מקור האנרגיה של מכוניות עד המחצית של המאה העשרים היה דלק נוזלי בלבד. כפי שנאמר בפתיח, בגרמניה מקור האנרגיה היה פחם מוצק בלבד שכמובן לא ניתן להשתמש בו כדלק למכוניות.

שני המדענים פישר וטרופש פיתחו תהליך, FTS Fischer-Tropsch Synthesis, , בו פחם מוצק משמש כחומר גלם לייצור דלק נוזלי, CTL  Carbon To Liquid,. בהמשך התהליך שוכלל וניתן היה לקבל חומרים נוזלים גם מפחמימנים במצב צבירה גזי, GTL Gas To Liquid,. כיום נפוץ תהליך GTL לייצור מוצרי המשך, לדוגמה: מתאנול, CH₃OH_(l), די מתיל אתר, CH₃OCH_3(g), מגז טבעי.

הקמת מפעלים

להקמת מפעלים המייצרים מוצרי המשך של גז טבעי בתהליך FTS – פחמימנים ארוכים, C_nH_2n+2 (n>5) מתאנול, CH₃OH_(l), די-מתיל אתר, CH₃OCH_3(g) – נדרש כסף רב (מיליארדי דולרים). לכן אין הרבה מפעלים כאלו בעולם.

בתחילת המאה ה- 20 גרמניה ודרום אפריקה לא יכלו לייבא נפט בגלל אמברגו של מדינות שונות ולכן הקימו מפעלים במטרה ליצור דלק נוזלי מפחם, CTL, ובהמשך גם מגז טבעי, GTL.

במדינת טרינידד-טובגו נמצאו מאגרים גדולים של גז טבעי. חלק מהגז שנשאב ממאגרי הגז בטרינידד טובגו נמכר והכסף שהתקבל אפשר למדינה להקים מפעלים המייצרים GTL בתהליכי FTS. הקמת מפעלים אלו הפכה את טרינידד-טובגו למדינה משגשגת ועשירה.

כיום מוקמים גם מפעלים בקנה מידה קטן יותר שעלותם נמוכה יותר במקומות אחרים בעולם: ארצות הברית ופינלנד.

מהו תהליך FTS?

השלב הראשון של FTS: קבלת תערובת גזים- סינגז, SynGas, CO_(g) ו- H_2(g).

בתהליך (1) נוצר סינגז בתגובה בין מתאן, CH_4(g) (המרכיב העיקרי של גז טבעי) עם קיטור. התגובה מתרחשת בנוכחות זרז, בטמפרטורות ולחצים גבוהים: 

(1)      CH_4(g) + H₂O_(steam) → CO_(g) + 3H_2(g)v

בעודף קיטור מתרחש גם תהליך (2):

    (2)      CO_(g) + H₂O_(steam) → CO_2(g) + H_2(g)c     

השלב השני של FTS: קבלת פחמימנים ארוכים.

תערובת הסינגז משמשת כחומר גלם ליצירת חומרים שונים, ביניהם פחמימנים ארוכים, C_nH_2n+2 (n  - מספר אטומי הפחמן בפחמימן, n>5). גם בשלב זה נדרשים זרז ותנאי טמפרטורה ולחץ מתאימים. שינוי בתנאי התגובה (זרז, טמפרטורה ולחץ) משפיעים על סוגי החומרים שיתקבלו בריאקטורים (מכלי התגובה). תגובה (1) מתארת קבלת פחמימנים ארוכים מסינגז:

nCO_(g) + (2n+1)H_2(g) → C_nH_2n+2 + nH₂O_(l)s 

שאלה מספר 1

א. I. רשמוןנוסחאות מולקולריות לפחמימנים עבורם n=4 ו- n=5.

II. אחד משני הפחמימנים שרשמתם בסעיף א' I הוא במצב צבירה גז בתנאי החדר והשני נוזל. זהו את הפחמימן במצב צבירה גז ונמקו.

III. נסחו תהליך שריפה של הפחמימן שהוא נוזל בתנאי החדר.

ב. I. רשמו נוסחה מולקולרית לפחמימן עבורו n=6.

II. האם הפחמימן שרשמתם בסעיף בI הוא במצב צבירה גז או במצב צבירה נוזל בטמפרטורת החדר? נמקו בקיצור. העזרו בתשובתכם לסעיף א' II.

III. נסחו תהליך מאוזן המתאר קבלת הפחמימן שרשמתם בסעיף בI מסינגז.

בסרטון אנימציה המתאר הארכת שרשרת פחמימנית בנוכחות הזרז.

מקרא של האטומים בסרטון:

שאלה מספר 2

צפו בסרטון וענו על השאלות הבאות:

א. I. תארו את המבנה המיקרוסקופי של הזרז.

II. הסבירו את תפקיד הזרז ברמה המיקרוסקופית.

ב. העזרו בסרטון ורשמו נוסחאות מולקולריות של מולקולה אחת המגיעה אל הזרז ומולקולה אחת שנוצרת על הזרז.

ג. בדקה ה-0.25 מתחיל להיווצר פחמימן ארוך על הזרז. עקבו אחרי היווצרות מולקולות הפחמימן עד לזמן בו הן "עוזבות" את הזרז, וענו על השאלות:

I. כמה אטומי פחמן יש במולקולה ה"עוזבת" את הזרז?

II. רשמו נוסחה מולקולרית לפחמימן.

III. רשמו ייצוג מקוצר לשני איזומרים לפחמימן: איזומר אחד לא מסועף ואיזומר אחד מסועף.

IV. לפניכם 7 היגדים:

• הקשרים הקוולנטיים במולקולה, C-C ו- C-H, חזקים מהקשר H-H.
• למולקולה C₁₀H₂₂ענן אלקטרונים גדול מענן אלקטרונים של מולקולות C₄H₁₀.
• בין מולקולות C₁₀H₂₂ אינטראקציות ון-דר-ולס חזקות מהאינטראקציות בין מולקולות C₄H₁₀.
• בין מולקולות C₁₀H₂₂ קשרי מימן חזקים מקשרי המימן בין מולקולות C₄H₁₀.
• בין מולקולות C₁₀H₂₂ קשרים מתכתיים חזקים מהקשרים בין המולקולות C₄H₁₀.
• בין מולקולות C₁₀H₂₂ קשרים יוניים חזקים מהקשרים בין המולקולות C₄H₁₀.
• הקשרים בין מולקולות C₁₀H₂₂ חזקים מהקשרים בין המולקולות C₄H₁₀.

העתיקו את ההיגד/היגדים המסביר/מסבירים מדוע הפחמימן שזיהיתם בסעיף ג' II הוא במצב צבירה נוזל.

השלב השלישי של FTS

א. זיקוק

בתום התהליך מתקבלת תערובת של פחמימנים (פחמימנים להם מספר שונה של אטומי פחמן) הקרויה Syncrude. במטרה לקבל פחמימנים בהם ניתן לעשות שימוש כדלק לתחבורה ולשימושים נוספים, מזקקים את התערובת.

שאלה מספר 3

הסבירו מהו תהליך זיקוק.

ב. פיצוח פחמימנים

תהליך נוסף שעוברת תערובת הפחמימנים היא פיצוח. בתהליך הפיצוח פחמימנים ארוכים "נשברים" ומתקבלים פחמימנים קצרים יותר (פחות אטומי פחמן במולקולות). תהליך הפיצוח יכול להתרחש בטמפרטורות ובלחצים גבוהים, או בנוכחות זרז בטמפרטורות ולחצים נמוכים יותר. בהעדר מימן מתקבלת תערובת של  פחמימנים רוויים (ללא קשרים כפולים) ולא רווים (עם קשרים כפולים) ואילו בנוכחות מימן מתקבלים פחמימנים רווים. בחירה של נוכחות או העזר מימן, זרז, טמפרטורה ולחץ מתאימים מאפשרים לקבל את התוצרים הרצויים.

שאלה מספר 4

בקטע מהסרטון הבא מוצג פיצוח פחמימנים ארוכים. צפו בסרטון ורשמו נוסחאות מולקולריות וייצוג מלא של נוסחאות מבנה לארבעת הפחמימנים המוצגים בסרטון בדקות:

הערה: רצוי לעצור את הסרטון במטרה לזהות את תוצר הפיצוח.

א.  2:25

ב.  2:27

ג.  2:29

ד.  2:31