🔥

Αλκάνια – Μεθάνιο, Φυσικό Αέριο, Βιοαέριο

Γενικός τύπος, ιδιότητες, καύση, πυρόλυση

Αφού το μεθάνιο είναι άοσμο, γιατί «μυρίζει» μια διαρροή φυσικού αερίου;

Το φυσικό αέριο είναι σχεδόν καθαρό μεθάνιο, ένα αέριο χωρίς χρώμα και χωρίς οσμή. Για να καταλαβαίνεις αμέσως μια διαρροή, οι εταιρείες προσθέτουν σκόπιμα μια μικρή ποσότητα από μια έντονα δύσοσμη θειούχο ένωση. Εδώ μαθαίνεις για το μεθάνιο και την οικογένειά του, τα αλκάνια: πώς είναι φτιαγμένα, πώς καίγονται και πώς βρίσκεις τον τύπο τους από πειραματικά δεδομένα.

Φυσικό αέριο και βιοαέριο

Το φυσικό αέριο συνυπάρχει συνήθως με το πετρέλαιο και είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο $CH_4$ (έως και $90\%$ ), καθώς και αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνια. Έχει δύο πλεονεκτήματα ως καύσιμο:

Είναι καθαρό καύσιμο: καίγεται πλήρως και εύκολα προς $CO_2$ και δεν περιέχει S ή N, οπότε δεν δίνει ρύπους όπως $SO_2$ , $CO$ , $NO_x$ .
Έχει μεγάλη θερμαντική ικανότητα.

Χρησιμοποιείται επίσης ως πρώτη ύλη στην πετροχημεία.

Βιοαέριο είναι το αέριο που παράγεται από τη σήψη της βιομάζας (οργανική ύλη ζώων και φυτών) απουσία οξυγόνου — π.χ. σε έλη ή χωματερές — με κύριο συστατικό επίσης το μεθάνιο. Η βιομάζα ανανεώνεται γρήγορα, άρα το βιοαέριο είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας.

Αλκάνια: γενικά και φυσικές ιδιότητες

Αλκάνια είναι οι άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, με γενικό τύπο $C_\nu H_{2\nu+2}$ ( $\nu \ge 1$ ). Γύρω από κάθε άτομο C οι τέσσερις δεσμοί έχουν τετραεδρική διάταξη στον χώρο.

Πρώτα μέλη: $CH_4$ μεθάνιο, $CH_3CH_3$ αιθάνιο, $CH_3CH_2CH_3$ προπάνιο, $C_4H_{10}$ (βουτάνιο, μεθυλοπροπάνιο), $C_5H_{12}$ (πεντάνιο, μεθυλοβουτάνιο, διμεθυλοπροπάνιο).

Βρίσκονται άφθονα στο φυσικό αέριο και στο πετρέλαιο· δεν παράγονται βιομηχανικά, αλλά αποτελούν πρώτες ύλες.

Φυσικές ιδιότητες:

$C_1 - C_4$ : αέρια, άχρωμα, άοσμα, αδιάλυτα στο νερό
$C_5 - C_{16}$ : υγρά με οσμή πετρελαίου
$C_{17}$ και πάνω: στερεά με υφή κεριού (βαζελίνη, παραφίνη)

Ήξερες ότι;

Στον Τιτάνα, τον μεγαλύτερο δορυφόρο του Κρόνου, η θερμοκρασία είναι περίπου $-180\ °C$ και το μεθάνιο και το αιθάνιο είναι υγρά. Η αποστολή Cassini φωτογράφισε ολόκληρες λίμνες και θάλασσες υδρογονανθράκων — και βροχή από μεθάνιο.

Χημικές ιδιότητες

Τα αλκάνια είναι αδρανείς ενώσεις (έχουν μόνο απλούς δεσμούς). Σε κατάλληλες συνθήκες δίνουν:

α. Καύση: με περίσσεια $O_2$ (ή αέρα) δίνουν $CO_2$ και $H_2O$ · για την έναρξη χρειάζεται σπινθήρας. Π.χ. $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ . Με ανεπαρκές $O_2$ η καύση είναι ατελής ( $CO$ , $C$ ).

β. Πυρόλυση: θερμική διάσπαση απουσία αέρα σε μικρότερους κορεσμένους και ακόρεστους υδρογονάνθρακες ή σε διακλαδισμένα ισομερή — για βενζίνη (και αναμόρφωση βενζίνης) και πρώτες ύλες πετροχημείας.

Χρήσεις: $CH_4$ καύσιμο (φυσικό αέριο, βιοαέριο, αέριο νάφθας) και πρώτη ύλη· $C_3H_8$ – $C_4H_{10}$ υγραέριο (φιάλες, «γκαζάκια»)· $C_5 - C_6$ διαλύτης (πετρελαϊκός αιθέρας)· $C_7 - C_9$ βενζίνη· $C_{20}$ και πάνω βαζελίνη και παραφίνη (κεριά).

$C_\nu H_{2\nu+2} + \frac{3\nu + 1}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + (\nu + 1)H_2O \qquad M_r = 14\nu + 2$

Κόλπο μνήμης

$M_r = 14\nu + 2$ : κάθε $-CH_2-$ της αλυσίδας ζυγίζει $12 + 2 = 14$ , και το +2 είναι τα δύο «έξτρα» H στις άκρες. Για την καύση, ο συντελεστής του $O_2$ είναι $\frac{3\nu + 1}{2}$ — για το μεθάνιο ( $\nu = 1$ ): $\frac{4}{2} = 2$ ✓

Μέθοδος: μοριακός τύπος αλκανίου από δεδομένα

Γράψε τη γενική εξίσωση με $\nu$ (π.χ. καύσης) ή τη γενική $M_r = 14\nu + 2$ .
Μετάτρεψε τα δεδομένα σε mol.
Στήσε αναλογία: π.χ. $1\ mol$ αλκανίου $\rightarrow \nu\ mol$ $CO_2$ ή $(\nu + 1)\ mol$ $H_2O$ .
Λύσε ως προς $\nu$ — πρέπει να βγει θετικός ακέραιος.
Αν ζητείται, γράψε τα δυνατά συντακτικά ισομερή.

Για % περιεκτικότητα: $\%H = \frac{2\nu + 2}{14\nu + 2} \cdot 100$ ή $\%C = \frac{12\nu}{14\nu + 2} \cdot 100$ .

Άσκηση: Από τα έλη εκλύεται κορεσμένος υδρογονάνθρακας με $25\%$ H κατά μάζα. Ποιος είναι ο μοριακός του τύπος;

Λύση: Για $C_\nu H_{2\nu+2}$ :

$\frac{2\nu + 2}{14\nu + 2} = \frac{25}{100} \Rightarrow 8\nu + 8 = 14\nu + 2 \Rightarrow \nu = 1$

Πρόκειται για το μεθάνιο $CH_4$ — το «αέριο των ελών», κύριο συστατικό του βιοαερίου.

Άσκηση: $0{,}1\ mol$ αλκανίου καίγονται πλήρως και σχηματίζονται $13{,}2\ g$ $CO_2$ . Ποιος είναι ο μοριακός τύπος του;

Λύση: $n_{CO_2} = \frac{13{,}2}{44} = 0{,}3\ mol$ . Από τη γενική εξίσωση, $1\ mol$ αλκανίου δίνει $\nu\ mol$ $CO_2$ :

$0{,}1 \cdot \nu = 0{,}3 \Rightarrow \nu = 3$

Μοριακός τύπος $C_3H_8$ (προπάνιο).

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα mol $O_2$ απαιτούνται για την πλήρη καύση $1\ mol$ πεντανίου $C_5H_{12}$ ;

Άσκηση: Πόσα γραμμάρια νερού σχηματίζονται κατά την πλήρη καύση $3\ g$ αιθανίου; ( $M_r$ $C_2H_6$ = 30)

Λύση: $n = \frac{3}{30} = 0{,}1\ mol$ . Από $C_2H_6 + \frac{7}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$ :

$n_{H_2O} = 3 \cdot 0{,}1 = 0{,}3\ mol \Rightarrow m = 0{,}3 \cdot 18 = 5{,}4\ g$

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: $1{,}12\ L$ αερίου αλκανίου (STP) καίγονται πλήρως με ακριβώς $5{,}6\ L$ $O_2$ (STP).

Δεδομένα: $V_{αλκανίου} = 1{,}12\ L$ , $V_{O_2} = 5{,}6\ L$ (STP), αέρας $20\%\ v/v$ $O_2$ .

Ζητούμενα: (α) ο μοριακός τύπος, (β) ο όγκος του $CO_2$ (STP) και η μάζα του $H_2O$ , (γ) ο όγκος αέρα που θα χρειαζόταν αντί για καθαρό $O_2$ .

Λύση:

(α) $n_{αλκ} = 0{,}05\ mol$ και $n_{O_2} = 0{,}25\ mol$ . Από τη γενική εξίσωση:

$0{,}05 \cdot \frac{3\nu + 1}{2} = 0{,}25 \Rightarrow 3\nu + 1 = 10 \Rightarrow \nu = 3 \quad (C_3H_8)$

(β) $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$ : $n_{CO_2} = 0{,}15\ mol \Rightarrow V = 3{,}36\ L$ · $n_{H_2O} = 0{,}2\ mol \Rightarrow m = 3{,}6\ g$ .

(γ) $V_{αέρα} = 5 \cdot 5{,}6 = 28\ L$ .

Απάντηση: (α) $C_3H_8$ , (β) $3{,}36\ L$ $CO_2$ και $3{,}6\ g$ $H_2O$ , (γ) $28\ L$ αέρα.

Γρήγορος έλεγχος

Κύριο συστατικό και του φυσικού αερίου και του βιοαερίου είναι:

Γρήγορος έλεγχος

Σε θερμοκρασία δωματίου το δεκάνιο $C_{10}H_{22}$ είναι:

Γρήγορος έλεγχος

Το φυσικό αέριο χαρακτηρίζεται «καθαρό» καύσιμο επειδή:

Πρόκληση

το μίγμα του φυσικού αερίου. $10\ L$ μίγματος μεθανίου και αιθανίου καίγονται πλήρως και δίνουν $14\ L$ $CO_2$ (όλοι οι όγκοι στις ίδιες συνθήκες). (α) Ποια είναι η σύσταση του μίγματος; (β) Πόσα λίτρα $O_2$ καταναλώθηκαν;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Έστω $x\ L$ $CH_4$ και $y\ L$ $C_2H_6$ .

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O \qquad 2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$

(α) $x + y = 10$ και $x + 2y = 14$ (κάθε $L$ αιθανίου δίνει $2\ L$ $CO_2$ ) → $y = 4\ L$ , $x = 6\ L$ .

(β) $V_{O_2} = 2 \cdot 6 + \frac{7}{2} \cdot 4 = 12 + 14 = 26\ L$ .

Απάντηση: (α) $6\ L$ $CH_4$ και $4\ L$ $C_2H_6$ ( $60\%$ και $40\%\ v/v$ ), (β) $26\ L$ $O_2$ .

Συνηθισμένα λάθη

Λάθος γενικός τύπος. Αλκάνια $C_\nu H_{2\nu+2}$ — η $M_r$ είναι $14\nu + 2$ , όχι $14\nu$ .
«Καθαρό» = χωρίς $CO_2$ . Κάθε πλήρης καύση υδρογονάνθρακα παράγει $CO_2$ , που συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Ο $\nu$ δεν βγαίνει ακέραιος. Ξαναέλεγξε αν χρησιμοποίησες το $CO_2$ ( $\nu$ ) ή το $H_2O$ ( $\nu + 1$ ) σωστά.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Αλκάνια: $C_\nu H_{2\nu+2}$ , τετραεδρική διάταξη, αδρανή· φυσικό αέριο/βιοαέριο κυρίως $CH_4$ .
$C_1 - C_4$ αέρια, $C_5 - C_{16}$ υγρά, $C_{17}$ + στερεά· όλα αδιάλυτα στο νερό.
Καύση: $C_\nu H_{2\nu+2} + \frac{3\nu+1}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + (\nu+1)H_2O$ .
Πυρόλυση: μικρότερα αλκάνια + αλκένια, διακλαδισμένα ισομερή.
Χρήσεις: καύσιμα (φυσικό αέριο, υγραέριο, βενζίνη), διαλύτες, βαζελίνη, παραφίνη.

Φυσικό αέριο και βιοαέριο

Το φυσικό αέριο συνυπάρχει συνήθως με το πετρέλαιο και είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο

CH_4

(έως και

90\%

), καθώς και αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνια. Έχει δύο πλεονεκτήματα ως καύσιμο:

Είναι καθαρό καύσιμο: καίγεται πλήρως και εύκολα προς

CO_2

και δεν περιέχει S ή N, οπότε δεν δίνει ρύπους όπως

SO_2

CO

NO_x

Έχει μεγάλη θερμαντική ικανότητα.

Χρησιμοποιείται επίσης ως πρώτη ύλη στην πετροχημεία.