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Usi e fonti industriali degli alcani

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.

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

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

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