Τα αλκάνια καίγονται με περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα) προς

διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Για την έναρξη της αντίδρασης απαιτείται σπινθήρας, ο οποίος ενεργοποιεί τα αντιδρώντα.

C_vH_2v+2 + O₂ → vCO₂ + (v+1)H₂O

π.χ. CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Όταν η ποσότητα οξυγόνου δεν είναι επαρκής, η καύση είναι ατελής, οπότε σχηματίζονται διάφορα προϊόντα όπως C, CO.

β. Πυρόλυση

Έχουμε ήδη τονίσει τη σημασία της πυρόλυσης για την παρασκευή βενζίνης και για την παρασκευή των ακόρεστων και αρωματικών υδρογονανθράκων που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες στα πετροχημικά εργοστάσια. Υπενθυμίζουμε ότι η πυρόλυση γίνεται με θέρμανση παρουσία καταλυτών και απουσία αέρα. Κατά την πυρόλυση γίνονται πολλές αντιδράσεις, όπως σχάση αλυσίδας, κυκλοποίηση, ισομερείωση και αφυδρογόνωση. Αντιδράσεις που οδηγούν σε προϊόντα με διακλαδισμένη αλυσίδα χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ποιότητας μιας βενζίνης (αναμόρφωση βενζίνης).

• Πυρόλυση αλκανίων είναι η θερμική διάσπαση απουσία αέρα κάτω από πίεση, με ή χωρίς καταλύτη, που οδηγεί σε μίγματα κορεσμένων και ακόρεστων υδρογονανθράκων με μικρότερη σχετική μοριακή μάζα ή σε ισομερείς με διακλαδισμένη αλυσίδα

γ. Υποκατάσταση

Σε ορισμένες συνθήκες είναι δυνατό να υποκατασταθούν ένα ή περισσότερα υδρογόνα ενός αλκανίου από άλλα στοιχεία ή ομάδες στοιχείων. Από όλες αυτές τις αντιδράσεις ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλογόνωση (και ειδικότερα η χλωρίωση), η οποία είναι μια φωτοχημική αντίδραση, δηλαδή γίνεται παρουσία φωτός. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αλογόνωσης είναι η χλωρίωση του μεθανίου. Στο διάχυτο φως γίνεται σταδιακή υποκατάσταση των ατόμων υδρογόνου του μεθανίου από άτομα χλωρίου.

CH₄ + Cl₂ CH₃Cl + HCl
χλωρομεθάνιο

CH₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ + HCl
διχλωρομεθάνιο

CH₂Cl₂ + Cl₂ →   CHCl₃  + HCl
τριχλωρομεθάνιο ή χλωροφόρμιο

CHCl₃ Cl₂ →  CCl₄  + HCl
τετραχλωρομεθάνιο ή τετραχλωράνθρακας

Χρήσεις

Με βάση όσα ήδη έχουν αναφερθεί, προκύπτει ότι τα αλκάνια χρησιμοποιούνται ή ως καύσιμα ή ως πρώτες ύλες στη βιομηχανία των πετροχημικών. Παρακάτω δίνονται χαρακτηριστικά παραδείγματα χρήσεων.

• CH₄: χρησιμοποιείται ως καύσιμο (φυσικό αέριο - βιοαέριο - αέριο νάφθας) και ως πρώτη ύλη στην πετροχημεία.

• C₃H₈ - C₄H₁₀: χρησιμοποιείται ως υγραέριο στις  γνωστές μας φιάλες «πετρογκάζ» ή τα κοινά «γκαζάκια», τα οποία περιέχουν μίγμα C₃H₈ και C₄Η₁₀ υγροποιημένο υπό πίεση.

• C₅H₁₂ - C₆H₁₂ : χρησιμοποιείται υπό μορφή μίγματος κυρίως ως διαλύτης με το όνομα πετρελαϊκός αιθέρας.

• C₇H₁₆ - C₉H₂₀: χρησιμοποιείται υπό μορφή μίγματος ως καύσιμο (βενζίνη).

• Αλκάνια με 20 και πάνω άτομα άνθρακα στο μόριό τους: χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική (βαζελίνη) και για την κατασκευή κεριών (παραφίνη).

(Παράδειγμα 2.1)

Ποιος από τους παρακάτω μοριακούς τύπους αντιστοιχεί σε αλκάνιο, ποιοι είναι δυνατοί συντακτικοί τύποι αυτού και πώς ονομάζονται οι αντίστοιχες ενώσεις;

(α) C₂H₄          β) C₃H₄            (γ) C₄H₁₀         (δ) C₂H₂

Απάντηση

Τα αλκάνια έχουν γενικό τύπο C_νΗ_2ν+2. Άρα το C₄Η₁₀ αντιστοιχεί σε αλκάνιο. Οι δυνατοί συντακτικοί τύποι είναι:

CH₃CH₂CH₂CH₃ βουτάνιο και CH₃CHCH₃ μεθυλοπροπάνιο

|

CH₃

Εφαρμογή

Ποιος από τους παρακάτω μοριακούς τύπους αντιστοιχεί σε αλκάνιο, ποιοι είναι οι δυνατοί συντακτικοί τύποι και πώς ονομάζονται οι αντίστοιχες ενώσεις;

(α) C₃H₆          (β) C₄H₆          (γ) C₅H₁₂            (δ) C₅H₁₀

(Παράδειγμα 2.2)

To «γκαζάκι», που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή μας, πολλές φορές περιέχει καθαρό βουτάνιο. Πόσα λίτρα CO₂ σε STP θα σχηματιστούν, όταν καεί πλήρως το περιεχόμενο μιας τέτοιας φιάλης που ζυγίζει 116 g;

Λύση

Γράφουμε την αντίδραση καύσης.

C₄H₁₀ + O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

1 mol δίνει 4 mol

x = 179,2 L CO₂ σε STP.

Εφαρμογή

Πόσα γραμμάρια Η₂Ο θα σχηματιστούν κατά την πλήρη καύση 3 g αιθανίου;

(Παράδειγμα 2.3)

Από τα έλη εκλύεται ένας κορεσμένος υδρογονάνθρακας που διαπιστώθηκε ότι περιέχει 25% Η. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα.

Λύση

Από το γενικό τύπο των αλκανίων C_νΗ_2ν+2 προκύπτει ότι:

αλλά

περιέχουν

ή ν = 1 Συνεπώς, ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα είναι CH₄, δηλαδή πρόκειται για το μεθάνιο.

Εφαρμογή

Αλκάνιο περιέχει 80% C. Ποιος είναι ο μοριακός τύπος του αλκανίου;