Mục lục bài họcĐang ở d11-b2
Petroleum, alcohols, acids and polymers
Fractional distillation of petroleum
Crude oil is a mixture of hydrocarbons, separated in a fractionating column by their different boiling points.
The column is hot at the bottom and cooler at the top. Long-chain hydrocarbons have higher boiling points — because the larger molecules have stronger forces between them — so they condense low down. Short chains rise further before condensing.
From the top down: refinery gases · petrol · naphtha · kerosene · diesel · fuel oil · bitumen.
Cracking
Long-chain hydrocarbons are less useful than short ones, so they are cracked — broken into smaller molecules using heat and a catalyst.
$$\ce{C10H22 -> C8H18 + C2H4}$$Cracking always produces at least one alkene, because the fragments cannot all be saturated with the hydrogen available. That matters: alkenes are the feedstock for plastics.
Two reasons for cracking: it makes more petrol from surplus heavy fractions, and it makes the alkenes needed for polymers.
Ethanol — two routes
| fermentation | hydration of ethene | |
| raw material | sugar (renewable) | ethene from crude oil (finite) |
| conditions | yeast, about $30^{\circ}$C, no air | steam, catalyst, high temperature and pressure |
| rate | slow, batch process | fast, continuous |
| purity | needs distilling | pure |
Carboxylic acids and esters
Ethanol can be oxidised to ethanoic acid, which behaves like any acid — it turns litmus red and reacts with carbonates to give carbon dioxide.
An alcohol plus a carboxylic acid gives an ester and water. Esters have strong, often fruity smells and are used in flavourings and perfumes.
Polymers
Alkenes join end to end in addition polymerisation: many small monomers become one long polymer, and nothing else is produced.
$$n\,\ce{C2H4}\rightarrow \ce{-(CH2-CH2)_{n}-}$$The double bond opens so each monomer can bond to the next. This is only possible because alkenes are unsaturated — alkanes cannot polymerise.
Most addition polymers are not biodegradable, so disposal is a problem: landfill takes space, and burning can release toxic gases.
Chưng cất phân đoạn dầu mỏ. Dầu thô là một hỗn hợp hiđrocacbon, được tách trong tháp chưng cất dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau.
Tháp nóng ở đáy và mát dần lên đỉnh. Hiđrocacbon mạch dài có nhiệt độ sôi cao hơn — vì phân tử lớn hơn thì lực hút giữa các phân tử mạnh hơn — nên chúng ngưng tụ ở phần thấp. Mạch ngắn bay lên cao hơn rồi mới ngưng tụ.
Từ đỉnh xuống: khí nhà máy lọc dầu · xăng · naphtha · dầu hoả · dầu diesel · dầu đốt · nhựa đường.
Cracking (bẻ mạch). Hiđrocacbon mạch dài ít hữu dụng hơn mạch ngắn, nên chúng được bẻ mạch — cắt thành phân tử nhỏ hơn bằng nhiệt và chất xúc tác.
$$\ce{C10H22 -> C8H18 + C2H4}$$Cracking luôn tạo ra ít nhất một anken, vì lượng hiđro có sẵn không đủ để mọi mảnh đều no. Điều đó rất quan trọng: anken chính là nguyên liệu để làm nhựa.
Hai lý do phải cracking: tạo thêm xăng từ các phân đoạn nặng dư thừa, và tạo anken cần cho polime.
Etanol — hai con đường.
- Lên men: nguyên liệu là đường (tái tạo được); điều kiện là men, khoảng $30^{\circ}$C, không có không khí; chậm, làm theo mẻ; sản phẩm loãng nên phải chưng cất.
- Hiđrat hoá eten: nguyên liệu là eten từ dầu mỏ (hữu hạn); điều kiện là hơi nước, chất xúc tác, nhiệt độ và áp suất cao; nhanh, chạy liên tục; sản phẩm tinh khiết.
Axit cacboxylic và este. Etanol bị oxi hoá thành axit etanoic, và axit này hành xử như mọi axit — làm quỳ tím đỏ, phản ứng với cacbonat cho khí cacbon đioxit.
Ancol cộng axit cacboxylic cho este và nước. Este có mùi thơm mạnh, thường là mùi hoa quả, nên được dùng làm hương liệu và nước hoa.
Polime. Anken nối đuôi nhau trong phản ứng trùng hợp cộng: rất nhiều monome nhỏ nối thành một polime dài, và không sinh ra chất nào khác.
$$n\,\ce{C2H4}\rightarrow \ce{-(CH2-CH2)_{n}-}$$Liên kết đôi mở ra để mỗi monome nối được với monome kế tiếp. Việc này chỉ làm được vì anken không no — ankan không trùng hợp được.
Phần lớn polime cộng không phân huỷ sinh học, nên việc xử lý là một vấn đề: chôn lấp chiếm chỗ, còn đốt có thể sinh khí độc.
(a) Viết một phương trình cracking cho $\ce{C10H22}$. (b) Nêu hai lý do công nghiệp phải thực hiện phản ứng cracking. (c) Giải thích vì sao cracking luôn tạo ra ít nhất một anken.
(a) Một phương trình khả dĩ:
$$\ce{C10H22 -> C8H18 + C2H4}$$Kiểm cân bằng: vế trái có $10$ cacbon và $22$ hiđro; vế phải có $8+2=10$ cacbon và $18+4=22$ hiđro ✓.
(b) Hai lý do.
Một — cân đối cung cầu. Dầu thô chứa nhiều phân đoạn nặng hơn mức thị trường cần, trong khi nhu cầu xăng thì luôn vượt lượng có sẵn. Cracking biến phần dư thừa thành phần đang thiếu.
Hai — làm nguyên liệu cho nhựa. Cracking tạo ra anken, mà anken là monome cho toàn bộ ngành polime. Không có cracking thì không có nguồn eten công nghiệp.
(c) Vì sao luôn có ít nhất một anken. Xét số nguyên tử hiđro. Một ankan $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$ đã mang tối đa số hiđro có thể.
Khi bẻ nó thành hai mảnh, nếu cả hai mảnh đều là ankan thì tổng số hiđro cần sẽ là $(2a+2)+(2b+2)=2n+4$ — nhiều hơn $2n+2$ mà phân tử ban đầu có, và không có nguồn hiđro nào bù vào.
Vì thiếu đúng hai nguyên tử hiđro, ít nhất một mảnh phải không no, tức phải có một liên kết đôi. Đó chính là anken.
Lập luận này cũng cho biết vì sao anken là sản phẩm phụ tất yếu của lọc dầu chứ không phải thứ phải sản xuất riêng — và vì sao nhựa lại rẻ.
So sánh hai cách sản xuất etanol — lên men và hiđrat hoá eten — về nguyên liệu, điều kiện, tốc độ và độ tinh khiết. Nêu một hoàn cảnh mà mỗi cách là lựa chọn hợp lý hơn.
Lên men.
$$\ce{C6H12O6 ->[\text{men}] 2C2H5OH + 2CO2}$$- Nguyên liệu: đường từ cây trồng — nguồn tái tạo được;
- Điều kiện: men, khoảng $30^{\circ}$C, không có không khí;
- Tốc độ: chậm, và làm theo từng mẻ — xong mẻ này mới bắt đầu mẻ khác;
- Độ tinh khiết: dung dịch thu được chỉ khoảng $15\%$ etanol, phải chưng cất mới cô lại được.
Hiđrat hoá eten.
$$\ce{C2H4 + H2O -> C2H5OH}$$- Nguyên liệu: eten từ dầu mỏ — nguồn hữu hạn;
- Điều kiện: hơi nước, chất xúc tác axit photphoric, nhiệt độ và áp suất cao;
- Tốc độ: nhanh, và chạy liên tục;
- Độ tinh khiết: sản phẩm tinh khiết, không cần tách thêm.
Khi nào chọn cách nào.
Lên men hợp lý hơn ở nơi có nhiều cây trồng chứa đường và ít dầu mỏ — Brazil sản xuất cồn nhiên liệu từ mía theo cách này. Nó cũng là lựa chọn cho sản xuất quy mô nhỏ và cho đồ uống, vì thiết bị đơn giản.
Hiđrat hoá eten hợp lý hơn ở nơi cần etanol công nghiệp số lượng lớn và tinh khiết cao, và có sẵn hạ tầng lọc dầu. Quá trình liên tục cho sản lượng cao hơn nhiều trên cùng một nhà máy.
Sự đánh đổi cốt lõi: tái tạo được nhưng chậm và loãng, so với nhanh và tinh khiết nhưng phụ thuộc nguồn hữu hạn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Organic Chemistry gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.