🛢️

Πετρέλαιο, Βενζίνη & Καύση

Καύσιμα, διύλιση, αριθμός οκτανίου, τέλεια – ατελής καύση

Τι σημαίνουν τα «95» και «100» στην αντλία της βενζίνης;

Είναι ο αριθμός οκτανίου: πόσο καλά αντέχει η βενζίνη να συμπιεστεί στον κινητήρα χωρίς να αναφλεγεί πρόωρα («κτύπημα»). Κι αυτός ο αριθμός εξαρτάται από το σχήμα των μορίων της. Εδώ μαθαίνεις από πού βγαίνει η βενζίνη, τι είναι το πετρέλαιο και πώς γράφεις και υπολογίζεις την καύση ενός υδρογονάνθρακα.

Καύσιμα και καύση

Καύσιμα είναι υλικά που, όταν καίγονται, αποδίδουν σημαντικά και εκμεταλλεύσιμα ποσά θερμότητας.

Φυσικά (τα παίρνουμε έτοιμα): γαιάνθρακες και ξύλα (στερεά), πετρέλαιο (υγρό), φυσικό αέριο (αέριο)
Τεχνητά (παρασκευάζονται από φυσικές πρώτες ύλες): κωκ (στερεό), βενζίνη και οινόπνευμα (υγρά), υγραέριο, αέριο νάφθας (αέρια)

Καύση μιας ουσίας είναι η αντίδρασή της με οξυγόνο (ή αέρα), που συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και συχνά φωτός — όλες οι καύσεις είναι εξώθερμες αντιδράσεις.

Πλήρης (τέλεια) καύση: ο C γίνεται $CO_2$ και το H γίνεται $H_2O$ — $C + O_2 \rightarrow CO_2$
Ατελής καύση (ανεπαρκές $O_2$ ): σχηματίζεται $CO$ ή και αιθάλη ( $C$ ) — $2C + O_2 \rightarrow 2CO$

$C_xH_y + \left(x + \frac{y}{4}\right)O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O \qquad C_xH_yO_z + \left(x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}\right)O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

Κόλπο μνήμης

Για το $O_2$ της καύσης $C_xH_y$ : κάθε C θέλει ένα $O_2$ (για να γίνει $CO_2$ ) και κάθε 4 H θέλουν ένα $O_2$ (για να γίνουν $2H_2O$ ). Γι' αυτό ο συντελεστής είναι $x + \frac{y}{4}$ . Για το μεθάνιο: $1 + \frac{4}{4} = 2$ .

Πετρέλαιο και διύλιση

Το πετρέλαιο («μαύρος χρυσός») είναι υγρό ορυκτό με εκατοντάδες ουσίες, κυρίως υγρούς υδρογονάνθρακες (αλκάνια, κυκλοαλκάνια, αρωματικούς), στους οποίους είναι διαλυμένοι αέριοι και στερεοί υδρογονάνθρακες, καθώς και μικρές ποσότητες ενώσεων του S, του N και του O. Σύμφωνα με την επικρατέστερη θεωρία σχηματίστηκε πριν από εκατομμύρια χρόνια από φυτικούς και ζωικούς μικροοργανισμούς (κυρίως πλαγκτόν), με την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων.

Το αργό (ακάθαρτο) πετρέλαιο είναι καστανοκίτρινο έως καστανόμαυρο υγρό, αδιάλυτο στο νερό, με πυκνότητα $0{,}8 - 0{,}95\ g/mL$ . Η διύλιση στα διυλιστήρια περιλαμβάνει:

απομάκρυνση των ξένων ουσιών, κυρίως του θείου
κλασματική απόσταξη σε αποστακτική στήλη: διαχωρισμός σε κλάσματα με βάση το σημείο βρασμού (πρώτα σε ατμοσφαιρική πίεση για τα ελαφρά κλάσματα, μετά υπό κενό για τα βαριά)

Τα περισσότερα προϊόντα καίγονται ως πηγή ενέργειας (μεταφορές, θέρμανση, ηλεκτροπαραγωγή). Ένα μέρος γίνεται πρώτη ύλη για άλλες χημικές ουσίες, τα πετροχημικά.

Ήξερες ότι;

Το αργό πετρέλαιο μετριέται διεθνώς σε βαρέλια: $1$ βαρέλι $= 42$ αμερικανικά γαλόνια $\approx 159\ L$ . Η μονάδα έμεινε από τον 19ο αιώνα, όταν το πετρέλαιο μεταφερόταν πράγματι σε ξύλινα βαρέλια — σήμερα μεταφέρεται με αγωγούς και δεξαμενόπλοια, αλλά οι τιμές του δίνονται ακόμα «ανά βαρέλι».

Βενζίνη και αριθμός οκτανίου

Η βενζίνη είναι το σημαντικότερο κλάσμα: μίγμα υδρογονανθράκων με 5 έως 12 άτομα C, με μέσες ιδιότητες κοντά σε αυτές του οκτανίου.

Η βενζίνη της απόσταξης δεν αρκεί και είναι κακής ποιότητας. Γι' αυτό τα ανώτερα κλάσματα υποβάλλονται σε πυρόλυση (cracking): θέρμανση με καταλύτες ( $Al_2O_3$ , $SiO_2$ ) που τα διασπά σε μικρότερα μόρια, π.χ.

$C_{13}H_{28} \rightarrow C_8H_{18} + CH_2=CH_2 + CH_3CH=CH_2$

Η ποιότητα της βενζίνης μετριέται με τον αριθμό οκτανίου: όσο μεγαλύτερος, τόσο πιο ομαλά αναφλέγεται το μίγμα βενζίνης–αέρα στον κύλινδρο, χωρίς «κτυπήματα» (μικροεκρήξεις), ακόμη και σε υψηλή συμπίεση. Οι υδρογονάνθρακες με ευθεία αλυσίδα έχουν μικρό αριθμό οκτανίου, ενώ οι πολύ διακλαδισμένοι μεγάλο (κλίμακα αναφοράς: επτάνιο = 0, 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο ή «ισοοκτάνιο» = 100). Η αναμόρφωση της βενζίνης μετατρέπει ευθείες αλυσίδες σε διακλαδισμένες και ανεβάζει τα οκτάνια.

Μέθοδος: ισοστάθμιση καύσης υδρογονάνθρακα

Γράψε $C_xH_y + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$ .
Ισοστάθμισε τα C (συντελεστής $x$ στο $CO_2$ ).
Ισοστάθμισε τα H (συντελεστής $\frac{y}{2}$ στο $H_2O$ ).
Μέτρησε τα O δεξιά και βάλε τον αντίστοιχο συντελεστή στο $O_2$ (επιτρέπεται κλάσμα).
Αν προκύψει κλάσμα και θέλεις ακέραιους, πολλαπλασίασε όλους τους συντελεστές με 2.

Για τον αέρα στις ασκήσεις δεχόμαστε συνήθως ότι περιέχει $20\%\ v/v$ $O_2$ : $V_{αέρα} = 5 \cdot V_{O_2}$ .

Άσκηση: Να γραφούν ισοσταθμισμένες οι εξισώσεις πλήρους καύσης του προπανίου, του βουτανίου και του οκτανίου.

Λύση:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$ (O: $10 = 6 + 4$ ✓)
$C_4H_{10} + \frac{13}{2}O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$ , δηλαδή $2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$ (O: $26 = 16 + 10$ ✓)
$2C_8H_{18} + 25O_2 \rightarrow 16CO_2 + 18H_2O$ (O: $50 = 32 + 18$ ✓)

Άσκηση: Ένα «γκαζάκι» περιέχει $116\ g$ καθαρό βουτάνιο. Πόσα λίτρα $CO_2$ (STP) σχηματίζονται από την πλήρη καύση του; ( $M_r$ $C_4H_{10}$ = 58)

Λύση: $n = \frac{116}{58} = 2\ mol$ $C_4H_{10}$ . Από την εξίσωση, $1\ mol$ βουτανίου δίνει $4\ mol$ $CO_2$ :

$n_{CO_2} = 2 \cdot 4 = 8\ mol \Rightarrow V = 8 \cdot 22{,}4 = 179{,}2\ L$

Άσκηση: Πόσα λίτρα αέρα (STP, $20\%\ v/v$ $O_2$ ) χρειάζονται για την πλήρη καύση $4{,}48\ L$ $CH_4$ (STP);

Λύση: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ . Για αέρια στις ίδιες συνθήκες οι όγκοι είναι ανάλογοι των mol:

$V_{O_2} = 2 \cdot 4{,}48 = 8{,}96\ L \qquad V_{αέρα} = 5 \cdot 8{,}96 = 44{,}8\ L$

Γρήγορος έλεγχος

Για την πλήρη καύση $1\ mol$ αιθανίου $C_2H_6$ απαιτούνται:

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος υδρογονάνθρακας έχει τον μεγαλύτερο αριθμό οκτανίου;

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Υγραέριο αποτελείται από προπάνιο και βουτάνιο. $0{,}3\ mol$ του μίγματος καίγονται πλήρως και σχηματίζονται $22{,}4\ L$ $CO_2$ (STP).

Δεδομένα: $n_{ολ} = 0{,}3\ mol$ , $V_{CO_2} = 22{,}4\ L$ (STP), αέρας $20\%\ v/v$ $O_2$ .

Ζητούμενα: (α) η σύσταση του μίγματος σε mol, (β) η μάζα του νερού που σχηματίζεται, (γ) ο όγκος αέρα (STP) που απαιτείται.

Λύση:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O \qquad C_4H_{10} + \frac{13}{2}O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$

(α) Με $x\ mol$ $C_3H_8$ και $y\ mol$ $C_4H_{10}$ : $x + y = 0{,}3$ και $3x + 4y = \frac{22{,}4}{22{,}4} = 1$ . Αντικαθιστώντας $x = 0{,}3 - y$ : $0{,}9 + y = 1 \Rightarrow y = 0{,}1$ , $x = 0{,}2$ .

(β) $n_{H_2O} = 4 \cdot 0{,}2 + 5 \cdot 0{,}1 = 1{,}3\ mol \Rightarrow m = 1{,}3 \cdot 18 = 23{,}4\ g$ .

(γ) $n_{O_2} = 5 \cdot 0{,}2 + 6{,}5 \cdot 0{,}1 = 1{,}65\ mol \Rightarrow V_{O_2} = 36{,}96\ L$ και $V_{αέρα} = 5 \cdot 36{,}96 = 184{,}8\ L$ .

Απάντηση: (α) $0{,}2\ mol$ $C_3H_8$ και $0{,}1\ mol$ $C_4H_{10}$ , (β) $23{,}4\ g$ $H_2O$ , (γ) $184{,}8\ L$ αέρα.

Γρήγορος έλεγχος

Κατά την κλασματική απόσταξη το αργό πετρέλαιο διαχωρίζεται σε κλάσματα με βάση:

Γρήγορος έλεγχος

Κατά την ατελή καύση ενός υδρογονάνθρακα σχηματίζεται, εκτός από $H_2O$ , κυρίως:

Πρόκληση

ο άγνωστος υδρογονάνθρακας από όγκους. $10\ mL$ αερίου υδρογονάνθρακα $C_xH_y$ καίγονται πλήρως με περίσσεια $O_2$ και σχηματίζονται $30\ mL$ $CO_2$ και $40\ mL$ υδρατμών (όλοι οι όγκοι στις ίδιες συνθήκες $P$ , $T$ ). (α) Βρες τον μοριακό τύπο. (β) Πόσα mL $O_2$ καταναλώθηκαν;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Στις ίδιες $P$ , $T$ οι όγκοι των αερίων είναι ανάλογοι των mol, οπότε δουλεύεις κατευθείαν με τους όγκους:

$C_xH_y + \left(x + \frac{y}{4}\right)O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

(α) $10x = 30 \Rightarrow x = 3$ και $10 \cdot \frac{y}{2} = 40 \Rightarrow y = 8$ → $C_3H_8$ (προπάνιο).

(β) $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$ → $V_{O_2} = 5 \cdot 10 = 50\ mL$ .

Απάντηση: (α) $C_3H_8$ , (β) $50\ mL$ $O_2$ — χωρίς να χρειαστεί ούτε ένα mol ή γραμμάριο.

Συνηθισμένα λάθη

Ξεχνάς τα O του νερού. Στο βήμα του $O_2$ μέτρα τα O και του $CO_2$ και του $H_2O$ .
Αέρας = οξυγόνο. Ο αέρας έχει περίπου $20\%$ $O_2$ · ο όγκος αέρα είναι 5 φορές ο όγκος του $O_2$ .
«Οκτάνιο» = πολλά οκτάνια. Ο αριθμός οκτανίου αφορά τη συμπεριφορά στον κινητήρα και μεγαλώνει με τις διακλαδώσεις, όχι με το όνομα.
Υγρό νερό σε STP. Το $H_2O$ σε STP είναι υγρό· μην υπολογίζεις τον όγκο του με $22{,}4\ L/mol$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

Καύση = εξώθερμη αντίδραση με $O_2$ · πλήρης $\rightarrow CO_2 + H_2O$ , ατελής $\rightarrow CO$ , $C$ .
$C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$ · αέρας $= 5 \times V_{O_2}$ .
Διύλιση: αφαίρεση θείου + κλασματική απόσταξη (κατά σημείο βρασμού).
Βενζίνη: $C_5 - C_{12}$ · πυρόλυση βαρέων κλασμάτων αυξάνει ποσότητα και ποιότητα.
Αριθμός οκτανίου: διακλαδισμένοι υδρογονάνθρακες $\uparrow$ , ευθείες αλυσίδες $\downarrow$ .

Καύσιμα και καύση

Καύσιμα είναι υλικά που, όταν καίγονται, αποδίδουν σημαντικά και εκμεταλλεύσιμα ποσά θερμότητας.

Φυσικά (τα παίρνουμε έτοιμα): γαιάνθρακες και ξύλα (στερεά), πετρέλαιο (υγρό), φυσικό αέριο (αέριο)

Τεχνητά (παρασκευάζονται από φυσικές πρώτες ύλες): κωκ (στερεό), βενζίνη και οινόπνευμα (υγρά), υγραέριο, αέριο νάφθας (αέρια)

Πλήρης (τέλεια) καύση: ο C γίνεται

CO_2

και το H γίνεται

H_2O

—

C + O_2 \rightarrow CO_2

Ατελής καύση (ανεπαρκές

O_2

): σχηματίζεται

CO

ή και αιθάλη (

C

) —

2C + O_2 \rightarrow 2CO