Combustibilii
Prin combustibil se intelege orice substanta, sau amestec de substante, care in urei unei reactii chimice de ardere, produce o mare cantitate de caldura.
Din categoria combustibililor chimici fac parte: carbuni de pamant, titeiul si gazele de sonda, gazele naturale, lemnul etc. Dupa starea de agregare si dupa provenienta lor, combustibilii chimici se pot grupa in solizi, lichizi si gazosi.
Caracteristicile combusitbililor:
Pentru caracterizarea unui combustibil, in afara de starea fizica si de provenienta trebuie sa i se mai cunoasca compozitia chimica, puterea calorica, cantitatea de aer necesara arderii, temperatura gazelor de ardere etc.
Compozitia combustibililor: Combustibiliisolizi contin diferite combinatii organice ale elementelor C, H, S (elemente combustibile), O si N, alaturi de umiditate, (Wt) si substante minerale (Al) care dau cenusa.
Carbonul este elementul principal al combustibililor solizi. Acesta se gaseste in proportie de 50-95%, in functie de natura si varsta combustibilului . Prin arderea completa a unui kilogram de carbon se obtine o energie de 33.44o kJ.
Hidrogenul se gaseste in combustibilii solizi intre 2-6 %. Acesta este, de asemenea un element care ridica valoarea termica a combustibilului, intrucat prin ardere se degaja o mare cantitate de caldura .
Sulful participa cu o pondere de 0,1 - 7 %, in compozitia diferitilor combustibili solizi. In combustibil , sulful se gaseste sub trei forme: in combinati organice (sulf organic), sub forma de sulfurii metalice, in combinati anorganice oxigenate (de exemplu,
sulfati). In procesul de ardere intervin numai sulful organic si cel piritic. Cu toate ca la arderea sulfului se degajeaza o mare cantitate de caldura, acest element este daunator in
procesul de ardere a combustibililor, deoarece SO format, corodeaza partile metalice ale
focarului si are actiune poluanta (fiind un component al ploilor acide). Pe langa acesta, sulful necesita pentru aprindere o temperatura mare (500 - 600 C).
Azotul se gaseste in general in cantitate mica, nedepasind 2%. El este un element nedorit in masa combustibilului. Acesta nu participa la ardere, dar ia caldura pentru a se incalzi pana la temperatura cu care gazele arse parasesc instalatia de ardere si prin urmare consuma o parte din caldura degajata la arderea combustibilului.
Oxigenul se gaseste in combusitbili in proportie de 2 % (antracid) pana la 44 % (lemn). Prezenta sa in combusitbil conduce la micsorarea valorii termice a acestuia, deoarece fiind combinat mai ales cu carbonul si hidrogenul, o cantitate din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate.
Umiditatea combustibililor constituie de asemenea, un balast, prin faptul ca aceasta consuma o mare cantitate de caldura pentru a trece din starea lichida in starea de vapori. De asemsnea mareste volumul si corozivitatea gazelor de ardere.
Cenusa constituie un balast al combustibilului, intrucat ii micsoreaza puterea calorica si uneori poate duce la dezorganizarea completa a procesului de ardere, fie prin faptul ca se acumuleaza in focar si impiedica admisia aerului, fie ca se topeste la o temperatura joasa (1150 - 1700 C), si formeaza un conglomerat plastic cu inglobarea unor cantitati de combustibil.
De aceea, in practica industriala,intotdeauna, la alegerea sistemului de ardere a combustibililor solizi se ia in consideratie cantitatea de cenusa si proprietatile ei.
Compozitia combustibilului poate fi determinata prin analiza chimica elementara, si prin analiza tehnica.
Prin analiza elementara se determina continutul procentual de C, H, N, O, S din masa organica a combustibilului, iar prin analiza tehnica se determina umiditatea, materiile volaitle, cenusa si carbunele fix.
Combustibilii lichizi, cu cateva exceptii, provin din titei si sunt de trei tipuri:
gaze
lichefiate,
combustibili
distilati,
combustibili
reziduali
Combustibilii lichizi distilati sunt:
benzina,
petrolul
lampant
motorina
Acestia contin in principal hidrocarburile C - C10, C - C si respectiv C - C
Combustibilii reziduali: sunt formati, in general, din reziduul obtinut la distilarea primara a titeiului si din reziduurile obtinute la cracarea termica a pacurilor sau a motorinelor. Acestia au o compozitie foarte complexa.
Combustibilii
gazosi : au o compozitie foarte variata, ce depinde de originea
acestora.Astfel, gazele naturale din
Compozitia combustibililor gazosi: se exprima obisnuit in procente volumetrice. Principalele componente combustibile ale acestora sunt:CO, H2, CH alte hidrocarburi si H S, iar componentele necombustibile insotitoare sunt: CO O si N
Puterea calorica
Puterea calorica exprima cantitatea de caldura care rezulta prin arderea completa a unei unitati de combustibil.
Puterea calorica a combustibililor solizi si lichizi se exprima in kj/kg sau kcal/kg,iar a celor gazosi in kj/m3N.
Majoritatea combustibililor contin in compozitia lor hidrogen, component care prin ardere se transforma in apa.In afara de acestea, inainte de ardere, combustibilii contin o cantitate mai mare sau mai mica de apa, care exprimata procentual reprezinta umiditatea initiala a acestora.Apa rezulta prin arderea hidrogenului si apa sub forma de umiditate poate sa se gaseasca in produsele de ardere sub forma de vapori sau sub forma lichida.
Intrucat calitatea de caldura determinata de arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei din produsele de ardere, in practica se deosebeste puterea calorica superioara si puterea calorica inferioara.
Puterea calorica inferioara (Qi reprezinta cantitatea de caldura obtinuta prin arderea unei cantitati de combustibil, in cazul cand produsele de ardere au temperatura de 20 C; in acest caz, apa din produsele de ardere fiind lichida, in puterea calorica determinata se include si caldura latenta de condensare a vaporilor de apa .
Puterea calorica inferioara (Qi) reprezinta cantitatea de caldura determinata la arderea unei unitati de combustibil in conditiile in care produsele finale sunt evacuate la o temperatura mai mare de decat temperatura de condensare a vaporilor de apa.
In practica se ia in considerare numai puterea calorica inferioara, intrucat din instalatiile industriale se elimina produsele de ardere continand apa sub forma de vapori.
Arderea combustibililor
In vederea arderii unui combustibil, trebuie sa se asigure mai intai, prezenta simultana si a oxigenului si apoi sa se produca aprinderea.
Arderea oricarui combustibil este precedata de aprindere. Pentru aprinderea unui combustibil trebuie se existe o anumita proportie locala intre combustibil si oxigen si sa existe o sursa de energie pentru incalzirea combustibilului pana la temperatura de aprindere. Temperatura de aprindere depinde de natura combustibilului si reprezinta cea mai joasa temperatura la care incepe arderea interna. Aprinderea combustibilului este precedata intotdeauna de o perioada de timp, numita perioada de inductie, pe durata careia, sub influenta temperaturii inalte si a altor factori, combustibilul sufera procese de descompunere si oxidare, cu formare de combinatii mai simple, produse intermediare active ca radicali, atomi sau molecule semi-stabile, cu o energie de activare mica, care participa la propagarea reactiilor de ardere.
Aprinderea si arderea combustibililor gazosi: are loc prin reactii inlantuite,initiate termic.
Combustibilii gazosi: oferind cea mai mare suprafata de contact intreei si oxigen, se aprind foarte usor; arderea are loc in intreg volumul amestecului de combustibil - aer.
Arderea combustibililor lichizi: se realizeaza marindu-se suprafata de contact cu oxigenul sau aerul, in care acestia se pulverizeaza.
Arderea combustibililor solizi: este un proces eterogen si se compune din urmatoarele etape:
incalzirea si
uscarea combustibililor;
descompunerea
pirogenica a combustibilului cu formare de materii volatile si a cocsului;
arderea
materiilor volatile;
arderea
cocsului
Motoarele termice utilizeaza drept sursa de energie un combustibil care arzand in anumite conditii in prezenta aerului furnizeaza o cantitate de caldura ce se transforma in energie mecanica.
Combustibili cei mai des folositi pentru motoarele cu ardere interna prvin din titei, care este supus unui ansamblu de tratamente chimice si fizice.Acesti combustibili datorita caracteristicilor functionale ale motoarelor in care se folosesc, sunt diferentiati in
benzine -
pentru motoarele cu aprindere prin scanteie
motorine -
pentru motoarele cu aprindere prin compresie
petroluri in
amestecuri pentru turbomotoare
Benzinele: din punct de vedere chimic sunt un amestec de hidrocarburi C - C10 din clasa alcanilor (parafinice),cicloalcanilor (naftenice) aromatice si nesaturate liniare (olefinice). In benzina procentul de carbon este de 80 - 82% iar cel ce hidrogen de
Motorinele(combustibili Diesel): sunt fractiuni petroliere cu densitate cuprinsa intre 850 - 890 kg/cm3 si cu temperatura de fierbere cuprinsa intre 200 - 370 C. Ele provin, in general, de la distilarea atmosferica a titeiului si constau din amestecuri de hidrocarburi ce au in moleculele lor de la 12 pana la 18 atomi de carbon.
Combustibilii pentru motoarele Diesel se caracterizeaza prin proprietati opuse benzinei, respectiv, hidrocarburile componente trebuie sa se oxideze cu usurinta cu formare de peroxizi si alte produse de oxidare incompleta, pentru ca autoaprinderea sa se produca usor.
Petrolurile turbo (combustibilii pentru turbomotoare): intrebuintate in industrie, transporturi terestre, aeriene, navale, cuprind o mare varietate de produse: produse petroliere, suspensii de pulberi metalice in fractiuni de titei, combustibili gazosi etc.
In cazul turbomotoarelor de aviatie se utilizeaza fractiuni de titei cu intervalul de distilare cuprins intre 163 si 302 C, kerosen si petrol lampant, precum si fractiunea larga in intervalul temperaturilor de distilare cuprins intre 52 si 302 C.
Cifra octanica
Principalul criteriu pentru determinarea calitatii antidetonante a benzinelor este cifra octanica (CO). Cu cat valoarea cifrei octanice este mai mare, cu atat benzina are o rezistenta mai mare la detonatie.Cifra octanica se determina prin compararea benzinei cu un combustibil etalon cu o cifra octanica cunoscuta.
Caracteristici ale motorinelor:
Motorinele trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:
rezistenta
mica la autoaprindere;
vaporizare
usoara;
punct
de congelare scazut.
Aditivi pentru combustibili
Aditivii sunt substante introduse in carburanti in vederea imbunatatiri acestora.
Aditivi pentru benzine:
aditivi
antidetonanti (impiedica autoaprinderea, maresc cifra octanica)
aditivi
anticorozivi (reduc coroziunea pieselor metalice ce intra in contact cu
benzinele)
aditivi
degivranti (au rolul de a impiedica formarea ghetii pe carburator,
produsa de evaporarea benzinei).
Aditivi pentru motorine:
aditivi
acceleratori (maresc cifra cetanica,micsoreaza temperatura de autoaprindere si
favorizeaza procesul de ardere).
aditivi
anticongelanti (impiedica formarea si dezvoltarea procesului de cristalizare a
hidrocarburilor parafinice).
aditivi
contra fumului (fac ca emisia de fum sa fie mult mai redusa iar consumul de
combustibil sa se reduca si el)
Compozitia chimica a petrolului si gazelor naturale.
Petrolul si gazele naturale sunt amestecuri de hidrocarburi care se gasesc ca zacaminte in scoarta pamantului in diferite regiuni. Gazele naturale sunt alcatuite aproape exclusiv din termeni inferiori (cu numar mic de atomi de carbon) ai seriei hidrocarburilor nesaturate cu catena deschisa ( alcani ) . Petrolul ( titeiul ) contine totdeauna reprezentanti ai trei clase de hidrocarburi : saturate aciclice ( alcani ), saturate ciclice ( cicloalcani )si aromatice. Proportia acestora variaza de la un zacamant la altul. Hidrocarburile nesaturate, alchenele, si mai ales acetilenele, lipsesc din compozitia titeiului.
.Zacaminte de gaze naturale si petrol
Prin gaze naturale se inteleg hidrocarburi gazoase provenite din doua tipuri de surse: zacaminte asociate cu cele de petrol, in care avem de-a face cu gazele de sonda, si zacamintele independente, care nu au nici o legatura cu cele de petrol. Cele doua tipuri de gaze naturale au in comun faptul ca metanul, CH , predomina net fata de toate celelalte componente ale amestecului. In rest , exista o deosebire de compozitie , relative pronuntata; gazele de sonda sunt mai complexe, pe cand celelalte gaze naturale sunt alcatuite din mai putine componente.
Zacamintele de gaze naturale neasociate cu petrolul din tara noastra reprezinta metan aproape pur ( uneori peste 99% puritate). In alte regiuni ale globului, alaturi de metan, se gaseste hydrogen sulfurat (care atinge chiar 15,4% din totalul compozitiei , in gazul de la Lacq, in sudul Frantei), heliu( in URSS si SUA), bioxid de carbon si mici cantitati de etan, propan si butan.
Trebuie mentioanata faptul ca hidrogenul sulfurat din aceste gaze constitue o sursa industriala de sulf, iar pt obtinerea heliului, gazelle naturale reprezinta singura sursa economica.
Gazele de sonda contin proportii mult mai maridin alcanii cu 2-5 atomi de carbon (etan,propan, butan, izobutan, pentan si izopentan). Alaturi de acestea apar uneori, dupa cum am mai mentionat si mici cantitati de etena.
Toate aceste amestecuri gazoase se gasesc la presiuni foarte ridicate (cateva sute de atmosphere) si la temperaturi de peste 100 grade Celsius. Ele se afla in stare adsorbita in roci poroase, pe care gazelle le "imbiba". Datorita suprafetei uriase de contact dintre roca poroasa si gaze precum si dinpricina presiunii inalte care domneste in zacamant, roca poate dezvolta, in conditii normale, volume de gaz care intrec de mii de ori volumul propriu al rocii. O situatie oarecum asemanatoare se realizeaza in buteliile cu adsorbant poros pentru acetilena.
Originea biogena, (provenienta din ramasite ale vietuitoarelor din epoci geologice) este mult mai putin evidenta la gazelle naturale decat la petrol. Totusi, faptul ca metanul se mai formeaza si astazi , prin procese de fermentatie anaeroba ("gazul de balta"), deci tot absenta aerului - asa cum se presupune ca au aparut si gazele naturale - precum si alte trasaturi ale zacamintelor si ale compozitieichimice a gazelor, pledeaza in favoarea unei asemenea origini. Problema este intrucatva complicate de faptul ca rocile in prezenta carora s-au format gazelle naturale, deoarece acestea din urma migreaza prin scoarta terestra.
Dupa datele de care dispune stiinta pana in present, conditiile fizice severe sub care se gasesc gazelle naturale in zacaminte, amintesc doar in parte pe cele cu mult mai energice in care a avut loc formarea amestecului de hidrocarburi. In esenta, transformarea resturilor de vietuitoare in hidrocarburi consta in indepartarea celorlalte elemente, in primul rand oxigenul, azotul,si sulful, fie ca elemente, fie sub forma unor compusi anorganici simpli. Acestia au fost fixate, in mare parte, de roc ace inconjura zona de formare a zacamantului. Dupa cum am vazut, o parte din acesti compusi anorganici (bioxidul de carbon, hidrogenul sulfurat) au ramas amestecati cu hidrocarburile in compozitia gazelor naturale.
Petrolul reprezinta un amestec de hidrocarburi rezultat din materie organica acumulata in regiuni marine subsidente in diferite perioade geologice care a suferit o descompunere lenta in conditii de mare presiune. Petrolul este format in cea mai mare parte din hidrocarburi desi si cativa compusi cu oxigen si sulf intra in componenta lui. Petrolul contine elemente solide, gazoase si lichide fiind un amestec de hidrocarburi solide si gazoase dizolvate in hidrocarburi lichide. Consistenta petrolului variaza, avand stare de lichid mai fluide asa cum este benzina si pana la lichid vascos care de-abia curge. Are culoare brun-inchisa si miros caracteristic. Din punct de vedere geologic, zacamintele de petrol au cateva trasaturi generale din care rareori lipseste vreuna. Astfel, petrolul se gaseste intr-o incretitura a scoartei, imbibat, sub presiune inalta, intr-un strat de roca poroasa, prins intre doua straturi de roca impermeabila. In partea superioara a stratului de roca poroasa se gaseste zona in care se acumuleaza produsele gazoase (gazele de sonda despre care am vorbit) iar in poartea inferioara se gaseste o portiune imbibata cu apa sarata. Prezenta acesteia din urma constitue unul dintre argumentele teoriei formarii petrolului prin fermentatia, in absenta aerului, a resturilor de vietuitoare ( mai ales microscopice ) care s-au depus pe fundul marilor in epoci geologice. In acelasi sens pledeaza si analiza chimica a petrolului , care a pus in evidenta ramasite ale moleculelor caracteristice arsenalului chimic al celulei vii.
In istoria omenirii, el a fost cunoscut in regfiunea Golfului Persic inca din mileniile VI - V a.Chr., fiind multa vreme folosit la constructii, calafatuirea corabiilor etc. Abia de la mijlocul secolului XIX-lea s-a trecut treptat la valorificarea lui industriala fiind mai intai folosit ca lubrefiant, iar apoi in petrochimie. Petrolul este substanta care prin ardere degaja caldura , este o resursa epuizabila. Rezervele mondiale de petrol sunt apreciate la circa 134,5 miliarde tone.
Petrolul, sau titeiul, cum mai este el numit,se gaseste in cantitati mari sub suprafata scoartei terestre si se foloseste ca si combustibil sau ca materie prima in industria chimica. Mai precis, petrolul si derivatii lui se folosesc la fabricarea medicamentelor si a ingrasamintelor chimice,a produselor alimentare,a maselor plastice,a materialelor de constructii,a vopselelor si la producerea de electricitate.
Conditia principala pentru ca descompunerea acestor resturi de vietuitoare sa ia calea imbogatirii in carbon o constitue absenta oxigenului; in caz contrar ar avea loc fermentatia aeroba, cu degajarea produselor obisnuite ale metabolismului microorganismelor, bioxidul de carbon si apa. Conditia lipsei de oxygen se indeplineste cel mai bine in sendimentele foarte putin rascolite depuse pe fundul marilor fara flux si reflux. Primele etape ale descompunerii fermentative se petrec chiar pe locul de origine si duc la o scadere a continutului in oxygen, azot si sulfa sendimentelor organice in straturi mai profunde. Aici procesul de transformare in hidrocarburi s-a desfasurat la presiuni si temperature inalte si a beneficiat de actiunea catalitica a rocilor cu care substantele organice veneau in contact.
Zacamintele de hidrocarburi reprezinta o bogatie incalculabila , iar utilizarea lor drept surse de combustibil va fi supusa foarte curand, fara indoiala, unor limitari drastice. Aceasta deoarece, pe de o parte, se vor dezvolta alte mijloace de producere a energiei , mai rentabile si mai lipsite de efecte secundare (poluarea atmosferei prin produse de ardere etc.), pe de alta parte, ne apare tot mai nerationala arderea pana la bioxidul de carbon si apa a unor compusi atat de pretiosi, create de natura tot din bioxid de carbon si apa, pe un drum lung si complex, compusi din care se pot prepara, prin sinteza organica, substante fara de care civilizatia actuala ar fi de neconceput.
.Extractia si prelucrarea gazelor naturale
Zacamintele de gaze naturale se exploateaza prin foraje, urmate de racordarea tubului de sonda, introdus in zacamant, la un sistem de conducte care transporta gazul la consumator, dupa reducerea corespunzatoare a presiunii. Intre acestea se intercaleaza, acolo unde este necesar, instalatia de epurare a gazului. Aceasta serveste la indepartarea impuritatilor, in asa fel incat in conducte sa se trimita metan pur ; caile de realizare a epurarii depind de natura chimica a impuritatii. Trecerea prin solutii bazice permite retinerea combinatiilor acide ( CO ; H O etc.); condensarea ("debenzinarea") duce la separarea, sub forma lichida, a hidrocarburilor cu molecula mai mare. O alta cale de separare a hidrocarburilor cu numar mai mare de atomi de 3 carboni consta in absorbtia selective pe carbine active, poros, care fixeaza moleculele cu atat mai puternic cu cat sunt alcatuite din mai multi atomi sub produsele, rezultate in instalatiile de epurare, fie drept sursa de benzene (hidrocarburile lichide).
La gazele de sonda operatia de epurare este totodata necesara, aceste gaze reprezentand, dupa cum am vazut, amestecuri mai complexe. Un subprodus important al gazelor de sonda il constitue butanii, care se lichefiaza, sub presiune nu prea ridicata, si se utilizeaza in butelii drept combustibil casnic ("aragaz") sau se folosesc in industria chimica (cauciuc etc. ).
Chimizarea metanului intereseaza numeroase capitole din chimia anorganica . Amintim aici pe cele deja intalnite de noi pana acum:
-obtinerea negrului de fum
- obtinerea gazului de sinteza ( CO + 3H
obtinerea acetilenei
- obtinerea hidrogenului
La acestea se adauga fabricarea acidului cianhidric, a formaldehidei si a unei game largi de alte produse mult mai utilizate in tehnica, agricultura si viata cotidiana.
.Extractia si prelucrarea petrolului
Zacamintele de petrol se exploateaza tot prin foraje, cu ajutorul sondelor. Extractia petrolului poate avea loc in doua situatii si anume petrolul poate fi adus la suprafata de presiunea gazelor din zacamant (care, uneori, provoaca eruptii greu de controlat) sau poate fi necesara pomparea , daca zacamantul se gaseste sub presiune, ca urmare a epuizarii gazelor.
Pentru a scoate petrolul la suprafata exista mai multe metode dar cea mai interesanta si una dintre cele mai mari realizari inginiere din ultimele decenii este constructia la marginea unei mari sau a unui ocean,a unei turle pentru sonde petroliere.Acestea sunt instalate pentru a functiona de pe o platforma petroliera pana la adancimi de cateva sute de metri; platforma poate fie sa pluteasca, fie sa stea pe picioare instalate pe fundul apei. Ea poate rezista valurilor si vanturilor puternice, sau in regiunile arctice la banchizele de gheata.Ca si in turlele traditionale, dericul (macara invartitoare) este in principal un dispozitiv pentru suspendarea si rotirea tevilor care foreaza dupa petrol.In acest fel au fost forate cu succes mari puturi pana la adancimea de 6,5 km de la suprafata oceanului. Unul dintre statele care folosesc acest procedeu este chiar S.U.A. deoarece a avut foarte mult de castigat de-a lungul anilor din exportul de petrol.
Dupa extractie, petrolul se supune prelucrarii. Putem distinge, in linii mari, trei etape principale a prelucrarii titeiului:
a) Indepartarea impuritatilor care au o alta natura chimica decat hidrocarburile;
b) Fractionarea, prin distilare,a amestecului de hidrocarburi;
c) Prelucrarea chimica a fractiunilor obtinute prin rafinare.
Aproape peste tot pe Glob exista bazine de extractie a petrolului.Cele mai mari sunt:Golful Persic (tarile din regiune sunt cele mai mari exportatoare de petrol din lume) ,Alaska(Prudhoe Bay-10 miliarde de barili* de petrol se presupune ca adaposteste acest bazin) dar si unele mari cum ar fi Marea Nordului(platformele Norvegiei,in principal), Marea Neagra, Marea Ohotsk(in N Federatiei Ruse) etc.Dar cel mai bogat dintre ele este, cu siguranta Golful Persic.De-a lungul ultimelor decenii tarile din regiune au detinut si detin monopolul in ceea ce priveste exporturile de petrol.De altfel, intreaga economie a acestor tari se bazeaza pe productia de petrol. Cele mai mari exportatoare de petrol din lume au fondat o organizatie denumita OPEC(Organizatia tarilor exportatoare de petrol) care are ca domeniu de activitate politica petroliera.Tarile membre sunt: Algeria, Arabia Saudita, Ecuador, Emiratele Arabe Unite, Gabon, Indonezia, Irak, Iran, Kuweit, Libia, Nigeria, Quatar, Venezuela.
O data ce petrolul este scos, este tratat cu produse chimice si caldura pentru a se inlatura apa si alte impuritati astfel incat petrolul sa fie de cea mai buna calitate. Apoi, este transportat la o rafinarie in cisterne.Unele centre de extractie a petrolului au tevi care transporta petrolul direct la rafinarie.
Rafinarea
Principala metoda de rafinare a petrolului este distilarea. Prin incalzirea treptata a petrolului se separa componentii sai, dupa temperatura lor de fierbere. Acest mod de prelucrare a petrolului se numeste distilare fractionata. Pentru a se obtine o varietate de produse din petrol acesta este cracat prin mai multe procedee. Astfel se obtin: alcooluri, detergenti, cauciuc sintetic, glicerina, ingrasaminte chimice, sulf care au dezvoltat enorm industria petrochimica mondiala o data cu descoperirea lor, deci, implicit a petrolului. Pe langa toate acestea se mai obtin:medicamente, nylon, mase plastice, vopsele, poliester si material explozibil.
Utilizandu-se coloane de distilare de dimensiuni mult mai mari, titeiul se fractioneaza in cateva grupuri de hidrocarburi, pe baza diferentelor dintre punctele lor de fierbere. Stim ca acestia din urma sunt, in linii mari, cu atat mai ridicate cu cat numarul de atomi de carbon din molecuila hidrocarburii este mai mare. Deoarece, in timpul functionarii, vaporii si lichidul sunt in echilibru termic, la baza coloanei temperature atinge 350 - 360 grade C, corespunzand punctului de fierbere al fractiunilor celor mai grele , iar la partea superioara temperature este de numai 25 - 50 grade C.
Multe din aceste fractiuni sunt supuse chimizarii, fie pt. a le utilize ca materie prima in industria chimica organica, fie pt .a le imbunatati calitatile lor de carburanti.
Astfel benzinele, obtinute direct prin rafinarea petrolului, nu permit atingerea unor randamente suficient de ridicate ale motoarelor cu explozie. Se stie ca randamentul motorului depinde foarte mult de gradul de comprimare al gazelor (amestec de aer si vapori de benzina) inainte de detenta, produsa ca urmare a exploziei amorsate prin scanteie electrica data de bujie. Comprimarea amestecului nu se poate efectua decat pana la o anumita limita, deoarece, la un moment dat, are loc o explozie spontana, ca urmare a ciocnirilor prea violente intre molecule, la temperature si presiunea produse prin comprimare. Asemenea explozii spontane au urmari foarte grave pt functionarea motorului, care cere ca explozia sa nu aiba loc decat intr-un moment foparte bine stabilit in functie de pozitia pieselor in miscare. Capacitatea amestecului de aer si vapori de benzina de a rezista la comprimare, fara sa explodeze spontan, exprimata de cifra octanica a benzinei.
Pentru definirea cifrei octanice s-au ales doua hidrocarburi, una care detoneaza foarte usor, hectanul normal, si alta care rezista deosebit de bine la comprimarea amestecului vaporilor cu aer , si anume unul din izooctani (doi, doi, patru, trimetil-pentan CH -CH -CH -CH -CH CH CH n-heptan [cifra octanica 0] )
Prin conventie s-a atribuit n-heptanului cifra octanica 0 iar izooctanului cifra octanica 100. Facand amestecuri din aceste doua hidrocarburi, in diferite proportii, putem obtine combustibili, a caror comportare, in motoarele cu explozie , este identica cu cea a mostrei de benzina pe care dorim s-o caracterizam. Cifra octanica a bezinei respective este egala cu proportia de izooctan, in volume, din amestecul de izooctani si n-hectan care are aceeasi comportare la detonatie. O benzina cu cifra octanica 98 ( cum este cea utilizata de motorul , cu caracteristici superioare, autoturismului "Dacia" ) se comporta la fel cu un amestec de 98 % izooctani si 2% n-hectan. Cresterea cifrei octanice permite o compresie mai avansata si deci construirea unor motoare cu un randament mai bun. Pentru indeplinirea acestor conditii, benzinele brute, cu cifra octanica relative scazute, se trateaza cu anti-detonanti, ca tetraetil-plumbul (C H Pb. Aceasta substanta se descompune foarte usor la incalzire si pune in libertate atomi de Pb care blocheaza intermediarii reactivi ce initiaza reactia in lant a exploziei. O alta cale, mult mai avantajoasa, de ridicare a cifrei octanice consta in ridicarea continutlui de hidrocarburi aromatice in benzina; aceasta se realizeaza prin chimizare.
Pacura, rezduu greu ramas la distilare , in afara de utilizarea drept combustibil in arzatoare speciale se poate supune unei redistilari, acesta operatie se executa sub vid, pt a evita incalzirile la temperature mai ridicate, care ar prouce descompuneri nedorite. Rezidul ramas dupa aceasta redistilare se supune unei insuflari de aer cald, cand au loc procese complicate de oxidare si se obtine asfaltul, masa utilizata la construire de sosele.
Prelucrarea chimica
Produsele izolate prin rafinare se supun transformarilor chimice in cadrul a doua tipuri de procese : cracarea si reformarea.
a) Cracarea cuprinde ansamblul de reactii chimice ce au loc prin incalzirea la temperaturi ridicate si in prezenta unor catalizatori, cand moleculule alcanilor sufera ruperi de fragmente mai mici. Prin cracare alcanii superiori trec in alcani inferiori si alchene (cracarea propiuzisa) sau elimina atomi de hidrogen ducand la alchene cu acelasi numar de atomi de carbon in molecula (de hidrogenare).
1.Cracare CH - CH CH CH CH + CH -CH=CH
CH -CH CH -CH -> CH -CH + CH =CH
2. Dehidrogenare CH -CH CH -CH -> CH =CH-CH -CH + H
CH -CH -CH -CH -> CH -CH=CH-CH + H
Ponderea reactiilor de dehidrogenare scade pe masura ce molecula alcanului creste. Alcanii superiori trec aproape numai in alchene si alcanii cu molecule mai mici. Desfasurarea paralela a reactiilor de cracare si de dehidrogenare , precum si toate celelalte caracteristici a procesului de descompunere al alcanilor prin cracare, se explica prin aparitia acelorasi intermediari reactivi: radicalii liberi ai hidrocarburilor. Acestia apar prin ruperea homolitica (datorita temperaturii ridicate) a unei legaturi C-H ; fragmentarea scheletului in molecule, formarea alchenelor, eliminarea cu precadere a moleculelor de metan nu sunt altceva decat diferite moduri de stabilizare a acestori intermediari reactivi.
Prin acest procedeu se obtin alchenele, materii prime de baza in industria chimica; aceasta este sursa principala de etena. In acelasi timp produsele grele ca motorina etc., ieftine si cu utilizari restranse, se pot transforma in benzina, combustibil mult mai cautati.
Produsele obtinute prin cracare sunt separate tot prin distilare fractionate; aceasta se face insa sub presiune, deoarece, in conditii normale, multe din substantele cu molecule mici ce rezulta din fragmentari sunt in stare gazoasa. Prin ridicarea presiunii, acesti compusi se lichefiaza si pot fi supusi distilarii la temperaturi coborate.
Din acest punct de vedere al sintezei organice cel mai important produs al cracarii il constitue etena, material prim pentru etanol, polietilena, polistiren si multe altele. Valoroase sunt de asemenea propena (pe care o vom intalni de pilda la sinteza fenolului si glicerinei) si butenele baza unei serii de solventi oragnici si cauciucuri sintetice.
b) Reformarea catalitica este numita astfel deoarece benzinele obtinute prin rafinare sunt obtinute pe un catalizator de platina ( depus pe un support de oxid de aluminiu) odata la temperaturi si presiuni ridicate ( 450-500 grade C si 15-20 atm.) ; in aceste conditii hidrocarburile alifatice se transforma in hidrocarburi alifatice, fara a-si schimba neaparat numarul de atomi de carbon. Pe aceasta cale se obtin cantitati insemnate de benzene, toluene, cei trei izomeri ai zilenului, precum si omologi superiori ai acestuia.
Deoarece plecam de la un alcan si ajungem la o hidrocarbura aromatica este evident ca procesul trebuie sa constea dintr-o dehidrogenare; daca molecula substantei are o catena liniara de atomi de carbon , dehidrogenarea trebuie sa fie insotita de o ciclizare. Aceasta consta dintr-o reactie a moleculei de alcan cu ea insesi (dupa reactivare prin ruperea unor legaturi CH ) .
Titeiul dezvolta o putere calorica de la 5.500 - 11.000 kcal/kg, este usor de exploatat si transportat, iar prin prelucrare da o multime de produse folosite in activitatile curente. Dupa 1930, petrolul s-a situat pe primul loc intre resursele energetice, ajungand in prezent sa reprezinte peste 45% din balanta energetica mondiala.
Astazi viata oamenilor este de neconceput fara existenta petrolului. Din petrol se obtin pacura, benzina si motorina, folosite pentru producerea de caldura sau de energie electrica si pentru punerea in miscare a autovehiculelor.
Titeiul este o roca sedimentara lichida existenta sub forma de zacamant in scoarta pamantului. Titeiul este cunoscut din timpuri stravechi in diverse zone ale globului si in urma cercetarilor facute s-a ajuns la concluzia ca s-a format prin descompunerea organismelor marine (planton care s-a depus pe fundul marilor si oceanelor si apoi s-a acumulat sub forma de sedimente). Titeiul este un produs natural lichid vascos de culoare negru-verzui fiind un amestec de hidrocarburi solide si gazoase dizolvade in lichide.
Titeiul este inflamabil si are densitate m-ai mica decat apa,si se ridica la suprafata apei.Titeiul este materia prima cea mai importanta pentru prepararea combustibilului si lubrifiantilor dar si a altor produse chimice (cauciuc sintetic,inlocuitori de piele,detergenti).Compozitia chimica a titeiului este diferita de la o zona geografica la alta.
In urma analizelor facute s-a ajuns la concluzia ca titeiul este un amestec de alcani cicloalcani si arene.Extractia titeiului din zacaminte se face cu ajutorul sondelor de foraj care pot lucra de la adancimi de sute de metri pana la 7000 metri.Dupa extractia titeiul este supus unei prelucriri prin metode fizice si chimice,prelucrare ce se realizeaza in cadrul combinatelor petrochimice.
La noi in tara (Ploiesti,Pitesti,Onesti langa Bacau,Media Navodari).Toata industria depinde de petrol, se formeaza prin descompuneria organismelor.Procesul dureaza milioane de ani.Titeiul este separat mai intai de apa sarata cu care este amestecat si apoi este supus distilari fractionate in coloane de distilare care pot atinge o inaltime de pana la 50 m.
Petrolul brut incalzit la 400 grade celsius se introduce pe la baza coloanei de distilare si rand pe rand se separa in functie de volavilitatea urmatoarelor fractiuni.
-gaze (alcan,metan,propan,butan)
-benzine usoare (motorina,uleiuri grele,porofina,bitum)
Dupa ce au fost separate sectiunile respective sufera diferite prelucrari pentru a putea fi apoi utilizate in diferite domeni de activitate.Numerosi derivati petrolieri sunt folositi ca materie prima pentru diverse substante din industria chimica.Titeiul m-ai este numit si 'aur negru'Aproape peste tot exista bazine de extractie a petrolului iar cele m-ai importante sunt in: Golful Persic si Alaska.
Tari exportatoare de petrol: Algeria,Arabia,Libia si Nigeria.
Teoria titeiului
-titei de origine vegetala (formandu-se din plante)
-titei de origine animala (rezultand din transformarea grasimilor animalelor marine pesti)
-titei de origine mixta (vegetala,animala prin transformarea plantelor si animalelor marine.Ramura chimiei care se preocupa cu prelucrarea produselor petroliere se numesc Petrochimie.Motoarele cu explozie folosesc drept combustibil benzinele care sunt amestecuri cu hidrocarburi.Benzinele se diferentiaza in functie de cifra Octonica CO. Cifra octonica a unei benzine este data de continutul in izoctomi comparativ cu continutul normal heptan al unei benzine.Carburanti obisnuiti au ca cifra octanica intre 70-100 pe cand super carburantii au cifra octonica intre 120-140.
Petrolul este bogatia cea mai importanta a substratului consolidat. O activitate de cercetare, prospectiune si exploatare deosebit de intensa a dus la punerea in evidenta a unor zacaminte de hidrocarburi foarte importante. In 1954 doua tari exploatau petrolul din adancul platformei continentale, iar peste 20 de ani au devenit ca numar 30. In prezent exista aproximativ 600 de platforme pentru forarea si exploatarea zacamintelor de petrol submarin. Productia crescand din 1954 de la 810 mii t. in 1975 la 464 mil.t , in 1980 la 900 mil.t si 1984 la 2 miliarde tone. Cele mai multe zone petroliere se afla in bazinul mijlociu al Atlanticului (10,5 miliarde), bazinul nordic al Atlanticului (inclusiv Marea Nordului), in nordul Canadei si peninsula Alaska. Principalele zone marine in care se concentreaza rezervele sunt: Golful Persic, Marea Caspica, Marea Egee, Marea Adriatica, Golful Mexic, Marea Mediterana, Marea Rosie, Marea Nordului, Golful Guines, Marea Neagra, Marea Japoniei, Marea Galbena, Platforma continentala a Australiei, Platforma continentala a Americii de Sud si Platforma continentala a Americii de Nord. Pentru exploatarea zacamintelor de petrol se folosesc platformele de foraj de diferite feluri.
Alaska, un uscat format mai ales din stanci, zapada si gheata, are mari zacaminte de petrol, formate din resturile animalelor si plantelor marine, care pe vremuri populau zona respectiva.
Poluarea activa
Poluarea cu petrol a oceanelor a atins proportii critice si frecventa si scara manifestarilor a crescut rapid. In prezent hidrocarburile reprezinta intradevar principalii agenti poluanti ai marilor. Fiind rezistente la actiunea bacteriilor, persista timp indelungat in regiunile infectate, formand o pelicula superficiala (intrucat au densitatea mai mica decat a apei) care impiedica difuzarea oxigenului in apa. Asimilatia clorofiliana si respiratia organismelor sunt impiedicate. Ca urmare se ingreuneaza fotosinteza fitoplanctonului, care produce circa 70% din oxigenul atmosferic. Aliment de baza al vietii marine, algele si planctonul inceteaza sa prolifereze. Compusii fenolici si aromatici au actiune toxica asupra vietuitoarelor acvatice. Hidrocarburile cancerigene (3-4 benzopiren), concentrate in organismul animalelor acvatice comestibile, ajung in alimentatia omului. Asadar poluarea cu petrol da o lovitura puternica nu numai echilibrului marin, ci si sanatatii omului. Setea crescanda de petrol determina o larga toleranta fata de poluarea produsa de prelucrarea si consumul lui, ea nu va constitui in urmatoarele decenii un argument in favoarea limitarii consumului, iar eforturile nu vor stavili tendinta de crestere a poluarii. Poluarea determinata de extractie si transport vizeaza in deosebi mediul marin. Deversarile in Marea Nordului, Golful Mexic, Golful Persic, avariile cat si operatiile de intretinere completeaza cantitatea petrolului irosit anual in mare, calculat la peste 12 milioane tone.
Atentia cea mai mare pe plan international este concentrata asupra efectelor poluarii pe termen lung. In principal se urmareste evolutia unor mari inchise, ca Marea Baltica, Marea Neagra si Marea Mediterana.
Tancurile petroliere au intins hidrocarburi pe cea mai mare suprafata a oceanelor. Ele au aparut ca mici nodule de petrol care au spalat plajele internationale, mai ales zona debarcaderelor. Din loc in loc marile revarsari petroliere au devastat comunitatile de-a lungul tarmului. Acestea sunt tulburari de mediu provocate de activitatea umana si date fiind dimensiunile uriase ale tancurilor petroliere, este de mirare ca aceste hidrocarburi nu au fost identificate in cantitati si mai mari.
Riscurile legate de transporturile marine s-au redus mult comparativ cu situatia existenta cu cateva decenii in urma. In prezent, peste 85% din petrolul exploatat pe glob se transporta cu ajutorul tancurilor petroliere uriase unele avand peste 320 m lungime si o capacitate de peste 2 milioane barili. Esuarea acestor vase in timp de furtuna, din cauza defectiunii tehnice sau din cauza unor erori de pilotaj, genereaza cele mai grave accidente ecologice.
Esuarea petrolierului "Amoco Cadiz" in 1978, coastele franceze din Bretagne a determinat deversarea a 230000 tone de petrol in mare, fiind afectata fauna si flora din regiune pe suprafete de sute de kilometrii patrati in lungul coastelor.
Un alt accident grav s-a
inregistrat in Golful Printul William din Alaska,
unde esuarea petrolierului "Exon Valdez", in 1989, a determinat deversarea
in apele oceanului a 38000 tone petrol, care au afectat grav ecosistemele
marine pe o suprafata de 1500 km . Cheltuielile legate de indepartarea
poluarii suportate de Compania Exon, proprietara vasului, au fost de 2,5 miliarde dolari.
De fapt, toata industria
moderna depinde de petrol si de produsele sale; structura materiala si modul de
viata in comunitatile din suburbiile care inconjoara marile orase sunt
rezultatul unei ample si necostisitoare alimentare cu petrol.Restrictiile
impuse politic cu privire la alimentarea cu petrol si la folosirea lui au dus
la o mare crestere a preturilor in anii '70 pentru o indelungata
perioada.Aceasta a adus temeri cu privire la lipsa globala de petrol si astfel
la mijlocul anilor '90 preturile au scazut la jumatate.
Petrolul este
folosit in aproape toate domeniile, pentru ca, cu siguranta este cea mai
importanta resursa naturala a Terrei. Oamenii de stiinta au cautat altceva ce
ar putea inlocui petrolul in viitor cand toate resursele de petrol vor epuiza.
Dar, se pare ca, pentru moment petrolul poate fi cel mai bine inlocuit de
carbune, dar chiar si acesta nu este la fel de folositor ca si petrolul.
Nota: *Barilul reprezinta unitatea de masura a petrolului dar se mai foloseste
si la bere.Este unitatea de masura pentru capacitate, pe langa galoni, in
Statele Unite si Marea Britanie.
1 baril = 42 galoni = 159 litri
Carbunele
Este o roca foarte neobisnuita, din doua motive. In primul rand, este formata din materii organice, tesuturi odinioara vii, si in al doilea rand spre deosebire de alte roci, arde si degaja caldura.
Carbunele a reprezentat primul combustibil utilizat in timpul revolutiei industriale si a jucat un rol foarte insemnat in dezvoltarea marilor tari industrializate. Carbunele contine carbon, care-i ofera si acea culoare neagra, caracteristica, si gaze inflamabile cum ar fi hidrogenul, azot si oxigen.
Cea mai mare parte a carbunului s-a format in urma cu aproximativ 360-286 de milioane de ani, intr-o perioada numita de geologi era carbonifera tocmai din cauza cantitatilor imense de carbune care s-au format atunci.
In regiunile carbonifere exista un numar de zacaminte situate unu deasupra celuilalt, cuprinsa intre straturi de roca sedimentara. Unele straturi de carbune au o grosime de doar cativa milimetri, altele au grasimi de cativa metri .
Carbunele este utilizat cel mai des ca si combustibil. Pana nu de mult, o cantitate mare de carbune era arsa pentru incalzirea locuintelor. In zilele noastre este ars pentru a genera electricitate sau in procese industriale. Inainte de exploatarea pe scara larga a gazelor naturale, unele tari isi produceau intreaga cantitate de gaze din carbune.
Carbunele este zacamantul cel mai bogat in combustibil fosil. Rezervele mondiale cunoscute sunt estimate a fi suficiente pentru 200 ani, la o rata de consum cu cea actuala, si multi experti sunt de parere ca exista cam de 15 ori mai mult carbune ramas nedescoperit. Trei tari detin doua treimi din rezervele mondiale descoperite. SUA, are 30%, Rusia si statele aliate cam 25%, iar China 10%. Restul rezervelor sunt situate in: (Australia, Canada, India, Germania, Polonia, Africa de sud si Marea Britanie). In America de sud doar patru tari Argentina, Brazilia, Chile si Columbia detin zacaminte de carbuni. Cea mai mare parte a carbunelui este ingropat adanc sub padurile tropicale unde este greu de exploatat. Dintre cele 52 de tari africane, doar 8 exploateaza: Africa de sud si Zimbabwe, cu cele mai mari zacaminte, Algeria, Maroc, Mozambic, Tanzania, Nigeria si Zair.
Arderea carbunelui produce fum ce contine compusi sulfurati. Acestia provoaca ploi acide care distrug vegetatia, ucid pestii si alte creaturi marine, provocand si deteriorarea carbunilor cladirilor construite din caramizi si piatra.
Distilarea uscata a carbunilor de pamant (pirogenarea)
Prin distilarea uscata a carbunilor de pamant in spatiile inchise si in lipsa aerului se obtin patru produse principale: gaz de generator sau de cocserie, gudron, ape amoniacale si reziduu solid (semicocsul si cocsul).
Distilarea carbunilor la temperaturi inalte se efectueaza in uzinele cocsochimice sau in uzinele de gaz.
In functie de temperatura la care se efectueaza procesul termicde distilare a carbunilor se disting:
- semicocsificarea cand, sub actiunea temperaturii de 500-600°C, carbunii de pamant (lignitul) sunt transformati in semicocs, gudroane, gaze etc.
- cocsificarea cand, la temperaturi ce pot ajunge pana la 1000-1100°C, carbunii de pamant, mai ales huila, sunt transformati in cocs, gudroane,gaze etc.
Semicocsificarea se face cu scopul fie de a innobila carbunii inferiori (lignitii) si de a obtine semicocsul, fie de a obtine o cantitate cat mai importanta de gudroane nedescompuse.
Cocsificarea sau prelucrarea la temperaturi la temperaturi inalte se face cu scopul de a obtine cocs metalurgic.
Gazul de generator sau de cocserie este alcatuit din H2, CH4, CO, H2S si alte gaze.
Compozitia gazului de generator depinde de felul carbunilor de pamant si de temperatura la care e face distilarea.
Aceste gaze au puterea calorifica cuprinsa intre 4000 si 8500 kcal/m3 si sunt folosite pentru incalzire.
Gudronul este un lichid uleios de culoare bruna care contine hidrocarburi aromatice. Este mai greu decat apa si are un miros specific, neplacut.
Apele amoniacale contin dizolvate amoniac liber si saruri de amoniu, ca: NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2CO3. Apele amoniacale sunt intrebuintate fie la obtinerea amoniacului, fie la prepararea sarurilor de amoniu folosite ca ingrasaminte minerale.
Cocsul obtinut in uzinele cocsochimice contine 95% carbon si are o putere calorifica de 6800-8000 kcal/kg. Este folosit drept combustibil si ca agent reducator. Daca se tine seama de faptul ca pentru fiecare tona de fonta obtinuta se consuma circa o tona de cocs, este lesne de inteles importanta carbunilor pe pamant ca materie prima de baza pentru dezvoltarea industriei sidelurgice. Uzinele cocsochmice care se construiesc pe langa marile combinate metalurgice, pentru a se obtine cocsul necesar fabricarii fontei, dau in acelas timp subproduse de cocserie. In tara noastra exista uzine cocsochimice la Hunedoara si la Resita.
In ultimi ani, al noi in tara s-a intensificat pe de o parte extractia carbunilor de pamant, iar pe de alta parte, chimizarea lor.
Carbunii de pamant constituie una din bogatiile mari ale tarii noastre.
Starea naturala. Benzenul C6H6 se gaseste in titei, respectiv in benzine aromatice, din care se extrage.
Metode de preparare. In cantitati mari, benzenul se obtine prin distilarea fractionata a gudroanelor rezultate la distilarea uscata a carbunilor de pamant, si anume din uleiul usor. Benzenul se poate obtine sintetic prin polimerizarea acetilenei (sinteza ciclului) si prin aromatizarea catalitica a unor fractiuni de titei.
Proprietati fizice. Benzenul este un lichid, fara culoare, cu miros caracteristic, placut. Este mai usor decat apa, in care se dizolva foarte putin, solubil in alcool si eter; fierbe la 800C. Este un bun dizolvant pentru fosfor, sulf, iod, cauciuc, grasimi, rasini si multe alte substante organice.
Elucidarea structurii benzenului a constituit una din cele mai importante probleme teoretice ale chimiei organice. Prima formula de structura a benzenului a fost data de August Kekule in 1865, care tinand seama de tetravalenta carbonului si de monovalenta hidrogenului, atribuie pentru hihrocarbura C6H6 o formula ciclica de tipul celei de mai sus. Ea reprezinta un ciclu de 6 atomi de carbon, uniti intre ei prin legaturi simple si duble, dispuse alternativ (conjugate). Aceasta a fost prima formula ciclica atribuita unui compus organic si a reprezentat un pas inainte in dezvoltarea chimiei organice.
Cercetarile intreprinse asupra proprietatilor benzenului, au aratat ca structura Kekule, desi sustinuta de o serie de constatari experimentale, este infirmata de altele, ea nu este pe deplin satisfacatoare.
Dintre datele experimentale care confirma structura Kekule amintim urmatoarele:
Formula explica raportul 1:1 dintre numarul atomilor de carbon si hidrogen.
Cei 6 atomi de hidrogen din molecula benzenului sunt echivalenti intre ei; inlocuiarea unuia dintre ei, oricare ar fi, duce la un singur derivat monosubstituit. Se cunoaste un singur metilbenzen (toluenul) indiferent de atomul de carbon la care este legat radicalul metil.
In conditii speciale (in prezenta de catalizatori - platina la 250 grade celsius) benzenul poate fi hidrogenat dand ciclohexan. De asemenea, benzenul reactioneaza cu clorul, la lumina, formand hexaclorciclohexan.
Aceste reactii confirma faptul ca benzenul are un ciclu de 6 atomi de carbon, ca in ciclu exista trei duble legaturi si ca reactiile de aditie decurg in conditii energice.
Date experimentale ce vin in contradictie cu formula Kekule:
Benzenul participa cu usurinta la reactii de substitutie, caracteristice compusilor saturati si este chiar mai reactiv decat acestia. Bromurarea si nitrarea benzenului decurg cu bune randamente si sunt practicate la scara industriala. De aici concluzia ca benzenul are un caracter saturat pronuntat.
Agentii oxidanti caracteristici pentru oxidarea alchenelor sunt fara actiune asupra benzenului, molecula sa fiind stabila la oxidare.
Daca molecula benzenului ar fi asa de nesaturata cum prevede formula Kekule, ar trebui sa manifeste tendinta de a polimeriza, fapt neconstatat experimental; de asemenea reactiile de aditie ar trebui sa decurga foarte usor, ceea ce de fapt nu se intampla.
cuantice si proprietatile chimice ale benzenului (caracterul aromatic)
In anul 1865, fr. Aug. Kekule tinand seama de formula bruta moleculara a benzenului (C6H6), de tetravalenta carbonului, de monovalenta hidrogenului si d e alte constatari experimentale a propus ca formula structurala pentru benzen un ciclu hexagonal regulat, alcatuit din sase atomi de carbon situati in varfurile hexagonului si legati intre ei prin trei duble legaturi conjugate, repartizate simetric, fiecare atom de carbon fiind legat, la randul sau, de un atom de hidrogen:
Conform acestei reprezentari structurale, benzenul este o ciclohexatriena.
O astfel de structura ar fi trebuit sa confere benzenului un caracter pronuntat nesaturat si proprietatea de a polimeriza usor.
In realitate, benzenul se comporta ca o hidrocarbura cu pronuntat caracter saturat dand reactii de substitutie, iar in putine reactii manifesta caracter slab nesaturat dand reactii de aditie, numai in conditii speciale.
Fata de oxidanti, benzenul este stabil, degradandu-se numai in conditii foarte energice.
Spre deosebire de hidrocarburile nesaturate, benzenul rezista chiar la temperatura de 9OO0C, manifestand stabilitate termica ridicata.
Toate proprietatile benzenului, observate in diverse reactii, nu concorda deplin cu formula de structura data de catre Kekule.
Experimental s-a dovedit ca prin inlocuirea unui singur atom de hidrogen din ciclul benzenic cu un substituent, de exemplu cu un atom de halo gen (C1), se obtine un singur derivat monosubstituit al benzenu-lui, indiferent de atomul de hidrogen care a fost inlocuit (in mod obisnuit benzenul este reprezentat numai prin legaturi]e simple si duble ale ciclului fara a se mai scrie simbolurile elementelor, formula simplificatii):
Aceasta dovedeste ca pozitia fiecarui atom de hidrogen nu se deosebeste cu nimic de pozitia celorlalti atomi de hidrogen, ceea ce inseamna ca in molecula benzenului toate cele sase pozitii - CH = sunt echivalente intre ele.
