מרכז ארצי למורי הכימיה - עמוד הבית

אתר נגיש חיפושדלג על חיפוש
Bannersדלג על Banners
חיפושדלג על חיפוש
סגירה
תוכן העמודדלג על תוכן העמוד

פחמימנים – הארכת השלד הפחמני

10/10/2019 15:34:32
פחמימנים – הארכת השלד הפחמני (הגדל)

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, CH3OCH3(g), מגז טבעי.

 

הקמת מפעלים

להקמת מפעלים המייצרים מוצרי המשך של גז טבעי בתהליך FTS – פחמימנים ארוכים, CnH2n+2 (n>5) מתאנול, CH3OH(l), די-מתיל אתר, CH3OCH3(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- H2(g).

בתהליך (1) נוצר סינגז בתגובה בין מתאן, CH4(g) (המרכיב העיקרי של גז טבעי) עם קיטור. התגובה מתרחשת בנוכחות זרז, בטמפרטורות ולחצים גבוהים: 

(1)  CH4(g) + H2O(steam) ® CO(g) + 3H2(g)     

בעודף קיטור מתרחש גם תהליך (2):

(2)  CO(g) + H2O(steam) ® CO2(g) + H2(g)     

השלב השני של FTS: קבלת פחמימנים ארוכים.

תערובת הסינגז משמשת כחומר גלם ליצירת חומרים שונים, ביניהם פחמימנים ארוכים, CnH2n+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)H2(g) ® CnH2n+2 + nH2O(l)

 

שאלה מספר 1

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

II. אחד משני הפחמימנים שרשמת בסעיף א' I הוא במצב צבירה גז בתנאי החדר והשני נוזל. זהה את הפחמימן במצב צבירה גז ונמק.

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

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

II. האם הפחמימן שרשמת בסעיף בI הוא במצב צבירה גז או במצב צבירה נוזל בטמפרטורת החדר? נמק בקיצור. העזר בתשובתך לסעיף א' II.

III. נסח תהליך מאוזן המתאר קבלת הפחמימן שרשמת בסעיף בI מסינגז.

 

בסרטון אנימציה המתארת הארכת שרשרת פחמימנית בנוכחות הזרז.

מקרא של האטומים בסרטון:

hemshech6.jpg

שאלה מספר 2

צפה בסרטון וענה על השאלות הבאות:

א. I. תאר את המבנה המיקרוסקופי של הזרז.

II. הסבר את תפקיד הזרז ברמה המיקרוסקופית.

ב. העזר בסרטון ורשום נוסחאות מולקולריות של מולקולה אחת המגיעה אל הזרז ומולקולה אחת שנוצרת על הזרז.

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

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

II. רשום נוסחה מולקולרית לפחמימן.

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

IV. לפניך 7 היגדים:

·         הקשרים הקוולנטיים במולקולה, C-C ו- C-H, חזקים מהקשר H-H.

·         למולקולה C10H22 ענן 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.

העתק את ההיגד/היגדים המסביר/מסבירים מדוע הפחמימן שזיהית 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

הסבר 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. צפה בסרטון ורשום 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

עבור לתוכן העמוד