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Il cracking

Il cracking è il processo che spezza in due o più parti la catena di un idrocarburo, a causa della grande stabilità dei legami σ tra gli atomi di carbonio, il processo richiede notevoli quantità di energia oppure l’uso di opportuni catalizzatori.

Esistono due tipi di cracking, uno termico e l’altro catalitico.
Nel cracking termico si riscaldano gli alcani a temperatura superiore a 600 °C.
Nel cracking catalitico invece si riscaldano gli alcani a una temperatura di circa 400 °C in presenza di catalizzatori acidi (silice e allumina).
In entrambi i casi si ottengono miscele di alcani a catena più corta, idrogeno e idrocarburi insaturi, cioè con doppi legami C=C, che possono essere successivamente separati per distillazione frazionata.

Gli idrocarburi si ricavano dal petrolio greggio contenente in superficie idrocarburi gassosi (da 1 a 4 atomi di C), mentre la miscela liquida sottostante viene estratta e separata per distillazione, basandosi sul diverso punto di ebollizione dei componenti.

La distillazione del petrolio greggio fornisce:

– a 70 °C l’etere di petrolio, una miscela di idrocarburi da C5 a C7;
– a 130 °C la benzina, una miscela di idrocarburi da C6 a C12;
– a 230 °C il kerosene, una miscela da C9 a C15;
– a 320 °C il gasolio, una miscela da C14 a C18;
– a 380 °C l’olio combustibile, una miscela da C16 a C20;
– dopo distillazione sotto vuoto, olio pesante da C20 a C70;
– un residuo contenente paraffine, bitume, asfalto.

La benzina prodotta è meno del 20% e per aumentarne la produzione è necessario spezzare la catena di idrocarburi più pesanti per ottenere frammenti più corti a basso peso molecolare, che appunto costituiscono la benzina.
Le benzine vengono classificate secondo il numero di ottano, che misura il grado di comprimibilità di una miscela aria-benzina. Per una buona benzina, il numero di ottano deve essere alto, affinché la miscela non detoni nel cilindro del motore per semplice compressione, ma solo se la combustione è innescata dalla scintilla delle candele.
Il numero di ottano è basso per gli alcani lineari, alto per quelli a catena ramificata o a catena chiusa, perciò la comprimibilità della benzina viene confrontata con quella dell’eptano normale, cui si attribuisce numero di ottano 0 e quella dell’isottano (2,2,4-trimetil-pentano), cui si attribuisce numero di ottano 100. Una benzina con numero di ottano 90 corrisponde a una miscela composta per il 90% da isottano e per il restante 10% da eptano.
Si ottengono benzine ad alto numero di ottano con il reforming catalitico, riscaldando gli idrocarburi a 500 °C e a 20 atm di pressione in presenza di catalizzatore di platino.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

La combustione

Quasi tutti gli alcani possono essere utilizzati come combustibili liquidi o gassosi.
Gli idrocarburi bruciano all’aria dando anidride carbonica e acqua e sviluppando una notevole quantità di calore, che è il principale prodotto di questa reazione ossidativa.
La reazione di combustione in presenza dell’ossigeno dell’aria non è spontanea a temperatura ambiente, ma deve essere innescata, ad esempio con una fiamma.
Nella reazione, ogni atomo di carbonio si trasforma in diossido di  carbonio e l’idrogeno si unisce all’ossigeno per formare acqua.
Anche la combustione procede attraverso un meccanismo radicalico molto complesso.
L’equazione stechiometrica della combustione totale di un alcano

(3n + 1)
CnH2n+2 +  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  O2 → n CO2 + (n + 1)
2

In realtà però essa non viene mai rigorosamente rispettata. Anche in presenza della corretta quantità di ossigeno, e specialmente se l’idrocarburo è molto complesso, rimangono residui di molecola non combusti, come si  verifica nei gas uscenti dai tubi di scarico dei motori diesel e nei residui carboniosi che si accumulano all’interno delle caldaie e ne causano il deterioramento.
La combustione avviene nei cilindri delle auto, nelle centrali termoelettriche, nelle case quando si utilizza il GPL o il metano.
Per il metano e l’ottano le reazioni di combustione sono così schematizzabili:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + calore

C8H18 + 12,5 O2 → 8CO2 + 9 H2O + calore

Se la combustione avviene in difetto di aria, può accadere che oltre all’anidride carbonica si formi anche una certa quantità di ossido di carbonio (CO) che rende estremamente tossico l’ambiente.
Ecco il motivo per cui bisogna bruciare questi combustibili in buone condizioni di ventilazione, per evitare disastrose conseguenze come quelle a cui si va incontro quando si mantiene acceso il motore dell’auto all’interno di un garage o di un qualsiasi altro luogo chiuso.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

Le proprietà fisiche e chimiche degli alcani

Per quanto riguarda le proprietà fisiche possiamo dire che i primi quattro idrocarburi della serie omologa degli alcani (metano, butano, propano e pentano), cioè a basso peso molecolare, a temperatura ambiente sono gas incolori; i 13 seguenti, fino a 17 atomi di carbonio, come quelli contenuti nella benzina e nel gasolio, sono liquidi a temperatura ambiente e quelli aventi 18 o più atomi di carbonio, cioè con alto peso molecolare, come quelli che formano la cera di paraffina, sono sono solidi.
Le temperature di fusione, di ebollizione e la densità degli alcani dipendono dalla lunghezza e dalle ramificazioni della catena di atomi di carbonio.
I diversi isomeri di uno stesso alcano hanno però differente punto di ebollizione: esso è tanto più basso quanto più ramificate sono le molecole. Infatti le molecole di questo tipo sono a contatto solo per una modesta porzione della loro superficie e quindi sono legate in modo notevolmente più blando.
In particolare, i punti di fusione e di ebollizione degli idrocarburi liquidi aumentano all’aumentare del numero degli atomi di carbonio in misura  di 20-30 °C per ogni atomo di carbonio che viene aggiunto alla catena, mentre, a parità di massa molecolare, la catena più corta comporta un punto di fusione e di ebollizione più bassi.
Per quanto le proprietà chimiche possiamo dire che gli alcani sono composti molto stabili e, per queste loro proprietà, sono anche detti paraffine (dal latino = poco affini, poco reattivi). La loro grande stabilità è dovuta ai legami covalenti puri della catena di carbonio, nei quali la coppia di elettroni che costituisce il legame σ è rigidamente localizzata e condivisa tra due atomi.
I legami C—H sono solo leggermente polarizzati, in quanto la differenza di elettronegatività tra C—H è molto bassa (circa 0,24); inoltre, la disposizione simmetrica degli atomi di idrogeno intorno a ogni atomo di carbonio, ne annulla gli effetti e la molecola risulta essere stabile. Tuttavia, in particolari condizioni o in presenza di catalizzatori, gli alcani possono dare tre tipi di reazioni: la sostituzione radicalica, la combustione e il cracking.
Gli alcani risultano insolubili in acqua, sono fortemente idrofobi, cioè respingono l’acqua; risultano invece solubili nei solventi organici apolari, come benzene, etere, cloroformio e tetracloruro di carbonio; tra le molecole di questi idrocarburi si possono stabilire solo deboli interazioni dipolo istantaneo-dipolo indotto, per cui i punti di ebollizione degli alcani sono determinati dai loro pesi molecolari.
In condizioni standard, gli alcani non danno alcuna reazione né con gli acidi, né con le basi, né con gli agenti ossidanti; reagiscono solo a temperatura molto elevata o sotto l’azione di raggi ultravioletti che forniscono energia sufficiente per rompere i legami.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

Gli alcani: idrocarburi saturi

Gli alcani sono idrocarburi in cui tutti gli atomi di carbonio presentano ibridazione sp3, sono legati tra loro solo da legami semplici e sono legati al massimo numero di atomi di idrogeno. Essi sono idrocarburi saturi così qualificati per la loro pienezza in atomi di idrogeno. in generale, sono detti saturi tutti i composti organici in cui gli atomi di carbonio sono collegati fra loro solo da legami semplici.
Gli alcani costituiscono una serie omologa a cui corrisponde la formula generale CnH2n+2 (n è il numero di atomi di carbonio variabile da un membro all’altro della serie).
In chimica organica per serie omologa si intende una classe di composti che differiscono per una specifica unità strutturale.
Nel caso degli alcani l’unità strutturale specifica è —CH2—, chiamata gruppo metilico. In generale, i membri di una serie omologa presentano proprietà fisiche differenti, in base alla lunghezza della catena, e proprietà chimiche simili, in base al tipo di legami presenti nella catena o alle sue estremità.
Se si considera una catena aperta di atomi di carbonio, per esempio cinque, si può notare che ogni atomo di carbonio è legato a due atomi di carbonio vicini e a due atomi di idrogeno; fanno eccezione i due atomi di carbonio posti alle due estremità della catena che, avendo un solo atomo di carbonio vicino, si legano a un terzo atomo di idrogeno.
Ciò che si ottiene è un gruppo —CH3 iniziale e un gruppo —CH3 finale che racchiudono tre gruppi —CH2—. Pertanto, il composto si scrive nella formula condensata:

CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

Il numero degli atomi di idrogeno presenti nella molecola è uguale al doppio del numero degli atomi di carbonio, più due, corrispondenti ai due atomi di idrogeno aggiunti agli estremi della catena, perciò la formula grezza del composto risulta essere C5H12. Il composto ottenuto a cinque atomi di carbonio è detto pentano.
Il composto più semplice è il metano, che possiede un solo atomo di carbonio.
La denominazione varia al variare dell’aumento del numero degli atomi di carbonio che allungano la catena.
Facendo eccezione per i primi quattro e cioè metano, etano, propano e butano, il nome del composto presenta il prefisso numerico penta, esa, epta seguita dal suffisso -ano, dalla catena con cinque atomi in poi.
Talvolta gli alcani sono anche denominati paraffine (dal latino parum affinis: poco affine), nome originariamente attribuito a questi idrocarburi a causa della loro scarsa reattività con i più comuni reagenti di laboratorio, ossia acidi e basi.
La loro relativa inerzia chimica è dovuta alla struttura delle loro molecole: le catene che le rappresentano non hanno più alcuna capacità di legame. Tuttavia, gli alcani, adeguatamente innescati, si rivelano ottimi combustibili.
Le temperature di fusione e di ebollizione aumentano regolarmente all’aumentare del numero di atomi di carbonio contenuti nelle molecole degli alcani. Gli alcani che vanno da C5 a C17 sono liquidi a temperatura ambiente e risultano più leggeri dell’acqua, il petrolio, ad esempio, galleggia sull’acqua. Un’altra caratteristica degli alcani è la loro insolubilità in acqua: tutti gli alcani sono composti non polari e perciò sono solubili in solventi non polari, come il tetracloruro di carbonio e il benzene.
Come già detto, l’alcano più semplice è il metano. La sua struttura è tridimensionale tetraedrica, la sua formula CH4 può essere adeguatamente rappresentata da appositi modelli molecolari che servono a visualizzare meglio la geometria della molecola.
L’etano C2H6 è un altro idrocarburo ottenuto dall’unione di due atomi di carbonio legati tra loro a loro volta legati a sei atomi di idrogeno. Come nel metano, anche in questa molecola ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi, con l’unica differenza che uno dei quattro atomi è un atomo di carbonio. L’etano è un componente minoritario del gas naturale.
Il successivo idrocarburo è il propano C3H8 . Esso contiene tre atomi di carbonio e otto di idrogeno legati tra loro. Il propano è il componente principale del combustibile GPL (Gas di Petrolio Liquefatti).
Il butano C4H10, è costituito dall’unione di quattro atomi di carbonio legati a loro volta a dieci atomi di idrogeno. Il butano viene anche commercializzato in bombole, liquefatto sotto pressione, con il nome di butan-gas.
E’ sorprendente notare come da questo liquido si possono separare due differenti composti ai quali però corrisponde sempre la stessa formula molecolare C4H10. Essi, inoltre, hanno la stessa densità ma punti di ebollizione diversi (-0,5 e -11,7 °C): probabilmente queste due sostanze differiscono soltanto per il modo in cui gli atomi sono legati tra loro. Come si può facilmente verificare e rilevare con i modelli molecolari, alla formula C4H10 corrispondono due modi diversi di concatenare gli atomi di carbonio.
Come è facile notare, nella serie degli alcani, ogni termine differisce dal precedente per un gruppo CH2 in più. Perciò ogni termine può essere ottenuto aggiungendo semplicemente un gruppo CH2 al termine precedente, ottenendo in tal modo un numero indefinito di atomi di carbonio. Ora la formula generale (CnH2n+2) appare senza dubbio più chiara e meno mnemonica di quel che sembra, basta ricordare il suo significato e il gioco è fatto!
Tuttavia, la formula generale CnH2n+2 indica soltanto quanti atomi di carbonio e di idrogeno sono presenti nella molecola, ma non fornisce informazione alcuna sulla sua struttura, invece esaurientemente rappresentata dalla formula di struttura che sta ad indicare anche in che modo gli atomi sono concatenati tra loro.
Per moti composti organici è utile scrivere formule di struttura condensate. Una formula di struttura condensata è semplicemente un modo più breve per rappresentare una molecola; per esempio, nel caso del butano, la formula di struttura condensata sarà:

CH3CH2CH2CH3

Ciò non vuol dire che la sequenza dei legami sia:

C—H—H—H—C—H—H—C—H—H—C—H—H—H

Sarebbe infatti assurdo, dato che il carbonio deve formare quattro legami mentre l’idrogeno può formarne uno solo. Nella formula di struttura condensata è implicito il fatto che la catena è costituita dagli atomi di carbonio e che gli atomi di idrogeno sono rispettivamente legati al carbonio adiacente. L’utilità di questa rappresentazione sta nel fatto di poter descrivere in modo breve ed efficace una molecola.
Gli alcani composti da un’unica catena non ramificata sono detti normal-alcani o semplicemente n-alcani. Gli n-alcani con più di tre atomi di carbonio sono solitamente rappresentati tenendo conto che l’unità —CH2— si ripete sempre allo stesso modo.
Se il numero di atomi di carbonio componenti n-alcano aumenta, cresce anche il suo punto di ebollizione. Negli alcani i punti di ebollizione aumentano all’aumentare del peso molecolare e delle interazioni intermolecolari.
Metano, etano, propano e butano a temperatura ambiente sono dei gas, mentre il termine successivo della serie, il pentano, è un liquido.
Il pentano è un componente minoritario della benzina.

12 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 1

La classificazione degli idrocarburi: i composti organici più semplici

I numerosissimi composti organici, attualmente circa cinque milioni, possono essere raggruppati in categorie o famiglie o classi. Quasi tutte le diverse classi possono essere considerate come derivate da un’unica grande classe di composti: gli idrocarburi.
Per questo motivo, spesso si definisce la chimica organica come la chimica degli idrocarburi e dei loro derivati.
Gli idrocarburi, come dice il nome stesso, sono composti binari formati soltanto da carbonio e idrogeno. Questo è un chiaro esempio della straordinaria varietà e complessità della natura: occorrono due soli elementi, carbonio e idrogeno, per formare  centinaia di migliaia di composti diversi.
Lo studio sistematico di questi composti è facilitato da alcune regolarità di comportamento chimico che consentono di raggrupparli in classi relativamente omogenee, a ciascuna delle quali compete la stessa formula generale grezza e analoghe reazioni.
La classificazione fondamentale degli idrocarburi dipende dalle proprietà chimiche  delle classi, per certi aspetti molto diverse.
A seconda del tipo di legame C—C presente nelle molecole, gli idrocarburi si suddividono in tre classi fondamentali:

idrocarburi saturi, in cui tutti gli atomi presenti nella catena del carbonio che costituisce lo scheletro della molecola sono tetragonali, cioè con orbitali ibridi sp3 e pertanto i legami C—C sono tutti legami semplici di tipo σ;
idrocarburi insaturi, in cui due o più atomi presenti nella catena del carbonio che costituisce lo scheletro della molecola hanno forma trigonale perché sono ibridati sp3, oppure hanno forma lineare perché sono ibridati sp, perciò nello scheletro della molecola è presente almeno un doppio legame, σ + π;
idrocarburi aromatici o areni, che costituiscono una particolare classe di composti ciclici insaturi e hanno proprietà chimiche particolari che li distinguono dagli altri idrocarburi. Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene. Tutti gli idrocarburi aromatici contengono un anello esagonale benzenico e, come il benzene, sono tutti insaturi. Gli idrocarburi aromatici furono così chiamati perché molti di essi hanno un odore intenso e gradevole. L’odore gradevole di questi idrocarburi spesso però trae in inganno, in quanto molti di essi sono tossici o cancerogeni.

Sono detti alifatici gli idrocarburi che possiedono molecole con atomi di carbonio legati fra loro in modo da formare catene lineari o ramificate, mentre sono detti ciclici quelli che possiedono molecole con atomi di carbonio legati fra loro in modo da formare degli anelli.
Gli idrocarburi alifatici furono così chiamati perché le loro molecole presentano analogie con quelle dei grassi animali: alifatici e lipidi, termine alternativo a grassi, si originano infatti dalla stessa radice greca. Il capostipite di questa famiglia è il metano.
Le caratteristiche fisiche e chimiche della grande varietà dei composti organici esistenti dipendono perciò, in ultima analisi, dagli elementi che entrano nella composizione delle loro molecole e da come essi si comportano.
Gli idrocarburi sono i principali componenti, per esempio, del petrolio e del gas naturale e hanno un ruolo molto importante nella vita dell’uomo perché da essi è ricavabile la maggiore quantità di energia. E’ sorprendente, infatti, capire come lo sviluppo socio-economico di un paese dipenda considerevolmente da queste molecole relativamente semplici e come il loro potenziale esaurimento sia uno dei pericoli più temuti da tutta l’umanità.

09 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida 0

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