By Morgan Pellati
idrocarburi
Cosa sono, e come li usiamo senza saperlo
L'INQUINMAMENTO
GLI IDROCARBURI TRA DI NOI
indICE
GLI IDROCARBURI
1.1
ALCANI, ALCHENI E ALCHINI
2.1
PRODOTTI
3.1
LA PRODUZIONE DEGLI IDROCARBURI
1.2
COMPOSTI AROMATICI
2.2
TABELLA RIASSUNTIVA
3.2
GLI EFFETTI
1.3
FONTI DI IDROCARBURI
3.3
L'INCIDENTE NELLE FILIPPINE
1.4
DIAGRAMMA RIASSUNTIVO
3.4
SOLUZIONI ALTERNATIVE AGLI IDROCARBURI
1: gli idrocarburi
Gli idrocarburi sono molecole organiche composte solamente da catene di carbonio ed idrogeno. Carbonio e idrogeno sono legati da un legame covalente puro che rende la molecola apolare gli idrocarburi si suddividono in: alcani, alcheni, alchini e composti aromatici.
gli idrocarburi
(2)
(1)
Le parole più importanti da ricordare quando si parla di idrocarburi sono: Lunghezza e ramificazione. Con lunghezza, intendiamo la quantità successiva di legami C-C ; per esempio un pentano (CH3CH2CH2CH2CH3) è più lungo di un propano (CH3CH2CH3); vedi immagine (1) Con ramificazione intendiamo quante "diramazioni" presenta la molecola; come per esempio vediamo il 2,3,5-trimetilpentano. vedi immagine(2) Esso presenta delle ramificazioni sul carbonio 2,3 e 5; a livello microscopico, queste ramificazioni rendono più stabile la molecola e quindi più difficile da separare, grazie all'azione di forze di attrazione molecolare di van der vals.
Queste due caratteristiche determinano le caratteristiche fisiche degli idrocarburi, quali temperatura di fusione, di ebbollizione, evaporazione e solubilita. Solitamente, all'aumentare della lunghezza e ramificazione della catena, questi valori aumentano, tranne nel caso della solubilità, la quale diminuisce, questo a causa della stabilità della molecola, la quale aumenta all'aumentare della lunghezza della catena e della ramificazioe, rendendo piu difficile la rottura dei legami.
la nomenclatura degli idrocarburi è determinata dalla lunghezza, dalla ramificazione e dalla presenza di doppi o tripli legami. innanzitutto bisogna identificare la catena + lunga; per fare ciò si prende un estremità e si traccia una linea (immaginaria o non) che percorre tutta la lunghezza della molecola senza interruzioni (1). Dopo cio bisogna identificare la presenza di ramificazioni e di eventuali doppi o tripli legami; si iniza sempre a contare dal gruppo funzionale più vicino ad una delle due estremità ( nel caso dell'etile non si indica la posizione poichè è sempre uguale). (2) Per dare il nome alla molecola prima si indica la posizione delle varie ramificazioni, disponendole in ordine alfabetico, mentre il nome della catena piu lunga varierà in basa alla presenza di 1+ doppi/tripli legami, di cui bisogna indicarne la posizione
(2)
(1)
in questo caso la molecola si chiamerà 2,3-dimetil, 2-pentene
nomenclatura
1.1: alcani, alcheni ed alchini
Prima di poter discutere di alcani, alcheni e alchini, prima dobbiamo fare un recap sulla struttura elettronica del carbonio. Il Carbonio presenta 6 elettroni, i quali possono essere disposti, seguendo la configurazione elettronica, in 1s2 2s2 2p2. Nel caso degli idrocarburi, il carbonio si comporta differentemente tra la teoria e la pratica: a livello teorico, il carbonio dovrebbe presentare livelli eneregetici diversi tra s2 e p2, ma praticamente si è scoperto che alcuni legami hanno la stessa lunghezza ed energia, di conseguenza, il modello adottato è stato cambiato, effettuando una "centrifugazione" elettronica, creando un livello intermedio di energia, sp.
alcani, alcheni e alchini
109,5°
Gli idrocarburi definiti alcani sono idrocarburi che presentano solamente legami semplici C-H. Nel caso degli alcani, la configurazione elettronica diventa 1s2 sp3; sp3 indica che, 3 sono gli elettroni centrifugati, + 1 che appartiene in s, per un totale di 4 elettroni sp3. I legami che formano gli alcani sono chiamati legami σ, e intercorrono quando due carbonii, o un C-H mettono in condivisione rispettivamente due elettroni sp3 o 1 sp3+ 1s. Questi legami formano una zona elettronica parallela all'asse di legame, creando angoli di 109,5°, i quali danno una struttura tetraedrica alla molecola.
gli alcani
120°
Gli idrocarburi definiti alcheni sono idrocarburi che presentano legami doppi C-C. Nel caso degli alcheni si è scopero che essi posseggono due livelli di energia diversi; sp e p; per questo la nuova configurazione elettronica diventa 1s2 sp2 p; I legami che formano gli alcheni sono chiamati legami π, e intercorrono quando due carbonii mettono in condivisione rispettivamente un elettrone sp2 e 1 p. Questi legami formano una zona elettronica perpendicolare all'asse di legame, creando angoli di 120°, i quali danno una struttura piramidale planare alla molecola. la particolarità dei legami del carbonio negli idrocarburi è che piu sono i legami nella stessa zona, piu il legame risulta corto e instabile
gli alcheni
Gli alchini sono molto simili agli alcheni. Essi presentano un collegamento tra due carbonii tramite la condivisione di un elettrone sp + 2p; in questo caso la molecola risulterà con angoli di 180° e una struttura lineare. la sua configurazione elettronica è 1s2 sp 2p
gli alchini
1.2: i composti aromatici
I composti aromatici sono tutti quei composti caratterizzati dalla presenza del benzene. Il Benzene, o circolo aromatico, è una molecola particolarmente interessante per le sue proprietà; esso è ha una struttura simile all' 1,3,5-ciclotriene, ma la sua particolarità sono i "doppi legami " che presenta. I legami del benzene, nonostante siano indicati come doppi legami, in realtà sono più una nube elettronica in continuo movimento, presente sia sopra che sotto al piano della molecola. per questa sua caratteristica, esso non puo essere indicato con una singola struttura, ma in tutte le strutture che lo spostamento degli elettroni può formare, ovvero le strutture di Kekulè
i composti aromatici
Questo strano comportamento del benzene è facilmente dimostrabile nel momento che si va a fare una reazione di addizione al doppio legame, o di idrogenzione. la reazione di idrogenzazione consiste nel legare dell'idrogeno (H2) ai vari doppi legami, ottenendo una reazione di sostituzione elettrofila, ed eliminando i doppi legami, con rilascio di energia. I problema che insorge è la quantità di energia rilasciata. quando si va a fare questa reazione con il 1,3,5-ciclotriene, la quantita di energia rilasciata è di ~90 kcal/mol. con il benzene si è notato che l'energia rilasciata è circa la metà, e cio va a smentire la presenza di doppi legami.
"es: Solfonazione"
reattività
L'unica reazione che il benzene può dare, è la reazione di sostituzione elettrofila, cioè una reazione dove un elettrofilo, si unisce al benzene, creando una nuova molecola. Questa reazione può essere di vari tipi, come la nitrazione, la solfonazione, oppure alchilazione di Friedel-Crafts o acetilazione. La solfonazione è l'unica reversibile. Il processo si divide in vari step: creazione dell'elettrofilo, attacco dell'elettrofilo, stacco dell'idrogeno, e formazione della nuova molecola.
1.4: fonti di idrocarburi
Ormai la nostra società è incentrata sull'utilizzo degli idrocarburi, raffinati e non. I principali prodotti utilizzati dall'industri e anche da noi, sono: il petrolio, il gas naturale, e il carbone.
fonti di idrocarburi
Il petrolio, anche chiamato oro nero o greggio, è una sostanza verde, viscosa ed infiammabile composta principalmente da idrocarburi appartenenti alle classi degli alcani, cicloalcani e in quantità minore da idrocarburi aromatici. La percentuale di questi idrocarburi varia a seconda del giacimento petrolifero da cui viene estratto il petrolio: mediamente, il petrolio contiene il 30% di paraffine, il 40% di nafteni, il 25% di idrocarburi aromatici, mentre il restante 5% è rappresentato da altre sostanze, come solforati, azotati e ossigenati. per raffinare il petrolio si utilizza una tecnica chiamata distillazione frazionata TBT (true boiling point), che sfrutta la temperatura di ebbolizione dei vari idrocarburi per suddividerli e raffinarli.
il petrolio
Il petrolio deriva dalla trasformazione di materiale biologico in decomposizione. Il primo a sostenere tale teoria fu lo scienziato russo Lomonosov nel XVIII secolo; La sua teoria fu confermata nel 1877 da Mendeleev. Ulteriore conferma a tale ipotesi fu fornita da Alfred E. Treibs, che evidenziò l'analogia strutturale tra una molecola di metalloporfirina che aveva rintracciato nel petrolio nel 1930 e la molecola della clorofilla Secondo tale teoria, il materiale biologico dal quale deriva il petrolio è costituito da organismi unicellulari marini vegetali e animali rimasti sepolti nel sottosuolo centinaia di milioni di anni fa Successivamente, a causa della continua crescita dei sedimenti, si ha un innalzamento della temperatura (fino a 65-150 °C) che porta allo sviluppo di processi chimici di degradazione termica che trasformano il cherogene in petrolio.
formazione del petrolio
Il gas naturale è un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica di materiale organico. Viene però anche prodotto dai processi di decomposizione correnti nelle paludi (gas di palude), nelle discariche, durante la digestione negli animali e in altri processi naturali. Viene, infine, sprigionato nell'atmosfera anche da eruzioni di origine vulcanica. Il principale componente del gas naturale è il metano (CH4); normalmente contiene anche idrocarburi gassosi più pesanti come etano, propano e butano, nonché, in piccole quantità, pentano. Sono sempre presenti modeste percentuali di gas diversi dagli idrocarburi, ad esempio anidride carbonica (CO2), azoto, ossigeno , gas nobili, solfuro di idrogeno (H2S) e mercurio (Hg). Il solfuro d'idrogeno e il mercurio sono considerati i contaminanti più nocivi, che devono essere rimossi prima di qualsiasi utilizzo. Esso viene principalmente utilizzato come carburante e combustibile
il gas naturale
Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile costituito da una roccia sedimentaria di colore nero o bruno scuro. La formazione del carbone risale a circa 345 milioni di anni fa, quando un clima caldo e umido e un'elevata concentrazione di CO2 favorirono la crescita di alberi giganti: dopo la loro morte, provocata da inondazioni, si veniva a creare un ampio strato di legname, che non veniva degradato a causa dell'assenza di funghi e batteri specifici ancora non sviluppati, coperto poi da vari strati di altri sedimenti che lo sottoponevano a pressioni elevate e all'assenza di ossigeno. Questo continuo processo ha portato alla formazione di quelli che conosciamo come carboni fossili. Il carbone è una delle principali fonti di energia dell'umanità. Nel 2010 circa il 40% dell'energia elettrica mondiale è stata prodotta nelle centrali a carbone
il carbone
"Lignite"
"torba"
in base al periodo di "maturazione" del carbone, esso assume caratteristiche e nomi differenti.- Torba: La torba non è un vero e proprio carbone fossile, in quanto deriva da piante erbacee che hanno subito una trasformazione parziale. Ha un aspetto spugnoso o addirittura filamentoso e un colore scuro; è poco usata come combustibile, infatti il principale utilizzo è come fertilizzante, dato che si impregna facilmente con i concimi.
- Lignite: la sua formazione risale a circa 80 milioni di anni fa. Questo carbone presenta ancora la struttura del legno da cui ha avuto origine.
La lignite possiede un'umidità relativa piuttosto elevata, mediamente superiore al 21% (può superare anche il 45%) e la sua carbonificazione non è mai del tutto completa, ciò ne fa un combustibile di limitato pregio.In base al tenore di umidità della lignite, essa assume nomi differenti: lignite picea (20-25%), lignite xiloide (40-70%) o lignite torbosa (>70%)
tipi di carbone
"Antracite"
"Litantrace"
3. Litantrace: Il litantrace è il carbone fossile inteso nel senso vero e proprio del termine; Ha un contenuto di carbonio tra il 75% e il 90% . La sua formazione risale a circa 250 milioni di anni fa e si trova in strati compressi tra rocce di composizione diversa. Duro e compatto, presenta in genere una percentuale di umidità molto bassa, dell'ordine del 2-3% 4. Antracite: È il più antico carbone proveniente da resti vegetali preistorici; contiene una percentuale di carbonio pari al 90%. L'antracite è il carbone di qualità superiore, usato principalmente per il riscaldamento domestico. È duro, fragile e nero lucido, contiene un'alta percentuale di carbonio fissato e una bassa percentuale di materia volatile.
tipi di carbone
il processo consiste in una riduzione del monossido di carbonio (CO) ad opera dell'idrogeno (H2) in condizioni di temperatura comprese tra i 170-220 °C e pressione di 1-10 atmosfere. La reazione viene condotta su un letto catalitico costituito da ossido di cobalto, cobalto metallico, ossido di magnesio e biossido di torio supportato da farina fossile. In tal modo è possibile ottenere idrocarburi caratterizzati da diversa grandezza della catena carboniosa e diverso grado di saturazione. Sostituendo l'ossido di cobalto con l'ossido ferrico si ottengono prevalentemente idrocarburi di basso peso molecolare.
Il carbone puo venire raffinato seguendo 3 principali processi: Gasificazione, liquefazione e grafitazione- Gasificazione: la gasificazione è un processo di degradazione termica che avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di una percentuale di un agente ossidante, tipicamente ossigeno o vapore.
La miscela gassosa risultante costituisce quello che viene definito gas di sintesi, come metono o gasolio, e rappresenta essa stesso un combustibile. 2. Liquefazione: la luquefazione consiste in un processo di trasformazione del crabone in benzina, tramite l'utilizzo di CO e H2; diversi sono i processi che possono venire utilizzzati, ma il piu efficente e riconosciuto è quello di Fischer-Tropsch.
raffinazione del carbone
raffinazione del carbone
3. Grafitazione: La grafitizzazione (o grafitazione) è il processo di trasformazione del carbone non grafitico in carbone grafitico con struttura ordinata regolare tridimensionale di grafite mediante trattamento termico ad alta temperatura, sfruttando appieno il calore per riscaldare il materiale del carbone a 2300~3000 ℃ e trasformando il carbone con struttura a strati caotici amorfi in struttura cristallina di grafite ordinata.
Bitume
Paraffina
Oli lubrificanti
Oli combustibili
Cherosene
Benzina
Gasolio
GPL
Grafite
Metano
Gasolio
Benzina
Etilene
Metanolo
Ammoniaca
Carbone
Gas naturale
Petrolio
1.4: diagramma
2: Gli idrocarburi tra di noi
gli idrocarburi tra di noi
Nella nostra società, gli idrocarburi sono beni necessari, poiche non solo vengono utilizzati nella produzione di elettricita o calore, ma anche in diversi prodotti di uso quotidiano. E importante soffermarsi su questo aspetto poichè nonostante il mondo stia cercando di migliorarsi, tramite l'utilizzo di prodotti riciclabili e biocompatibili, rimangono comunque molti i prodotti che non possono venire riciclati e che quindi risultano fortemente inquinanti per il nostro pianeta. Oggi ci soffermeremo solo su alcuni prodotti: saccehtti della spazzatura, flaconi di plastica, Benzina, vasellina e candele in paraffina.
sacchetti della spazzatura
Prima della rivoluzione ecologica, i sacchetti della spazzatura, come la tutti i prodotti plastici, non erano degradabili. Grazie alla ricerca scientifica, oramai molti dei prodotti plastici sono degradabili. I sacchetti della spazzatura, che possiamo usare per l'umido o per prodotto indifferenziato, sono formati dal 100% di polietilene a bassa densità. Per la produzione dei sacchetti, si parte dalla materia prima fossile ovvero petrolio o metano, che vengono riscaldati in modo da rilasciare l'etilene. Mediante il calore e la pressione, questo gas si trasforma in polietilene in polvere che verrà poi fuso in un estrusore; Il composto risultante viene premuto con dischi forati fino a ottenere granuli di polietilene. Mediante la cosiddetta estrusione di film soffiato il granulato viene riscaldato a diversi livelli e condensato, diventando un composto liquido, che infine, con una testa di soffiaggio, verrà schiacciato verso l'alto, gonfiato e quindi rimosso dall'alto.
Flaconi in plastica
I flaconi i plastica sono composti prevalentementa da PTE, ovvero polietilene tereftalato. Esso si tratta di una materia sintetica che trae origine dalla famiglia del poliestere e realizzata con petrolio, gas naturale e materie prime pregiate. Il processo di stampaggio per soffiaggio nella lavorazione delle materie plastiche è costituito da alcune fasi: Introduzione del materiale grezzo sotto forma di granuli in un cilindro riscaldato. Estrusione e iniezione del materiale diventato pastoso, in modo da formare una preforma tubolare in plastica. Chiusura della preforma in un apposito stampo opportunamente sagomato rispettando la forma finale del prodotto. Soffiatura di aria nella plastica, fino a farla aderire alle pareti dello stampo. Con il raffreddamento del materiale e l’apertura dello stampo si conclude il processo di soffiaggio e fuoriesce il prodotto finale.
candele in paraffina
Le candele in paraffina sono composte per il 100% di paraffina. La paraffina è un derivato diretto della raffinazione del petrolio, ed è formata da una miscela di idrocarburi solidi, in prevalenza alcani, le cui molecole presentano catene con più di 20 atomi di carbonio. La produzione avviene in modo rotativo con progressivo avanzamento per carico paraffina, pressata ed espulsa.
Vasellina
La Vasellina viene utilizzatea nella maggior parte dei cosmetici, nei prodotti per l'igiene personale, per la cura della pelle e nei lubrificanti. La vaselina, direttamente prodotta dalla raffinazione del petrolio rientrando nella categoria degli oli lubrificanti, è una miscela variabile di idrocarburi (C18−C24 in preponderanza saturi delle serie paraffinica e naftenica, e in piccolissima parte non saturi delle serie etilenica e diolefinica
benzina
La Benzina, è una miscela di idrocarburi come l'esano e il dodecano, che deriva direttamente dalla distillazione del petrolio. solamente il 10% del petrolio si trasforma in benzina, la quale viene poi introdotta, insieme ad alcuni alcoli, all'interno di particolari botti per il mantenimento.
3: L'inquinamento
lìinquinamento
La maggior parte degli idrocarburi sono prodotti dalla distillazione frazionata del petrolio, oppure si possono trovare direttamente in natura, come il gas naturale o il carbone. Essi vengono utilizzati principalmente in fabbriche ed industrie, le quali rilasciano CO2 prodotta dalla combustione degli idrocarburi, nell'atmosfera. inoltre il trasporto dello stesso carburante compete nell'aumento dell'inquinamento.
Gli effetti dell'inquinamento
L'inquinamento causato dal rilascio di idrocarburi semi-combusti e di anidride carbonica, non colpisce solamente la qualità dell'aria, ma causa anche grandi effetti collaterali agli ecosistemi. La presenza di polimeri all'interno dell'aria, puo causare lo sviluppo di malattie respiratorie o patologie oncologiche che possono portare a gravi condizioni di salute nell'uomo. Possono inoltre svilupparsi pioggie acide a causa del deposito di metalli pesanti, utilizzati nella raffinazione e trattamento degli idrocarburi, nelle nuvole; per non parlare dell'innalzamento della temperatura globale, che sta portando allo scioglimento dei ghiacciai e all'estinzione di specie animali e vegetali ed ecosistemi; anche le stagioni sono alterate dall'inquinamento
incidenti gravi
Un grave problema, e causa di pesante inquinamento, è la precarietà ed inadeguatezza nel trasporto dei combustibili fossili; molto spesso si parla di navi petroliere che si ribalta nell'oceano, rilasciando tonnellate di petrolio che crea enormi macchiene nere che distruggono ecosistemi e uccidono esseri marini. Purtroppo questa è una realtà molto vicina a noi, come per esempio, meno di un mese fa, una petroliera si è ribaltata nelle Filippine, nella baia di Manila, rilasciando 1,4 milioni di litri di petrolio nell'oceano, per poi affondare a quasi sette chilometri al largo del comune di Limay, nella provincia di Bataan. Anche nel 2023, un altra petroliera, la Princess Empress, con a bordo 800mila litri di petrolio, si ribaltò al largo della provincia di Mindoro Orientale, a sud-est di Manila. Queste perdite di petrolio hanno causato la distruzione completa di una delle piu belle baie del mondo, lasciando solamente una grande pozza nera.
soluzioni rinnovabili
Diverse sono le soluzioni che si possono proporre per diminuire l'inquinamento:- Innanzitutto rendere più efficente la produzione di energia sostenibile, disponendo più fondi per la costruzione di strutture ecosostenibili; infatti la produzione di elettricità è ancora in gran parte ad opera di combustibili fossili e nucleari, rendendo vana la scelta dell'elettrico a livello automobilistico.
- Diminuire il prezzo delle automobili elettriche; il costo medio di una vettura elettrica è di 40.000 €, il quale risulta esponenzialmente alto e non accessibile a tutti; se vogliamo diminuire le emissioni di CO2 dovremo aumenatare gli ecoincentivi e diminuire il prezzo di vendita.
- preservare zone ad alto rischio, come ecosistemi fragili o in gravi condizioni, come la barriera corallina, bloccando il traffico di navi cargo o petroliere per evitare di incorrere in altri incidenti come in quello nelle Filippine.
Fonti: wikipedia, Semicorex.com, fisem.it, Kaiserkraft.com, greenpeace.com
grazie per l'attenzione
