Αλκάνια - Μεθάνιο, φυσικό αέριο, βιοαέριο ⛽

Φυσικό αέριο

Συνήθως το πετρέλαιο συνυπάρχει με ένα αέριο μίγμα, κυρίως υδρογονανθράκων, που ονομάζεται φυσικό αέριο.

Το φυσικό αέριο είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο, $CH_4$ (μέχρι και 90%).

Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται ως καύσιμο και παρουσιάζει δύο βασικά πλεονεκτήματα έναντι του πετρελαίου:

Είναι καθαρό καύσιμο, γιατί αφενός μεν καίγεται πλήρως και με ευκολία προς $CO_2$ , αφετέρου δεν περιέχει S ή $N_2$ , οπότε δε δίνει ρυπογόνα αέρια όπως $SO_2$ , $CO$ , $NO_x$ .
Έχει μεγάλη θερμαντική ικανότητα (9000 - 12000 Kcal για κάθε 1 $m^3$ καυσίμου).

Εκτός από καύσιμο, το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται και ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία πετροχημικών προϊόντων.

Αλκάνια - γενικός τύπος και ομόλογη σειρά

Αλκάνια ονομάζονται οι άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες. Τα αλκάνια έχουν γενικό μοριακό τύπο $C_\nu H_{2\nu+2}$ και το πρώτο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκανίων είναι το μεθάνιο, $CH_4$ .

Τα αλκάνια εμφανίζουν τετραεδρική διάταξη στο χώρο. Δηλαδή, στο κέντρο του τετραέδρου τοποθετείται ένα άτομο άνθρακα και στις κορυφές του τοποθετούνται οι υποκαταστάτες του.

Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι μοριακοί και συντακτικοί τύποι των αλκανίων με 1 έως 5 άτομα άνθρακα:

N	Μοριακός τύπος $C_\nu H_{2\nu+2}$	Συντακτικοί τύποι και ονόματα
1	$CH_4$	$CH_4$ μεθάνιο
2	$C_2H_6$	$CH_3-CH_3$ αιθάνιο
3	$C_3H_8$	$CH_3-CH_2-CH_3$ προπάνιο
4	$C_4H_{10}$	$CH_3CH_2CH_2CH_3$ βουτάνιο, μεθυλοπροπάνιο
5	$C_5H_{12}$	$CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3$ πεντάνιο, μεθυλοβουτάνιο, διμεθυλοπροπάνιο

Παρατηρούμε ότι από το βουτάνιο και πάνω εμφανίζονται περισσότεροι από ένας συντακτικοί τύποι για τον ίδιο μοριακό τύπο, δηλαδή ισομερή με ευθεία ή διακλαδισμένη ανθρακική αλυσίδα.

Γιατί «κορεσμένοι»

Τα αλκάνια λέγονται κορεσμένοι υδρογονάνθρακες επειδή περιέχουν στο μόριό τους μόνο απλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα, οπότε κάθε άτομο άνθρακα έχει «κορεστεί» με τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων υδρογόνου.

Προέλευση των αλκανίων

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες βρίσκονται άφθονοι στο φυσικό αέριο και στο πετρέλαιο. Επίσης, το μεθάνιο αποτελεί το κύριο συστατικό του βιοαερίου.

Βιοαέριο είναι το αέριο που παράγεται από τη σήψη της βιομάζας και του οποίου το κύριο συστατικό είναι το μεθάνιο.

Το βιοαέριο προέρχεται από βιολογικές δράσεις, όταν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου, όπως συμβαίνει κατά την αποσύνθεση (σήψη) οργανικών ενώσεων στα έλη. Η βιομάζα ανανεώνεται πολύ γρήγορα και είναι πρώτη ύλη ανανεώσιμης πηγής ενέργειας.

Οι αγελάδες ως πηγή βιοαερίου

Οι αγελάδες αποτελούν μία σημαντική πηγή βιοαερίου — όχι ακριβώς οι ίδιες, αλλά τα βακτήρια με τα οποία συμβιώνουν στο πεπτικό τους σύστημα. Επίσης, οι πυρκαγιές που εκδηλώνονται στις χωματερές προέρχονται κυρίως από την ανάφλεξη του βιοαερίου που παράγεται εκεί.

Οι καύσεις του φυσικού αερίου ( $CH_4$ ) και του υγραερίου ( $C_3H_8$ και $C_4H_{10}$ ) δίνουν πολύ καθαρές φλόγες, εφόσον γίνονται τέλεια (με περίσσεια αέρα).

Παρασκευές αλκανίων

Τα αλκάνια, ως φυσικές πρώτες ύλες, δεν παράγονται βιομηχανικά. Αντίθετα, αποτελούν τις πρώτες ύλες για την παραγωγή άλλων ενώσεων (πετροχημεία). Τα απλούστερα αλκάνια (μεθάνιο έως πεντάνιο) μπορούν να παραχθούν σε καθαρή κατάσταση με κλασματική απόσταξη του πετρελαίου ή του φυσικού αερίου. Τα υπόλοιπα αλκάνια μπορούν να συντεθούν με μία από τις μεθόδους που περιγράφονται παρακάτω, οι οποίες έχουν καθαρά εργαστηριακό χαρακτήρα.

1. Από τα αλκυλαλογονίδια RX με αντικατάσταση του αλογόνου από υδρογόνο

RX + H_2 \rightarrow RH + HX

Από τα αλκυλαλογονίδια δραστικότερα είναι τα αλκυλοϊωδίδια, ακολουθούν τα αλκυλοβρωμίδια και τα αλκυλοχλωρίδια, ενώ τα αλκυλοφθορίδια είναι τελείως αδρανή.

Παράδειγμα:

CH_3I + H_2 \rightarrow CH_4 + HI

2. Με επίδραση νατρίου σε αλκυλαλογονίδια διαλυμένα σε ξηρό αιθέρα (μέθοδος Wurtz)

2RX + 2Na \rightarrow R-R + 2NaX

Παράδειγμα:

2CH_3Br + 2Na \rightarrow CH_3CH_3 + 2NaBr

3. Με θέρμανση αλάτων νατρίου ή καλίου κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων ( $RCOONa$ ή $RCOOK$ ) με στερεό $NaOH$ ή $KOH$

RCOONa + NaOH \xrightarrow{\Delta} RH + Na_2CO_3

Η μέθοδος αυτή ονομάζεται αποκαρβοξυλίωση και το αλκάνιο που προκύπτει έχει ένα άτομο C λιγότερο από το άλας.

Παράδειγμα:

CH_3COONa + NaOH \xrightarrow{\Delta} CH_4 + Na_2CO_3

4. Με καταλυτική υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων

C_\nu H_{2\nu} + H_2 \xrightarrow{\text{καταλύτης}} C_\nu H_{2\nu+2}

Φυσικές ιδιότητες των αλκανίων

Οι φυσικές ιδιότητες των αλκανίων μεταβάλλονται σταδιακά καθώς αυξάνεται ο αριθμός των ατόμων άνθρακα:

Τα κατώτερα μέλη ( $C_1$ - $C_4$ ) είναι αέρια, άχρωμα, άοσμα και αδιάλυτα στο νερό.
Τα μέσα μέλη ( $C_5$ - $C_{16}$ ) είναι υγρά με χαρακτηριστική οσμή πετρελαίου.
Τα ανώτερα μέλη ( $C_{17}$ και άνω) είναι στερεά, άχρωμα, με υφή κεριού, όπως η βαζελίνη.

Χημικές ιδιότητες των αλκανίων

Το $CH_4$ και όλα τα αλκάνια είναι αδρανείς ενώσεις. Σε κατάλληλες όμως συνθήκες μπορούν να δώσουν ορισμένες αντιδράσεις, σημαντικότερες από τις οποίες είναι: η καύση, η πυρόλυση και η υποκατάσταση.

Γιατί τα αλκάνια είναι αδρανή

Επειδή περιέχουν μόνο απλούς, ισχυρούς δεσμούς C-C και C-H, τα αλκάνια δε δίνουν εύκολα αντιδράσεις σε κανονικές συνθήκες. Χρειάζονται ειδικές συνθήκες (π.χ. σπινθήρας, φως, θέρμανση) για να αντιδράσουν — μην τα συγχέεις με τους ακόρεστους υδρογονάνθρακες, που είναι πολύ πιο δραστικοί.

α. Καύση

Τα αλκάνια καίγονται με περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα) προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Για την έναρξη της αντίδρασης απαιτείται σπινθήρας, ο οποίος ενεργοποιεί τα αντιδρώντα.

C_\nu H_{2\nu+2} + \frac{3\nu+1}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + (\nu+1)H_2O

Παράδειγμα:

CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O

Όταν η ποσότητα οξυγόνου δεν είναι επαρκής, η καύση είναι ατελής, οπότε σχηματίζονται διάφορα προϊόντα όπως C και CO.

β. Πυρόλυση

Πυρόλυση αλκανίων είναι η θερμική διάσπαση απουσία αέρα, κάτω από πίεση, με ή χωρίς καταλύτη, που οδηγεί σε μίγματα κορεσμένων και ακόρεστων υδρογονανθράκων με μικρότερη σχετική μοριακή μάζα ή σε ισομερή με διακλαδισμένη αλυσίδα.

Η ετυμολογία της λέξης

Ο όρος πυρόλυση προέρχεται από τις λέξεις πυρ (φωτιά) και λύση (διάσπαση) — δηλαδή, «διάσπαση με τη φωτιά».

Η πυρόλυση έχει μεγάλη σημασία για την παρασκευή βενζίνης και για την παρασκευή των ακόρεστων και αρωματικών υδρογονανθράκων που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες στα πετροχημικά εργοστάσια. Η πυρόλυση γίνεται με θέρμανση, παρουσία καταλυτών και απουσία αέρα. Κατά την πυρόλυση γίνονται πολλές αντιδράσεις, όπως σχάση αλυσίδας, κυκλοποίηση, ισομερείωση και αφυδρογόνωση. Οι αντιδράσεις που οδηγούν σε προϊόντα με διακλαδισμένη αλυσίδα χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ποιότητας μιας βενζίνης (αναμόρφωση βενζίνης).

Εφαρμογές της πυρόλυσης:

Τα προϊόντα μικρής σχετικής μοριακής μάζας που παράγονται από την πυρόλυση κλασμάτων του πετρελαίου μπορούν να διαχωριστούν και να καθαριστούν, και αποτελούν τις πλέον σημαντικές πρώτες ύλες για τη σύνθεση άκυκλων οργανικών ενώσεων σε μεγάλη κλίμακα.
Η σπουδαιότερη όμως πυρολυτική διάσπαση των αλκανίων κατευθύνεται στην παραγωγή καυσίμων, π.χ. στην παραγωγή βενζίνης ή στη βελτίωση της ποιότητάς της.

γ. Υποκατάσταση

Σε ορισμένες συνθήκες είναι δυνατό να υποκατασταθούν ένα ή περισσότερα υδρογόνα ενός αλκανίου από άλλα στοιχεία ή ομάδες στοιχείων. Από όλες αυτές τις αντιδράσεις ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλογόνωση (και ειδικότερα η χλωρίωση), η οποία είναι μια φωτοχημική αντίδραση, δηλαδή γίνεται παρουσία φωτός.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα αλογόνωσης είναι η χλωρίωση του μεθανίου. Στο διάχυτο φως γίνεται σταδιακή υποκατάσταση των ατόμων υδρογόνου του μεθανίου από άτομα χλωρίου:

CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl \quad \text{(χλωρομεθάνιο)}

CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Cl_2 + HCl \quad \text{(διχλωρομεθάνιο)}

CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl \quad \text{(τριχλωρομεθάνιο ή χλωροφόρμιο)}

CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl \quad \text{(τετραχλωρομεθάνιο ή τετραχλωράνθρακας)}

Η υποκατάσταση προχωράει σταδιακά

Η χλωρίωση του μεθανίου δεν σταματάει στο πρώτο προϊόν: αν υπάρχει αρκετό χλώριο, η αντίδραση συνεχίζεται υποκαθιστώντας διαδοχικά και τα υπόλοιπα υδρογόνα, μέχρι να προκύψει τελικά ο τετραχλωράνθρακας $CCl_4$ , όπου όλα τα υδρογόνα του μεθανίου έχουν αντικατασταθεί από χλώριο.

Χρήσεις των αλκανίων

Τα αλκάνια χρησιμοποιούνται είτε ως καύσιμα είτε ως πρώτες ύλες στη βιομηχανία των πετροχημικών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα χρήσεων:

$CH_4$ : χρησιμοποιείται ως καύσιμο (φυσικό αέριο, βιοαέριο, αέριο νάφθας) και ως πρώτη ύλη στην πετροχημεία.
$C_3H_8$ - $C_4H_{10}$ : χρησιμοποιούνται ως υγραέριο στις γνωστές φιάλες «πετρογκάζ» ή στα κοινά «γκαζάκια», τα οποία περιέχουν μίγμα $C_3H_8$ και $C_4H_{10}$ υγροποιημένο υπό πίεση.
$C_5H_{12}$ - $C_6H_{12}$ : χρησιμοποιούνται υπό μορφή μίγματος κυρίως ως διαλύτης, με το όνομα πετρελαϊκός αιθέρας.
$C_7H_{16}$ - $C_9H_{20}$ : χρησιμοποιούνται υπό μορφή μίγματος ως καύσιμο (βενζίνη).
Αλκάνια με 20 και πάνω άτομα άνθρακα στο μόριό τους: χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική (βαζελίνη) και για την κατασκευή κεριών (παραφίνη).