Przeczytaj

bg‑gray1

Benzyna z tlenku węgla( $II$ ) i wodoru? Ale czad!

Synteza Fischera-Tropscha (w skrócie reakcja F‑T) jest reakcją tworzenia węglowodorów z mieszaniny tlenku węgla( $II$ ) i wodoru, czyli tzw. gazu syntezowanego, w celu produkcji płynnego paliwa, pozbawionego siarki i azotu.

Gaz syntezowany otrzymuje się z węgla, gazu ziemnego (w procesie reformingu parowego) lub biomasy. To pierwszy, a zarazem najdroższy etap syntezy Fischera-Tropscha.

Rga0AzjBZ6kAe1

Zdjęcie przedstawia bioodpady - resztki z owoców i warzyw. — Wytwarzanie biomasy na podstawie odpadów organicznych jest bardziej ekologiczną perspektywą uzyskiwania gazu syntezowego, jednak wciąż za mało powszechną.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Jean‑Baptiste Senderens i Paul Sabatier w $1902$ roku przeprowadzili syntezę metanu z mieszaniny wodoru i tlenku węgla( $II$ ) oraz wodoru i tlenku węgla( $IV$ ) w obecności zredukowanego niklu w temperaturze $200$ - $300 ° C$ . Tę samą syntezę wykonali również w obecności zredukowanego kobaltu w temperaturze $270$ - $300 ° C$ . Jedenaście lat później, badacze z BASF opublikowali wyniki dotyczące reakcji konwersji gazu syntezowego do ciekłych związków tlenowych, zawierających również małe ilości węglowodorów.

bg‑gray1

Benzyna syntetyczna – historia

RW9qxWg54FmKp1

Ciekawostka

W czasie $II$ wojny światowej, w Policach działała jedna z największych niemieckich fabryk benzyny syntetycznejbenzyna syntetycznabenzyny syntetycznej, należąca do IG Farben Industrie. Popadła jednak w ruinę zaraz po zakończeniu wojny. Benzynę syntetyczną produkowano także w Blachowni Śląskiej do $1945$ roku.

R1Ma905uDICgi

Zdjęcie przedstawia budynek w kształcie prostopadłościanu. Stoi na betonowych słupach. Jest stary, zniszczony. — Elewator węglowy niemieckiej fabryki benzyny syntetycznej w Policach
Źródło: Remigiusz Józefowicz, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 2.5.

bg‑gray1

Benzyna syntetyczna – metody syntezy

R1XYKPHTgd5yH1

bg‑gray1

Środki przeciwstukowe (antydetonatory)

Paliwo zawiera w swoim składzie węglowodory o długości od $5$ do $11$ atomów węgla. Parametrem, który określa odporność benzyny na spalanie stukowespalanie stukowespalanie stukowe, jest liczba oktanowa (LO).

LO = \frac{{LO}_{1} \cdot %_{1} + {LO}_{2} \cdot %_{2} + ... + {LO}_{n} \cdot %_{n}}{100 %}

gdzie:

${LO}_{1}, {LO}_{2}, ..., {LO}_{n}$ – liczba oktanowa poszczególnych składników mieszanki paliwowej;
$%_{1}, %_{2}, ..., %_{n}$ – procent objętościowy poszczególnych składników mieszanki paliwowej.

Ustalono, że wzorcem „najlepszego” paliwa będzie $2$ , $2$ , $4$ -trimetylopentan, zwany izooktanem, któremu przypisuje się $LO = 100$ , a „najgorszego” heptan, któremu z kolei przypisuje się $LO = 0$ . Wiele związków może jednak znacznie wykraczać poza tę umowną skalę, tzn. cechować się ujemną wartością LO lub znacznie przekraczać $100$ . Jeśli benzyna, którą możemy kupić na stacji, ma $LO = 98$ , to oznacza, że spala się jak mieszanina zawierająca $98 %$ objętościowych izooktanu i $2 %$ objętościowych heptanu. Ze względu na to, że we frakcji benzynowej, otrzymywanej z destylacji ropy naftowej, znajdują się liczne alkany o prostych łańcuchach, taka benzyna ma niską liczbę oktanową. Celem podwyższenia LO stosuje się substancje o właściwościach przeciwstukowych (np. etanol, toluen, kumen i inne).

R11SBdagfpl82

Ilustracja przedstawia model kulkowo‑pręcikowy izooktanu. Zbudowany jest z ośmiu szarych kulek reprezentujących atomy węgla i osiemnastu białych kulek odpowiadających atomom wodoru. łańcuch główny składa się z pięciu atomów węgla, które to podstawione są w pozycjach drugiej i czwartej w sumie trzema grupami metylowymi. Zatem strukturę stanowi atom węgla podstawiony trzema grupami metylowymi CH3 i związany z grupą metylenową CH2 połączoną z grupą CH, która to podstawiona jest dwiema grupami metylowymi CH3. Kąty pomiędzy poszczególnymi atomami wynoszą po około sto dziewięć stopni. — Izooktan
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1uhX6SxcMMhp1

Ciekawostka

Wiele związków chemicznych, z powodu swojej skomplikowanej lub długiej nazwy systematycznej, zapisuje się za pomocą skrótów. Poniżej znajdziesz ich wyjaśnienie dla trzech wybranych związków, które znajdują zastosowanie jako środki przeciwstukowe.

Skrót	Nazwa związku	Wzór chemiczny
MMT	trikarbonyl(metyl‑ $η^{5}$ ‑cyklopentadienyl)mangan	RYw5yaauMPS5t Ilustracja przedstawia wzór, który stanowi pięcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą metylową ${CH}_{3}$ i związany koordynacyjnie z atomem manganu. Atom ten podstawiony jest trzema atomami węgla. Każdy z nich łączy się za pomocą wiązania potrójnego z atomem tlenu. Struktura wykazuje geometrię podobną do tetraedrycznej, w której atomem znajdującym się w środku tetraedru jest mangan. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
MTBE	eter tert-butylowo‑metylowy ( $2$ ‑metoksy‑ $2$ ‑metylopropan)	RLRXpi8omNg4K Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
ETBE	eter tert-butylowo‑etylowy ( $2$ ‑etoksy‑ $2$ ‑metylopropan)	R1RcjPdaQsDRt Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Prześledźmy teraz jedno z zadań typu maturalnego, pochodzące z Matury Próbnej z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego i Dziennika Polskiego z $2018$ roku.

Przykład 1

Oblicz liczbę oktanową mieszanki paliwowej, przygotowanej przez zmieszanie $100 g$ cykloheksanu – o gęstości $779 \frac{kg}{m^{3}}$ i liczbie oktanowej $83$ – oraz $100 g$ heksanu – o gęstości $660 \frac{kg}{m^{3}}$ i liczbie oktanowej $25$ . W obliczeniach pomiń proces kontrakcji objętości. Wynik napisz z dokładnością do jedności.

Krok $I .$ Obliczenie objętości składników.

Aby obliczyć liczbę oktanową otrzymanej mieszaniny, musimy znać objętość każdego ze składników, użytego do przygotowania mieszaniny (w celu wyznaczenia procentu objętościowego każdego ze składników w mieszaninie). Zakładamy, że nie dochodzi do kontrakcji objętości, czyli jest ona równa sumie objętości poszczególnych składników.

Objętość każdego ze składników możemy obliczyć, wykorzystując gęstości oraz masy: cykloheksanu oraz heksanu. Zacznijmy od cykloheksanu – jego masa wynosi $100 g$ , a gęstość jest równa $779 \frac{kg}{m^{3}}$ . Przekształćmy teraz wzór na gęstość w taki sposób, aby móc wyliczyć objętość.

d = \frac{m}{V} \Rightarrow V = \frac{m}{d}

Widzimy też, że masa została podana w gramach, a gęstość w $\frac{kg}{m^{3}}$ . Trzeba więc przekształcić jednostkę gęstości w taki sposób, aby w liczniku również znajdowały się gramy. Zrobimy to, przekształcając aktualną jednostkę do $\frac{g}{{cm}^{3}}$ . Wiemy, że $1 kg$ to $1000 g$ , a $1 m^{3}$ to $1000000 {cm}^{3}$ .

Możemy zatem przeliczyć:

d = 779 \frac{kg}{m^{3}} = 779 \frac{1000 g}{1000000 {cm}^{3}} = 779 \frac{1 g}{1000 {cm}^{3}} = 0,779 \frac{g}{{cm}^{3}}

Teraz policzmy objętość cykloheksanu, korzystając z przekształconego wzoru.

V = \frac{100 g}{0,779 \frac{g}{{cm}^{3}}} = 128,4 {cm}^{3}

$100 g$ cykloheksanu zajmuje objętość $128,4 {cm}^{3}$ .

W analogiczny sposób możemy wyliczyć objętość heksanu, użytą w doświadczeniu bądź, jeśli wolimy posługiwać się proporcjami niż wzorem, zapisać:

1 g heksanu — 0,660 {cm}^{3}

100 g heksanu — x

x = 151,5 {cm}^{3}

$100 g$ heksanu zajmuje zatem objętość $151,5 {cm}^{3}$ .

Całkowita objętość mieszanki to suma wyliczonych przez nas objętości cykloheksanu i heksanu:

128,4 {cm}^{3} + 151,5 {cm}^{3} = 279,9 {cm}^{3}

Krok $II .$ Obliczenie procentu objętościowego składników mieszaniny.

Policzmy teraz procent objętościowy każdego ze składników mieszaniny, a więc po prostu podzielmy objętość danego składnika przez sumę objętości obu składników mieszaniny.

% C_{6} H_{12} = \frac{128,4 {cm}^{3}}{279,9 {cm}^{3}} \cdot 100 % = 45,9 %

% C_{6} H_{14} = \frac{151, 5 {cm}^{3}}{279, 9 {cm}^{3}} \cdot 100 % = 54,1 %

Krok $III .$ Obliczenie liczby oktanowej (LO).

Liczbę oktanową paliwa liczymy w podobny sposób, jak średnią masę atomową danego pierwiastka, znając rozpowszechnienie poszczególnych izotopów w przyrodzie. Z tym wyjątkiem, że zamiast masy atomowej danego izotopu, wstawiamy LO naszego składnika mieszaniny, mnożąc jej wartość przez odpowiedni procent objętościowy.

LO = \frac{45,9 % \cdot 83 + 54,1 % \cdot 25}{100 %} = 51,6 \approx 52

Słownik

benzyna syntetyczna

paliwo syntetyczne otrzymywane w wyniku syntezy chemicznej; jej skład jest zależny od użytych surowców i metody, dzięki którym powstała

liczba oktanowa LO

liczba będąca miarą odporności na niekontrolowany samozapłon paliwa silnikowego do silników z zapłonem iskrowym, który może powodować jego spalanie stukowe; równa procentom objętościowym zawartości izooktanu w takiej mieszaninie izooktanu i heptanu, która wywołuje identyczną liczbę stuków w silniku testowym jak analizowane paliwo

spalanie stukowe

zjawisko, podczas którego zachodzi nierównomierne, wybuchowe spalanie paliw; zjawisko to występije w silnikach tłokowych o zapłonie iskrowym

środki przeciwstukowe, antydetonatory

dodatki chemiczne podnoszące sztucznie LO benzyny; zapobiegają występowaniu zjawiska spalania stukowego

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Benzyna z tlenku węgla( $II$ ) i wodoru? Ale czad!

Benzyna syntetyczna – historia

Benzyna syntetyczna – metody syntezy

Środki przeciwstukowe (antydetonatory)

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Przeczytaj

Benzyna z tlenku węgla(II) i wodoru? Ale czad!

Benzyna syntetyczna – historia

Benzyna syntetyczna – metody syntezy

Środki przeciwstukowe (antydetonatory)

Słownik

Bibliografia

Benzyna z tlenku węgla( $II$ ) i wodoru? Ale czad!