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Crack! A molti di noi è già capitato di far cadere a terra qualcosa di fragile, come un bicchiere, un barattolo di marmellata, un piatto o un uovo. L'oggetto si frantuma, si rompe in tanti piccoli pezzi.
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Send FeedbackMa la rottura di un determinato oggetto, non deve essere per forza una cosa negativa. Certo, rompere un piatto non è molto divertente, ma se non si rompe un uovo, non si potrà mai fare una frittata con il gustoso bianco e il tuorlo all'interno. Rompere un oggetto in pezzi più piccoli per renderlo più utile è molto simile al cracking chimico.
Quando rompiamo un biscotto della fortuna, lo spezziamo a metà per scoprire il messaggio all'interno. Quando rompiamo una noce di cocco, siamo ricompensati con una rinfrescante acqua di cocco. In entrambi i casi, rompiamo un oggetto più grande in pezzi più piccoli per renderlo più utile. Questo avviene anche nel cracking in chimica.
Il cracking chimico è il processo di scomposizione di grandi molecole in molecole più piccole e più utili. È un tipo di reazione di decomposizione termica.
Il termine cracking è più comunemente usato per descrivere la scomposizione delle frazioni di idrocarburi a catena lunga del petrolio greggio in alcani e alcheni a catena più corta. Ciò comporta la rottura di un legame singolo C-C. Il cracking degli idrocarburi sarà l'argomento principale del nostro articolo di oggi.
In primo luogo, perché si rompono gli idrocarburi? Per renderli economicamente più validi.
Come avrai capito dall'articolo Distillazione frazionata, molti dei nostri idrocarburi provengono dalla distillazione del petrolio greggio. La distillazione frazionata produce diverse frazioni di idrocarburi, ciascuna con utilità e requisiti diversi.
L'utilità delle diverse frazioni di greggio crea un problema: la loro offerta non soddisfa la loro domanda! Ad esempio, il petrolio greggio proveniente dal Mare del Nord contiene in genere oltre l'88% di idrocarburi a catena lunga C10+. Ci ritroviamo con un sacco di idrocarburi a catena lunga di riserva e poco da fare con essi!
Gli idrocarburi C10+ hanno catene lunghe almeno dieci atomi di carbonio. Gli idrocarburi C6 - C12, come quelli presenti nella nafta, hanno catene lunghe tra sei e dodici atomi di carbonio.
Tuttavia, esiste una soluzione. Per rendere economicamente più valide le frazioni a catena più lunga in eccesso, possiamo romperle in prodotti più utili. Gli idrocarburi prodotti hanno una domanda molto più alta e sono molto più utili degli idrocarburi a catena più lunga originali, rendendo il cracking una reazione economicamente significativa. Esploriamo ora i prodotti del cracking.
Il cracking chimico scompone gli idrocarburi a catena più lunga in due tipi di idrocarburi più piccoli:
Il processo è casuale, il che significa che non possiamo controllare esattamente le molecole che otteniamo. Tuttavia, non ha molta importanza: entrambi i tipi di prodotti sono molto più utili degli idrocarburi originali a catena più lunga. Con il cracking, possiamo trasformare molecole relativamente inutili che probabilmente non useremmo altrimenti in molecole relativamente utili che migliorano notevolmente la nostra vita.
Il cracking produce innanzitutto alcani a catena corta. Questi, come già sappiamo, hanno una richiesta maggiore rispetto agli idrocarburi a catena più lunga. Sono utilizzati principalmente come carburanti, ma anche negli accendini, negli aerosol e altro ancora.
Il cracking produce anche alcheni.
Gli alcheni sono idrocarburi insaturi che contengono almeno un doppio legame C=C.
Gli alcheni sono considerati più utili degli idrocarburi originali a catena più lunga per diversi motivi:
Per saperne di più su questi idrocarburi, consultare la sezione Alcheni.
Sappiamo quindi perché il cracking è importante e cosa produce. Passiamo ora a discutere i diversi tipi di cracking.
Esistono due diversi metodi di cracking comunemente utilizzati per scindere gli idrocarburi:
Poiché gli idrocarburi come gli alcani sono relativamente poco reattivi a causa dei loro forti legami C-C e C-H non polari, sono necessarie condizioni particolarmente drastiche per la loro rottura. Tuttavia, hanno anche delle differenze. Vediamo ora i tipi di cracking.
Il cracking termico consiste nel sottoporre gli alcani a condizioni estreme di temperatura e pressione per un breve periodo di tempo, di solito un secondo. In genere si utilizza una temperatura molto elevata di 700-1200 K e una pressione elevata di 7000 kPa. L'alcano si scinde in modo omolitico, ovvero un elettrone della coppia di legami va a ciascuna delle nuove molecole formate. Si formano così due radicali liberi.
Un radicale libero è un atomo o una molecola estremamente reattiva con un elettrone spaiato nel suo orbitale più esterno.
I radicali liberi reagiscono ulteriormente per produrre vari idrocarburi, ma soprattutto alcheni. Tuttavia, il mantenimento di queste condizioni estreme richiede molto combustibile. Pertanto, il cracking termico ha un grande impatto economico e ambientale.
Il cracking catalitico si distingue dal cracking termico perché utilizza un catalizzatore.
Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di reazione abbassando l'energia di attivazione necessaria perché la reazione avvenga.
Il cracking catalitico avviene a 700 K e a una pressione leggermente superiore ai livelli atmosferici, ma utilizza un catalizzatore a cristalli di zeolite. Si tratta di un reticolo complesso, composto da alluminio, silicio e ossigeno, con una struttura a nido d'ape per aumentarne la superficie. Purtroppo, gli idrocarburi più grandi non possono essere rotti in questo modo perché sono troppo grandi per essere inseriti nel catalizzatore.
Il cracking catalitico produce un'elevata percentuale di alcani a catena corta, ramificati e ciclici, oltre a composti aromatici come il benzene. Inoltre, richiede una quantità di combustibile decisamente inferiore rispetto al cracking termico.
Un composto aromatico contiene un anello di elettroni delocalizzati, spesso noto come anello benzenico. Per saperne di più, consulta la sezione Chimica aromatica.
La tabella seguente ti aiuterà a riassumere le tue conoscenze confrontando il cracking termico e catalitico.
| Nome | Cracking Termico | Cracking Catalitico |
| Temperatura | Molto alta (700 - 1200 K) | Alta (700 K) |
| Pressione | Alta (7000 kPa) | Leggermente alta |
| Catalizzatore | Nessuno | Cristallo di zeolite |
| Prodotti | Principalmente alcheni | Principalmente alcani a catena corta/ramificata |
| Vantaggi | Può rompere idrocarburi più grandiProduce una grande percentuale di alcheni | Bassi costi di carburanteBasso impatto ambientale |
| Svantaggi | Elevati costi del carburanteGrande impatto ambientale | Non può essere utilizzato per gli idrocarburi più grandi |
Il cracking è un processo in gran parte casuale. È impossibile prevedere esattamente quali molecole verranno prodotte. Ciò significa che esistono più equazioni e prodotti potenziali per ogni reazione e l'esaminatore potrebbe sottoporti a vari test. In genere si tratta di trovare un reagente o un prodotto idrocarburico sconosciuto. Tuttavia, è abbastanza facile "interpretare" le equazioni di cracking! La cosa importante da ricordare è che l'equazione deve essere bilanciata: il numero di atomi di carbonio e di atomi di idrogeno su ciascun lato dell'equazione deve essere lo stesso.
Ecco un metodo approssimativo per iniziare:
Diamo un'occhiata.
Il decano (C10H22) può essere sottoposto al cracking per produrre ottano (C8H18) ed un'altra molecola.
Per il punto a, inizieremo a scrivere la nostra equazione, utilizzando CxHy per rappresentare il prodotto incognito. Attualmente si presenta come segue:
C10H22 → C8H18 + CxHy
Qui, x e y rappresentano rispettivamente le quantità sconosciute di atomi di carbonio e di idrogeno. Tuttavia, possiamo ricavare questi valori bilanciando l'equazione.
Per trovare x, consideriamo il carbonio. Abbiamo dieci atomi di carbonio sul lato sinistro dell'equazione e quindi ci devono essere dieci atomi di carbonio sul lato destro. Abbiamo già otto atomi di carbonio nel primo prodotto, l'ottano, e quindi rimangono 10 - 8 = 2 carboni. Pertanto, x = 2.
Possiamo eseguire lo stesso procedimento con l'idrogeno. Ci sono ventidue atomi di idrogeno sul lato sinistro e quindi ne servono ventidue sul lato destro. Abbiamo già diciotto atomi di idrogeno nel primo prodotto, l'ottano, e quindi rimangono 22 - 18 = 4 idrogeni. Pertanto, y = 4.
Ora basta sostituire i valori di x e y nell'equazione. Ecco la risposta finale:
C10 H22 → C8H18 + C2H4
Il punto b ci chiede di nominare il secondo prodotto. C2H4 è un alchene noto come etene.
Non preoccuparti se non sai ancora come nominare gli alcheni: lo scoprirai più avanti nell'articolo Alcheni.
Qui, un altro esempio:
Una mole di alcano X viene sottoposta al cracking per produrre una mole di eptano (C7H16) e due moli di propene (C3H6). Dedurre la formula di X.
Ancora una volta, inizieremo scrivendo un'equazione con ciò che sappiamo. Produciamo due moli di propene:
CxHy → C7H16 + 2C3H6
Ora possiamo bilanciare l'equazione. L'unico reagente sul lato sinistro dell'equazione è X, la nostra incognita, e quindi sappiamo che x e y devono essere uguali al numero totale di atomi di carbonio sul lato destro. Allo stesso modo, y deve essere uguale al numero totale di atomi di idrogeno sul lato destro.
Guardando al carbonio, ci sono 7 + 2(3) = 13 atomi di carbonio sul lato destro dell'equazione, il che significa che x è uguale a 13. Allo stesso modo, ci sono 16 + 2(6) = 28 atomi di idrogeno sulla destra, il che significa che y è pari a 28. Se sostituiamo questi valori nell'equazione, otteniamo la risposta finale:
C13H28 → C7H16 + 2C3H6
Non ti senti sicuro nello scrivere equazioni bilanciate? Consulta l'articolo Bilanciamento Equazioni per ulteriori esempi e consigli utili.
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Cos'è il processo di cracking?
Il cracking è un processo che permette di scindere gli idrocarburi a catena più lunga in idrocarburi a catena più corta, compresi gli alcheni. Gli idrocarburi a catena lunga non sono molto utili e hanno una bassa domanda, mentre gli idrocarburi a catena corta hanno molteplici usi e una domanda elevata. Di conseguenza, il cracking aumenta il valore economico delle frazioni di idrocarburi a catena più lunga.
Come avviene il cracking?
Il cracking termico consiste nel riscaldare gli idrocarburi a catena più lunga a una temperatura molto elevata (700 - 1200 K), ad alta pressione (7000 kPa). Il cracking catalitico prevede il riscaldamento degli idrocarburi a catena più lunga con un catalizzatore a cristalli di zeolite a una temperatura elevata (700 K), a una pressione leggermente superiore.
Quali condizioni sono necessarie per il cracking?
Il cracking termico richiede una temperatura di 700-1200 K e una pressione di 7000 kPa. Il cracking catalitico richiede un catalizzatore a base di zeolite, una temperatura di 700 K e una pressione leggermente elevata.
Quali sono i prodotti del cracking?
Il cracking produce alcani e alcheni a catena corta.
Come si chiama il processo di raffinazione del petrolio?
Distillazione frazionata.
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