🏭

Νάφθα & Πετροχημικά

Πυρόλυση νάφθας, πρώτες ύλες της πετροχημείας

Τι κοινό έχουν ένα φάρμακο, ένα λάστιχο και ένα απορρυπαντικό;

Όλα ξεκινούν συνήθως από το ίδιο κλάσμα του πετρελαίου: τη νάφθα. Σπάζοντας τα μεγάλα της μόρια σε μικρότερα, η βιομηχανία παίρνει αιθένιο, προπένιο και άλλες «πρώτες ύλες» από τις οποίες φτιάχνονται πλαστικά, ελαστικά, διαλύτες, φάρμακα και απορρυπαντικά. Εδώ μαθαίνεις πώς γίνεται αυτό το «σπάσιμο» — η πυρόλυση.

Νάφθα και πετροχημεία

Νάφθα είναι το κλάσμα της απόσταξης του αργού πετρελαίου που βρίσκεται ανάμεσα στη βενζίνη και την κηροζίνη και αποτελείται κυρίως από αλκάνια με 5 έως 9 άτομα C.

Πετροχημεία είναι ο κλάδος της βιομηχανικής χημείας που περιλαμβάνει όλες τις μεθόδους παραγωγής χημικών προϊόντων με πρώτη ύλη το πετρέλαιο. Οι πρώτες ύλες της είναι αέριοι και υγροί υδρογονάνθρακες, κυρίως από τη νάφθα, και η σημαντικότερη διεργασία είναι η πυρόλυση.

Πυρόλυση

Πυρόλυση είναι η θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων απουσία αέρα, υπό πίεση, με ή χωρίς καταλύτη. Δίνει μίγματα κορεσμένων και ακόρεστων υδρογονανθράκων με μικρότερη σχετική μοριακή μάζα ή ισομερή με διακλαδισμένη αλυσίδα. Κατά την πυρόλυση γίνονται σχάσεις αλυσίδας, κυκλοποιήσεις, ισομερειώσεις και αφυδρογονώσεις.

Από την πυρόλυση της νάφθας προκύπτουν:

Αέριο νάφθας — καύσιμο με περίπου $75\%$ $CH_4$ , $5\%$ $H_2$ , $5\%$ $C_4H_{10}$
Βενζίνη
Κατώτεροι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες: αιθένιο, προπένιο, βουτένιο, 1,3-βουταδιένιο, καθώς και λίγοι αρωματικοί (κυρίως βενζόλιο)

Από αυτά τα «μικρά» μόρια παρασκευάζονται πολύπλοκα προϊόντα μεγάλης οικονομικής σημασίας: πολυμερή (πλαστικά), υφάνσιμες ίνες, απορρυπαντικά, αζωτούχα λιπάσματα, φάρμακα.

Κόλπο μνήμης

Απόσταξη = κοσκίνισμα: ξεχωρίζεις ό,τι υπάρχει ήδη, χωρίς να το αλλάξεις (φυσική διεργασία). Πυρόλυση = ψαλίδι: κόβεις τα μακριά μόρια σε κομμάτια και φτιάχνεις νέες ουσίες (χημική διεργασία).

$\text{βαρύ αλκάνιο} \xrightarrow[\text{απουσία αέρα}]{\text{θέρμανση (καταλύτης)}} \text{μικρότερα αλκάνια} + \text{αλκένια}$

«Το πετρέλαιο είναι κρίμα να καίγεται»

Τα αποθέματα πετρελαίου, φυσικού αερίου και γαιανθράκων είναι πεπερασμένα. Όσο οι ανανεώσιμες πηγές (αιολική, ηλιακή) αντικαθιστούν το πετρέλαιο ως καύσιμο:

μειώνεται η ρύπανση του περιβάλλοντος
εξοικονομείται πετρέλαιο ώστε τα αποθέματα να αξιοποιηθούν ως πρώτη ύλη για φάρμακα, πλαστικά, απορρυπαντικά, αρώματα — ό,τι δεν μπορεί εύκολα να παραχθεί αλλιώς.

Ήξερες ότι;

Το αιθένιο (αιθυλένιο) είναι η οργανική ένωση που παράγεται σε μεγαλύτερη ποσότητα στον κόσμο: πάνω από 150 εκατομμύρια τόνους τον χρόνο, κυρίως με πυρόλυση νάφθας και αιθανίου. Το μεγαλύτερο μέρος του γίνεται πολυαιθυλένιο.

Μέθοδος: εξίσωση πυρόλυσης με άγνωστο προϊόν

Γράψε την εξίσωση με τα γνωστά σώματα και τον συντελεστή του αγνώστου.
Διατήρηση ατόμων C: C αντιδρώντος $-$ C γνωστών προϊόντων = C του αγνώστου (επί τον συντελεστή του).
Κάνε το ίδιο για τα H.
Από τον λόγο H : C αναγνώρισε την ομόλογη σειρά (π.χ. $C_\nu H_{2\nu}$ = αλκένιο).

Άσκηση: Να συμπληρωθούν οι εξισώσεις πυρόλυσης: (α) $C_{10}H_{22} \rightarrow C_8H_{18} + X$ , (β) $C_{12}H_{26} \rightarrow C_8H_{18} + 2Y$ .

Λύση:

(α) C: $10 - 8 = 2$ , H: $22 - 18 = 4$ $\Rightarrow$ $X = C_2H_4$ (αιθένιο).

(β) Τα $2Y$ έχουν C: $12 - 8 = 4$ και H: $26 - 18 = 8$ , άρα κάθε $Y$ έχει $2\ C$ και $4\ H$ $\Rightarrow$ $Y = C_2H_4$ .

Και στις δύο περιπτώσεις το αλκάνιο «σπάει» σε ένα μικρότερο αλκάνιο και σε αλκένιο — γι' αυτό η πυρόλυση είναι η κύρια πηγή αιθενίου.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το προϊόν $X$ στην πυρόλυση $C_{14}H_{30} \rightarrow C_8H_{18} + X$ ;

Άσκηση: Να εξηγηθεί γιατί από την ίδια ποσότητα πετρελαίου η πυρόλυση δίνει περισσότερη και καλύτερη βενζίνη από την απλή απόσταξη.

Λύση:

Περισσότερη: τα ανώτερα κλάσματα (π.χ. κηροζίνη $C_{11}-C_{14}$ ), που έχουν μικρότερη ζήτηση, διασπώνται σε μόρια με $C_5 - C_{12}$ , δηλαδή σε βενζίνη.
Καλύτερη: κατά την πυρόλυση γίνονται και ισομερειώσεις, που δίνουν διακλαδισμένες αλυσίδες με μεγάλο αριθμό οκτανίου.

Γι' αυτό η βενζίνη της αγοράς είναι ανάμειξη βενζίνης απόσταξης και βενζίνης πυρόλυσης.

Γρήγορος έλεγχος

Η σημαντικότερη διεργασία με την οποία η νάφθα δίνει τις κύριες πρώτες ύλες της πετροχημείας είναι:

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Κατά την πυρόλυση του δεκαεξανίου $C_{16}H_{34}$ σχηματίζονται μόνο οκτάνιο και αιθένιο.

Δεδομένα: $m_{C_{16}H_{34}} = 113\ g$ , $A_r$ : C = 12, H = 1.

Ζητούμενα: (α) η εξίσωση της πυρόλυσης, (β) η μάζα και ο όγκος (STP) του αιθενίου που σχηματίζεται.

Λύση:

(α) $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + \nu C_2H_4$ . C: $16 = 8 + 2\nu \Rightarrow \nu = 4$ . Έλεγχος H: $34 = 18 + 4 \cdot 4 = 34$ ✓

$C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + 4CH_2=CH_2$

(β) $M_r(C_{16}H_{34}) = 192 + 34 = 226$ , άρα $n = \frac{113}{226} = 0{,}5\ mol$ . Σχηματίζονται $4 \cdot 0{,}5 = 2\ mol$ $C_2H_4$ :

$m = 2 \cdot 28 = 56\ g \qquad V = 2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8\ L$

Έλεγχος μάζας: οκτάνιο $0{,}5 \cdot 114 = 57\ g$ και $57 + 56 = 113\ g$ ✓.

Απάντηση: (α) $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + 4C_2H_4$ , (β) $56\ g$ ή $44{,}8\ L$ αιθενίου.

Γρήγορος έλεγχος

Η νάφθα είναι:

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί λέγεται ότι «το πετρέλαιο είναι κρίμα να καίγεται»;

Πρόκληση

τι μένει μετά το «ψαλίδι» Κατά την πυρόλυση του $C_{20}H_{42}$ σχηματίζονται μόνο ένα αλκάνιο $A$ και προπένιο $C_3H_6$ , σε αναλογία mol $1 : 3$ . (α) Βρες τον μοριακό τύπο του $A$ . (β) Πόσα kg προπενίου και πόσα kg $A$ παίρνεις από $282\ kg$ $C_{20}H_{42}$ ; ( $A_r$ : C = 12, H = 1)

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $C_{20}H_{42} \rightarrow A + 3C_3H_6$ . Διατήρηση ατόμων: $C$ : $20 - 9 = 11$ , $H$ : $42 - 18 = 24$ → $A = C_{11}H_{24}$ . Έλεγχος: $2 \cdot 11 + 2 = 24$ ✓ — είναι πράγματι αλκάνιο (ενδεκάνιο).

(β) $M_r(C_{20}H_{42}) = 240 + 42 = 282$ , άρα $282\ kg = 1\ kmol$ . Σχηματίζονται $3\ kmol$ $C_3H_6$ ( $M_r = 42$ ) → $126\ kg$ , και $1\ kmol$ $C_{11}H_{24}$ ( $M_r = 156$ ) → $156\ kg$ . Έλεγχος μάζας: $126 + 156 = 282\ kg$ ✓

Απάντηση: (α) $C_{11}H_{24}$ , (β) $126\ kg$ προπένιο και $156\ kg$ ενδεκάνιο.

Συνηθισμένα λάθη

Απόσταξη ≠ πυρόλυση. Η απόσταξη είναι φυσική διεργασία (διαχωρισμός)· η πυρόλυση είναι χημική (σπάνε δεσμοί, σχηματίζονται νέες ενώσεις).
Πυρόλυση με αέρα. Γίνεται απουσία αέρα — με αέρα θα είχαμε καύση.
Ανισοστάθμιστες εξισώσεις πυρόλυσης. Έλεγχε πάντα C και H· ένα αλκάνιο δίνει συνήθως αλκάνιο + αλκένιο.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Νάφθα: κλάσμα μεταξύ βενζίνης και κηροζίνης, αλκάνια $C_5 - C_9$ .
Πετροχημεία: χημικά προϊόντα με πρώτη ύλη το πετρέλαιο — βασική διεργασία η πυρόλυση.
Πυρόλυση (απουσία αέρα): αέριο νάφθας, βενζίνη, αιθένιο, προπένιο, βουτένιο, 1,3-βουταδιένιο, λίγο βενζόλιο.
Εξισώσεις πυρόλυσης: διατήρηση ατόμων C και H.

Νάφθα και πετροχημεία