Usi e fonti industriali degli alcani

14 dicembre 2008 alle 16:58 Stampa Invia email commenta!

Le principali fonti degli alcani sono i gas naturali e il petrolio, che provengono dalla decomposizione e dall’azione geologica che, attraverso milioni di anni, hanno trasformato i complessi composti presenti negli organismi viventi in una miscela di idrocarburi. Tale miscela può essere costituita da molecole a un atomo di carbonio fino a molecole contenenti da 30 a 40 atomi di carbonio e talvolta anche fino a 100.

Il gas naturale contiene soltanto gli alcani più volatili, cioè quelli alcani che hanno peso molecolare più basso. Esso è costituito principalmente da metano, unito a piccole quantità, che variano a seconda della provenienza, da altri alcani inferiori come l’etano, il propano e il butano.
Solo il gas naturale estratto dal mare del Nord contiene esclusivamente metano, mentre quello estratto in Pennsylvania contiene metano, etano e propano nel rapporto 12 : 2 : 1 con il 3% in totale di alcani superiori.
Talvolta si vede il metano gorgogliare sulla superficie degli acquitrini e pertanto esso è chiamato anche gas delle paludi.
La maggior parte del metano estratto viene adoperato come combustibile. Quello estratto in Italia è tanto puro (98%) da non richiedere ulteriori trattamenti prima della distribuzione.
Trova impiego nell’industria sia come combustibile sia come materia prima. E’ molto usato come carburante per l’autotrazione ed è in continuo aumento il consumo per uso domestico: parecchi centri urbani, infatti, stanno procedendo alla metanizzazione delle loro reti di distribuzione.

Nel 1981 è stato inaugurato un metanodotto, lungo 3.000 km, che collega il nostro Paese all’Algeria.
Anche il propano e il butano vengono usati in miscela come combustibili allo stato liquido e vengono commercializzati in bombole sotto pressione con la sigla GPL (Gas di Petrolio Liquefatti), soprattutto nelle località prive di distribuzione di altri gas combustibili.
Il petrolio, che letteralmente significa “olio di pietra”, deve il suo nome al fatto che si presenta come un liquido denso che impregna rocce porose.
Già noto ai tempi dei Babilonesi e degli Egizi che ne facevano un grande uso, ad esempio imbalsamare i cadaveri, cementare i blocchi di pietra, il cosiddetto oro nero si trova anche nei giacimenti superficiali.
E’ solo verso la seconda metà del 1800 che si può considerare la nascita del petrolio come materia prima nella nostra società e nella nostra economia, precisamente quando presso Titusville in Pennsylvania entrò in produzione il primo pozzo scavato da E.L. Drake: il petrolio era stato trovato alla profondità di 21 m (27 agosto 1859).

Per quanto riguarda la sua composizione, in passato si è molto discusso sull’origine di questa materia prima e si sono contrapposte due ipotesi: origine inorganica e origine organica.
Secondo l’ipotesi organica il petrolio deriva dalla decomposizione delle sostanze contenute nei resti di piante, animali e microrganismi planctonici accumulatisi su fondali lacustri o marini scarsi di ossigeno, nei quali avviene una prima demolizione delle macromolecole organiche, ossia proteine, zuccheri, grassi, grazie all’azione di batteri anaerobi. Con l’arrivo di nuovi sedimenti si ha un progressivo sprofondamento della biomassa parzialmente demolita.
All’aumentare della temperatura e della pressione si ha la rottura dei legami chimici più deboli, eliminando in questo modo l’ossigeno e l’azoto, e le molecole organiche diventano sempre più piccole.
Per la formazione del petrolio le profondità ottimali sono comprese tra 2500 m e 4000 m, con temperature comprese tra 60 °C e 150 °C.
A profondità superiore invece è preferibile la formazione del metano, contenente un solo atomo di carbonio per molecola.
I tempi necessari per la formazione del petrolio dipendono fondamentalmente dalla temperatura: da 5 a 100 milioni di anni.

Successivamente il petrolio migra dalla roccia madre, dove si è formato, in rocce adiacenti permeabili: la pressione dei sedimenti che col tempo si accumulano, butta via il fluido presente nel sottosuolo (acqua, petrolio, gas). Gli idrocarburi tendono a stanziarsi verso la superficie, accumulandosi in particolari rocce che possono funzionare da serbatoio se sono protette da strati di rocce impermeabili, dette rocce di copertura, disposte in modo da formare una specie di trappola.
Pertanto, il petrolio non è contenuto in speciali caverne del sottosuolo ma occupa gli interstizi più o meno grandi delle rocce serbatoio.
La presenza del petrolio di colesterolo, di derivati della clorofilla o di pollini è una prova fondamentale a sostegno dell’ipotesi organica.
La ricerca del petrolio richiede l’individuazione delle formazioni geologiche favorevoli alla formazione di trappole.
I giacimenti attualmente sfruttati si trovano alle profondità inferiori di 3000 m.

Il petrolio così come viene estratto è detto greggio ed è costituito da una complessa miscela di idrocarburi solidi, liquidi e gassosi, contenente anche piccole quantità di altri composti organici in cui sono presenti ossigeno, azoto, zolfo e sali minerali, sedimenti e acqua.
A temperatura ambiente, il petrolio si presenta come un liquido oleoso, denso, infiammabile e di colore variabile dal giallastro al nero.
Il contenuto di idrocarburi nel petrolio dipende dalla sua provenienza geografica e può variare dal 97-98% per i greggi della Pennsylvania a valori molto più bassi, dell’ordine del 50%, per i greggi del Messico.
Gli idrocarburi presenti sono gli alcani, i cicloalcani e gli idrocarburi aromatici; sono invece raramente presenti gli alcheni e i dieni, mentre risultano praticamente assenti i dieni.
L’analisi percentuale degli elementi che costituiscono il petrolio greggio varia anch’essa da un tipo all’altro, ma solitamente rientra negli standard.
La sua densità oscilla mediamente tra 750 e 950 kg/m3 ma esistono anche petroli più densi dell’acqua per la presenza abbondante di prodotti bituminosi. La composizione e le caratteristiche della miscela idrocarburica dipendono anch’esse dalla provenienza del greggio.
In alcune miscele predominano gli idrocarburi leggeri e tra essi gli idrocarburi gassosi e liquidi molto volatili, facilmente infiammabili, altri invece non contengono sostanze volatili ma presentano in preponderanza idrocarburi pesanti.

E’ ormai stato accertato che esso deriva dalla decomposizione di organismi animali e vegetali, verificatasi in assenza di aria nel corso di centinaia di migliaia di anni, per opera di enzimi prodotti da batteri anaerobi. I differenti tipi di petrolio esistenti hanno pertanto una composizione che dipende dalle condizioni di formazione e dal tipo di organismi da cui hanno avuto origine.
Indipendentemente dalla sua composizione, il petrolio si trova depositato in rocce porose, in genere arenarie, attorniate da strati impermeabili.
All’interno delle arenarie si distinguono tre strati: in alto sono accumulati i gas, nella zona centrale c’è il petrolio, che sovrasta lo strato più profondo ricco di acqua salata.
Dopo la sua estrazione, il petrolio viene sottoposto a lavorazione per separare le varie frazioni commercialmente sfruttabili dall’acqua salata e per allontanare le sostanze indesiderate, come lo zolfo (fino al 5%) e i composti azotati, ossigenati, ecc. Le complesse operazioni di separazione e trattamento delle varie frazioni vengono indicate nel loro insieme col nome di raffinazione, che si effettua con la cosiddetta distillazione frazionata.
La prima operazione consiste  nell’eliminazione dell’acqua e solidi sospesi; successivamente viene sottoposto a distillazione primaria (topping), che si realizza immettendo il greggio, a circa 360 °C, in una colonna di distillazione a piatti, in cui la temperatura è decrescente dal basso verso l’alto.
Un primo grossolano frazionamento del greggio si ottiene prelevando il liquido dalle diverse altezze della colonna.
Alla base della torre restano gli idrocarburi più pesanti, a più alto punto di ebollizione; nella zona intermedia condensano gli idrocarburi con punto di ebollizione intermedio; nella parte alta condensano gli idrocarburi leggeri aventi bassa temperatura di ebollizione.
Il residuo viene ulteriormente frazionato in un sistema di distillazione sotto vuoto (il vacuum). Si ricavano ancora gasoli, oli lubrificanti e ciò che rimane è bitume, utilizzato per i manti stradali e per impermeabilizzazioni in edilizia.
Come il residuo, anche le altre frazioni del topping devono subire una serie di trattamenti prima di essere immesse nel consumo.
Per esempio, poiché le benzine, che sono il prodotto più richiesto dal mercato, costituiscono raramente più 15% di tutto il greggio, sono stati messi a punto processi come il cracking catalitico, che consentono di demolire le frazioni pesanti, cioè quelle costituite da catene idrocarburi a catena più lunga.
Operando a 400-450 °C, in presenza di catalizzatori di natura acida, la catena lunga in questi idrocarburi viene spezzata in un punto qualsiasi, con formazione di un altro alcano e un alchene.
Le miscele di alcani e alcheni ottenute con questo processo, unite agli alcani di testa del topping, vengono poi sottoposte a un processo, noto con il nome di alchilazione, con il quale alcani e alcheni reagiscono tra loro.
Con questo processo si ottengono alcani ramificati che costituiscono i componenti ideali delle “benzine avio”, cioè di benzine bassobollenti destinate a motori aeronautici, i cui carburanti sono esposti a basse temperature.
Vengono effettuati anche processi di ristrutturazione molecolare, indicati con il termine reforming, con i quali si ottengono idrocarburi aromatici, cicloalcani e paraffine a catena ramificata a spese di alcani lineari.
Come importante sottoprodotto del reforming si ottiene anche idrogeno.
Senza l’energia chimica fornita dai combustibili ricavati dalla lavorazione del petrolio, entrerebbero in crisi settori vitali della nostra società, come per esempio quelli che dipendono in larga misura dal trasporto su strada.
Non esiste solo un problema di quantità di energia ma anche uno, spesso più importante, di qualità dell’energia.
Perché si parla tanto di crisi energetica e si lanciano allarmi sul rischio di esaurimento dei giacimenti di petrolio se la legge di conservazione dell’energia ci assicura che la quantità complessiva di energia resta sempre uguale? La questione preoccupante non è la quantità ma la qualità dell’energia. Per chiarire questo aspetto, bisogna tener conto di cosa avviene dal punto di vista energetico quando, dopo per esempio aver fatto il pieno della benzina, si intraprende un viaggio in auto. Durante la reazione di combustione dei componenti della benzina, che ha luogo nel motore, l’energia che era immagazzinata sotto forma di energia chimica nelle molecole dei componenti iniziali viene trasformata in energia termica che si disperde lungo il cammino dell’auto.
La quantità totale  di energia non cambia, ma l’energia che prima era concentrata nei componenti della benzina si ritrova infine distribuita più o meno uniformemente nell’ambiente.
Quando invece l’energia si presentava in forma concentrata, era possibile compiere lavoro, una volta che l’energia si è dispersa nell’ambiente non è possibile utilizzarla per compiere un lavoro, inevitabilmente la quantità dell’energia peggiora, in quanto essa si degrada.
L’energia che attualmente è immagazzinata nel petrolio è il risultato di un lunghissimo processo di trasformazione delle molecole organiche di organismi vissuti in epoche passate, che hanno fabbricato molecole ad alto contenuto energetico sfruttando direttamente (se autotrofi) o indirettamente (se eterotrofi) l’energia della luce solare mediante la fotosintesi. Il petrolio è per noi molto importante perché costituisce una fonte di facile impiego di energia concentrata. Attualmente, in particolari ambienti del nostro pianeta il processo di formazione del petrolio è in atto, ma si tratta di un processo talmente lento, se rapportato alla durata della vita umana, che non si può fare alcun conto su di esso.

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