Angliavandeniliai yra organiniai junginiai, sudaryti tik iš anglies ir vandenilio atomų. Jie yra vieni svarbiausių gamtos išteklių ir sudaro pagrindą daugeliui pramonės šakų, ypač energetikos sektoriui.
Naftos kilmė ir sudėtis
Pagrindiniai gamtiniai angliavandenilių šaltiniai yra gamtinės dujos, nafta ir akmens anglys. Šie ištekliai susidaro giliai žemės gelmėse per milijonus metų veikiant aukštam slėgiui ir temperatūrai, skaidantis organinėms medžiagoms.
Naftos apibrėžimas ir fizikinės savybės
Nafta - tai gamtinis skystas, tamsios spalvos angliavandenilių mišinys, aliejaus konsistencijos. Ji randama nuosėdinės kilmės akytose uolienose, įsisunkusi į smėlį, smiltainį, klintį. Nafta yra vienas svarbiausių gamtinių išteklių. D. Mendelejevas yra pasakęs apie naftos vertę: "Nafta - ne kuras, kūrenti galima ir banknotais."
Naftos fizikinės savybės yra labai įvairios. Jos spalva gali svyruoti nuo šviesiai rudos ir geltonos iki tamsiai rudos ir juodos, dažnai su žalsvu atspalviu. Tankis yra svarbus rodiklis, sąlygojamas asfalto, dervų kiekio, angliavandenilių molekulinio svorio ir kitų veiksnių. Naftos tankis gali kisti nuo 0,65 iki 1,00 g/cm³. Pagal tankį nafta skirstoma į lengvąją (iki 0,87 g/cm³), vidutinio tankio (0,87-0,91 g/cm³) ir sunkiąją (daugiau nei 0,91 g/cm³). Naftos tirpumas vandenyje yra labai silpnas, tačiau jos komponentai tirpsta pakankamai gerai organiniuose tirpikliuose. Daugelis naftą sudarančių komponentų pasižymi liuminescencija, t. y. švytėjimu apšvitinus.
Naftos kilmės teorijos
Yra kelios naftos kilmės teorijos, tačiau populiariausios yra biogeninė (iš organizmų) ir nebiogeninė (iš Žemės mantijos). Biogeninės teorijos teigimu, nafta, kaip ir dujos ar akmens anglis, susidarė dėl slėgio ir karščio iš jūros organizmų, kurie, žuvę, grimzdo į jūros dugną. Nebiogeninė teorija teigia, kad Žemėje visada buvo tam tikras angliavandenilių kiekis, kuris laikui bėgant, veikiamas šilumos ir slėgio, virto nafta.
Naftos cheminė sudėtis
Naftos sudėtis yra sudėtinga. Pagrindinę dalį sudaro angliavandeniliniai junginiai (apie 82-87% anglies ir 12-15% vandenilio), taip pat yra neangliavandenilinių junginių, tokių kaip dervos, asfaltenai, ir nedidelis kiekis sieros, azoto bei deguonies junginių (0,5-2%).
Naftos perdirbimas ir benzino gamyba
Naftos perdirbimas yra sudėtingas procesas, kurio metu iš žaliavinės naftos gaunama daugybė naudingų produktų, įskaitant benziną, žibalą, dyzeliną, mazutą ir kt.
Pirminis perdirbimas: distiliacija
Naftos perdirbimas prasideda distiliacija - proceso metu nafta, turinti skirtingas virimo temperatūras, išskirstoma į lengvas ir sunkias frakcijas. Pirminio naftos perdirbimo metu, distiliuojant rektifikacijos kolonose, gaunamos įvairios frakcijos:
- dujos (<30 °C)
- benzinas (30 - 200 °C)
- žibalas (120 - 320 °C)
- gazolis (160 - 380 °C)
Liekana - mazutas (>380 °C). Benzino frakcijoje yra angliavandeniliai, kurių molekulinė formulė atitinka C5-C12 anglies atomų skaičių. Šie angliavandeniliai gali būti tiek alkanai, tiek alkenai, tiek cikloalkanai ir aromatiniai junginiai.
Antriniai perdirbimo būdai: krekingas ir reformingas
Kadangi pirminio perdirbimo metu benzino gaunama nedaug (tik 10-15%), o jo kokybė (atsparumas detonacijai) ne visada pakankama, naudojami antriniai naftos perdirbimo būdai.
- Krekingas - tai aukštos virimo temperatūros angliavandenilių molekulių skaidymo procesas į paprastesnes, žemos virimo temperatūros molekules. Taikant šį būdą, benzino išeiga gali padidėti iki 60-80%. Katalitinis krekingas, vykstantis su katalizatorių pagalba, leidžia gauti aukštaoktaninį benziną.
- Reformingo paskirtis - padidinti benzino atsparumą detonacijai, paverčiant alkanus ir cikloalkanus aromatiniais angliavandeniliais. Šis procesas vyksta aukštoje temperatūroje ir slėgyje, dalyvaujant katalizatoriams. Kuo daugiau arenų (aromatiniai angliavandeniliai) yra benzine, tuo didesnis jo oktaninis skaičius.
Angliavandenilių klasifikacija ir savybės
Angliavandeniliai skirstomi į kelias pagrindines klases pagal ryšių tipą tarp anglies atomų. Anglies valentingumas organiniuose junginiuose yra keturvalentis. Visiškai sudegus alkenams, alkanams, alkinams susidaro anglies dioksidas ir vanduo. Gamtinės dujos, kurių pagrindinė sudedamoji dalis yra metanas, taip pat naudojamos kaip kuras.
Pagrindinės angliavandenilių klasės
- Alkanai (sočiųjų angliavandenilių): Turi tik viengubuosius ryšius tarp anglies atomų. Jų bendroji formulė yra CnH2n+2 (neciklinėms struktūroms). Pavyzdys: CH3-CH2-CH2-CH3 (butanas). Alkanai yra paprasčiausi angliavandeniliai ir gali būti linijinės arba šakotos struktūros.
- Alkenai (nesočiųjų angliavandenilių): Turi vieną dvigubą ryšį tarp anglies atomų (C=C). Jų bendroji formulė yra CnH2n (neciklinėms struktūroms). Alkenai, kurių molekulės yra pakankamai mažos (pvz., etenas, propenas), yra dujos. Alkenai gali polimerizuotis, sudarydami ilgas grandines. Pavyzdys: propenas CH3-CH=CH2. Alkenams būdinga geometrinė izomerija.
- Alkinai (nesočiųjų angliavandenilių): Turi vieną trigubą ryšį tarp anglies atomų (C≡C). Jų bendroji formulė yra CnH2n-2. Alkinų molekulėse ryšiai tarp anglies atomų yra triskart stipresni nei viengubieji. Kai kurie angliavandeniliai, kaip acetilenas (etinas), naudojami metalams pjaustyti ir suvirinti.
- Cikloalkanai: Turi bent vieną anglies atomų žiedą.
- Aromatiniai angliavandeniliai (arenai): Turi bent vieną aromatinę grupę, dažniausiai benzeno žiedą.
Aromatinių angliavandenilių atradimas ir savybės
1825 metais anglų fizikas ir chemikas M. Faradėjus, tirdamas šviečiamąsias dujas, išskyrė angliavandenilį, kurio molekulių anglies ir vandenilio atomų santykis yra 1:1. Šio angliavandenilio molekulinė formulė C6H6. 1834 metais vokiečių chemikas E. Mičerlichas išskyrė tą patį junginį iš atogrąžų augalo žievės. Pagal augalo pavadinimą jis pavadintas benzenu. Šio junginio fragmentų galima rasti kvapiosiose medžiagose: gvazdikėliuose, cinamone, vanilėje. Todėl benzenas ir jo dariniai vadinami aromatiniais angliavandeniliais.
Benzeno formulė jau buvo žinoma, tačiau tik 1865 metais vokiečių chemikas F. A. Kekulė atrado būdą, kaip pavaizduoti benzeno struktūrą. Benzenas kambario temperatūroje yra specifinio kvapo bespalvis skaidrus skystis, netirpsta vandenyje, už jį lengvesnis. Šie junginiai - geri organinių medžiagų tirpikliai. Benzeno lydymosi temperatūra +5.4 °C, virimo +80.1 °C. Šaldomas jis lengvai kristalizuojasi.
A Level Chemistry Revision (Year 13) "The Structure of Benzene"
Aromatiniai junginiai reaguoja su oro deguonimi. Šios reakcijos vyksta suardžius stabilią benzeno ciklinę sistemą. Benzenas reaguoja su koncentruota azoto rūgštimi (nitrinimas). Svarbiausi aromatinių angliavandenilių šaltiniai yra akmens anglies koksavimo produktai - degutas bei koksavimo dujos. Daug aromatinių junginių randama naftoje ir akmens anglių perdirbimo produktuose. Benzenas - organinių medžiagų tirpiklis.
Benzinas: sudėtis ir oktaninis skaičius
Benzinas yra sudėtingas angliavandenilių mišinys, gaunamas naftos perdirbimo metu. Jis daugiausia susideda iš angliavandenilių, kuriuose yra nuo 5 iki 12 anglies atomų.
Oktaninio skaičiaus reikšmė
Benzino kokybę apibūdina jo oktaninis skaičius. Jis nusako benzino savybę vidaus degimo variklyje sudegti be detonacijos. Detonacija - tai savaiminis ir priešlaikinis benzino garų ir oro mišinio užsidegimas. Kuo aukštesnis oktaninis skaičius, tuo didesnis variklio suspaudimo laipsnis ir galia gali būti naudojami. Pavyzdžiui, A-95 markė reiškia, kad benzino atsparumas detonacijai yra ne mažesnis kaip 95.
Kuro su antidetonacinėmis savybėmis etalonu pasirinktas 2,2,4-trimetilpentanas (oktaninis skaičius 100), o etalonu su žemiausiomis antidetonacinėmis savybėmis - n-heptanas (oktaninis skaičius 0). Benzino, kurio oktaninis skaičius 80, antidetonacinės savybės atitinka 80% 2,2,4-trimetilpentano ir 20% n-heptano mišinį.
Benzino gamyba Lietuvoje
Lietuvoje naftos perdirbimo įmonė yra Mažeikiuose. Visų markių benzinas, pagamintas Mažeikių naftoje, yra neetiliuotas ir atitinka Europos standartus.
tags: #benzine #esantys #angliavandeniliai