Горение, крекинг, риформинг

8 заданий

Горение и теплота сгорания

linkОпора

Урок 145. Цепной механизм: зарождение, рост, обрыв — рисовать стадии цепной реакции
Урок 76. Тепловой эффект по энергиям связей — считать ΔH реакции по энергиям разрываемых и образующихся связей

Горение алканов — тоже радикальная цепь (урок 145), только очень быстрая. Тепловой эффект горения оценивают по энергиям связей (урок 76), а сравнение теплот сгорания изомеров показывает, какой из них устойчивее.

Как записать и рассчитать горение

\(\ce{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O2 -> nCO2 + (n+1)H2O}\).
При недостатке кислорода — CO, сажа.
Теплота сгорания растёт на ~650 кДж/моль на каждую группу \(\ce{CH2}\); разветвлённые изомеры сгорают с чуть меньшим тепловым эффектом (устойчивее).

Примеры

1. Пропан. На три атома углерода нужно три молекулы \(\ce{CO2}\), на восемь атомов водорода — четыре молекулы воды; кислорода — пять молекул.

\[\ce{C3H8 + 5 O2 -> 3 CO2 + 4 H2O}\]

2. Бутан. Здесь коэффициент при кислороде получается дробным, поэтому уравнение удваивают.

\[\ce{2 C4H10 + 13 O2 -> 8 CO2 + 10 H2O}\]

errorРазветвлённый изомер устойчивее и сгорает с меньшим выделением тепла

У изомеров одна и та же формула и одни и те же продукты сгорания, поэтому разница теплот сгорания равна разнице их энергий. Например, теплота сгорания 2,2-диметилпропана (3514 кДж/моль) меньше, чем у пентана (3536 кДж/моль): разветвлённая молекула лежит ниже по энергии, то есть устойчивее.

edit_noteПопробуйте сами

Сколько моль кислорода нужно для сгорания 1 моль гексана?

expand_moreПоказать решение

9,5 моль: \((3 \cdot 6 + 1)/2\).

Переработка нефти

Нефть — смесь алканов, и большая часть промышленной органики начинается с их переработки. Крекинг рвёт связи C–C по радикальному механизму (урок 145), а риформинг и изомеризация меняют форму углеродного скелета, не меняя его размера.

Как изменить углеводороды нефти

Термический крекинг (500 °C): радикальный разрыв C–C → алкан + алкен короче.
Каталитический крекинг (алюмосиликаты): через карбокатионы — разветвлённые продукты, выше октановое число.
Риформинг (Pt, 500 °C): дегидроциклизация — алканы → арены.
Изомеризация (\(\ce{AlCl3}\)): неразветвлённые → разветвлённые.

Крекинг декана, риформинг нонана, изомеризация гексана, дегидрирование бутана

Примеры

1. Термический крекинг декана. При 500 °C связь C–C рвётся гомолитически, и из одной молекулы получаются алкан и алкен с меньшим числом атомов углерода.

Разрыв C–C: одна половина забирает водород, другая теряет

2. Риформинг нонана. На платине при 500 °C цепь замыкается в шестичленное кольцо по атомам C1–C6, и после отщепления четырёх молекул водорода получается пропилбензол.

3. Дегидрирование бутана. На оксиде хрома при 600 °C бутан теряет две молекулы водорода и превращается в бута-1,3-диен — мономер для каучука.

errorОктановое число зависит от формы молекулы, а не от её размера

Изооктан (2,2,4-триметилпентан) принят за 100, гептан — за 0, хотя у них почти одинаковая масса. Разветвлённые алканы горят в двигателе ровнее и не детонируют, поэтому изомеризация и каталитический крекинг, дающие разветвлённые продукты, повышают качество бензина.

edit_noteПопробуйте сами

Что даст гексан при риформинге?

expand_moreПоказать решение

Бензол и водород.

push_pinГлавное

Полное горение: \(\ce{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O2 -> nCO2 + (n+1)H2O}\); при нехватке кислорода — CO и сажа. Крекинг (500 °C или катализатор) рвёт длинные цепи на алкан и алкен; каталитический крекинг идёт через карбокатионы и даёт разветвлённые углеводороды. Риформинг (Pt, 500 °C) превращает алканы в арены, изомеризация (\(\ce{AlCl3}\)) — в разветвлённые изомеры с высоким октановым числом.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.