1 Hydrokarbonkjemi Onsdag 30. August 2006 Kristin Erstad og Anna Elisabet Borgund Doktorgrads-stipendiater, Avdeling for oljeutvinning og petroleumskjemi Kjemisk institutt Universitetet i Bergen Fagfelt: Petroleumskjemi, organisk analytisk kjemi, petroleumsgeokjemi
72
Embed
Hydrokarbonkjemi - skolelab.uib.no · 1 Hydrokarbonkjemi Onsdag 30. August 2006 Kristin Erstad og Anna Elisabet Borgund Doktorgrads-stipendiater, Avdeling for oljeutvinning og petroleumskjemi
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Hydrokarbonkjemi
Onsdag 30. August 2006
Kristin Erstad og Anna Elisabet BorgundDoktorgrads-stipendiater, Avdeling for oljeutvinning og petroleumskjemiKjemisk instituttUniversitetet i Bergen
• 16.50 – 17.30:– Litt om hva vi jobber med.– Grunnleggende organisk kjemi.
• 18.00 – 18.40:– Olje og gass.
• 18.50 – 19.15:– Energi i fremtiden.
3
Vårt forskningsfelt: hydrater i petroleumsproduksjon
• Hydrater: – Gassmolekyler fanget i hulrom i et
gitter av vannmolekyler.– Dannes ved spesielle trykk og
temperaturer.– Er fast stoff, ser ut som is.
4
Hydrater - problemer i oljeproduksjon
• Kan plugge rørledninger.• Skaper farlige situasjoner.• Dyre tiltak for å forhindre
pluggdannelse – bruk av store mengder løsemidler.
• Miljøaspekt.
• Noen oljer lager plugger, mens andre er ikke-pluggende –hvorfor ?
5
Hydrater - problemer i oljeproduksjon
• Vi tror den kjemiske sammensetningen til oljen er avgjørende for om det dannes plugger eller ikke.
• Industrien kan spare mye penger og løsemidler om det kan predikeres hvilke oljer som lager problemer.
• Vi prøver å utvikle metoder for å enkelt bestemme hvilke oljer som lager problemer og hvilke som ikke lager problemer.
• Vi leter etter nøkkelkomponenter i råolje som kan hindre dannelse av hydratplugger i rørledningene.
6
Innhold:
• Organiske forbindelser og det periodiske system.– Bindinger – orbitalteori.– Måter å illustrere molekyler.
• Hydrokarboner – de enkleste organiske forbindelsene.– Formler, navn og strukturer.– Isomere former.– Homologe serier.
• Olje og gass – petroleum:– Hvordan dannes olje og gass?– Kjemisk sammensetning til olje og gass.– Fysiske egenskaper til olje.– Sammenheng mellom kjemisk sammensetning og egenskaper til olje.– Analysemetoder for olje.
• Hvor mye olje og gass finnes, og hva er alternativene?
7
Organiske forbindelser:
• Organiske forbindelser er bygget opp av i hovedsak karbon (C) og hydrogen (H), med mindre mengder av andre elementer som oksygen (O), nitrogen (N) og svovel (S).
• Cirka 7 millioner ulike organiske forbindelser er kjent per i dag. Dette tilsvarer over 80% av alle kjente forbindelser.
• Forbindelser som kun inneholder karbon og hydrogen kalles hydrokarboner.
8
Organiske forbindelser:
• Historisk trodde man ”liv” var en nødvendig ingrediens for å danne organiske forbindelser, i motsetning til uorganiske forbindelser. Nå lages mange organiske forbindelser direkte ved syntese i laboratorier.
”Vitalisme”- en slags vital kraft som bare fantes i planter og dyr.
9
Organiske forbindelser kan lages i laboratorier
Organisk syntese
Friedrich Wöhler(1800-1882)
10
Organiske forbindelser – oppbygging av karbonatomet:
• Et atom er generelt bygget opp av en positivt ladet kjerne og negativt ladede elektroner.
• Karbon har bare 4 elektroner i ytterste ”skall” → valenselektroner(det er plass til totalt 8 elektroner).
• Bare valenselektroner kan delta i bindinger med andre atomer.
• Hver karbonkjerne kan danne 4 bindinger. Det dannes ofte lange kjeder av karbonatomer, og dette er byggesteiner i levende organismer.
Eksempel på et hydrokarbon med 7 karbon og 16 hydrogen.
C C C C C C CH
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
11
Hydrogen KarbonOksygen
Nitrogen
Svovel
12
Organiske forbindelser – bindinger:
• Konseptet om “elektronegativitet” er viktig med hensyn på hvilken type binding som dannes.
• Elektronegativitet: evnen til et atom til å trekke til seg elektroner.
• Karbon og hydrogen befinner seg i midten på denne skalaen, og de kan danneen kovalent binding mellom seg ved å dele på valenselektroner(elektronparbinding)
13
Hvordan dannes en kovalent binding- atomorbitaler:
• Elektronene som er posisjonert rundt kjernen okkuperer bestemte elektronskall (energinivå).
• ”Skallene” er delt inn i undernivå som kalles orbitaler.
• I disse orbitalene, som er et område i rommet, er det meget stor sannsynlighet for at elektronene befinner seg.
• Det første skallet har én orbital, en kuleformet s-orbital (1s).
• Det andre skallet har én s orbital (2s) og tre p-orbitaler (2p), en p-orbital har en fasong med to rundinger som bindes sammen i et knutepunkt.
Neon
14
Atomorbitaler- karbon i grunntilstand
1s
2s
2p
Energi
Karbon i grunntilstand
2 uparede elektronerbefinner seg i to av 2p orbitalene.
15
Molekylorbitaler - hybridisering
Hvordan kan karbon binde seg til 4 andre atomer?
Ved hjelp av hybridisering dannes 4 nye sp3 orbitaler ved at en 2s og tre 2porbitaler blander seg.
Den hybridiserte orbitalen har en gunstigere energitilstand.
16
Enkeltbindinger –sp3 hybridisering
hydrogen karbon H-C binding
De 4 sp3 orbitalene til karbon kan overlappe med andre atomers orbitaler for å danne kovalente bindinger.
En 1s orbital fra et hydrogen kan bindes til en sp3 orbital til et karbon.
Dette kan skje med alle fire sp3 orbitalene til karbon – og vi får et metanmolekyl.
Metan har tetraedrisk form, som betyr at vinklene mellom bindingene er 109,5 º.
Eksempel: metan
C HH
HH
17
Dobbeltbindinger - sp2 hybridisering
En 2s orbital kan gå sammen med to 2p orbitaler og lage tre sp2
orbitaler.
Denne prosessen etterlater en ikke-hybridisert 2p orbital som ligger vinkelrett på planet.
Bindingsvinkel 120º.
Karbonatom involvert i dobbeltbindinger er sp2 hybridisert.
18
Dobbeltbindinger
Bindingsvinkel 120º.
Molekylene får en plan form (trigonal planar).
Eten, C2H4
C CH
HH
H
19
Trippelbindinger - sp hybridisering
Karbonatom involvert i trippelbindinger er sp hybridisert.
En 2s orbital kan gåsammen med en 2p orbital og lage to sp orbitaler.
Denne prosessen etterlater to ikke-hybridiserte 2p orbitaler.
20
Trippelbindinger
Karbonatom involvert i trippelbindinger er sp hybridisert.
Bindingsvinkel 180º.
Molekylene får en lineær form.
Etyn, C2H2
C C HH
21
Aromatiske bindinger
Sp2-hybridiserete karbon med en ”ledig” orbital igjen på hvert karbon i en ring danner en flytende dobbeltbinding.
Bensen: C6H6Ekstra stabil, plan forbindelse.
CC
CCC
CH
H
HH
H
H
HC
H
CHC
CH
H
CH
C
22
Måter å illustrere molekyler:
• Kulepinnemodeller
• Kalottmodeller
• Strekformler
• Strukturformler
• Molekylformler– CH3CH2CH2CH2CH3 eller C5H12( i oljesammenheng forenkler vi ofte enda mer: C5-forbindelser).
H C C CH
H
H
H
H
HC C HH
H
H
H
23
Hydrokarboner – de enkleste organiske forbindelsene
• Metan: CH4
• Etan: C2H6
• Propan: C3H8
• Butan: C4H10 - flere måter å sette denne sammen – isomere forbindelser:
Rettkjeda
CnH2n+2
Forgreina
n-butan iso-butan
24
Hvor mange mulige strukturer for rettkjedete og forgrenete alkaner ?
=> Tilnærmet uendelig !
36631920
> 60 000 milliarder40
434715
7510
359
188
97
56
35
24
Antall mulige strukturerAntall karbonatomer
25
væskeC9H20nonan
væskeC8H18oktan
væskeC7H16heptan
væskeC6H14heksan
væskeC5H12pentan
gassC4H10butan
gassC3H8propan
gassC2H6etan
gassCH4metan
Tilstandved 25oC
Molekyl-formelNavn
Betegnelse: Alkaner (gammeldags: parafiner)
26
Tilstandved 25oC
Molekyl-formelNavn
fast stoffC30H62triacontan
fast stoffC20H42eicosan
væskeC12H26dodekan
væskeC11H24undekan
væskeC10H22dekan
Fra C5 inngår antall karbonatomer i navnet !
Betegnelse: Alkaner (gammeldags: parafiner)
27
Andre isomere former: ringstrukturer
• Formel for ringstrukturer: CnH2n
• Hydrokarboner med minst 3 karbon kan danne ringer.– Disse molekylene har ikke en gunstig energitilstand på
grunn av spenning (”strain”).
• 5 eller flere karbonatomer gir mer stabile ringstrukturer.
28
Andre isomere former: ringstrukturer
Sykloheksan, C6H12:
”Stol” eller ”båt”form
Sykloalkaner kan koples sammen med kjeder ved å bytte ut en C-H binding med en C-C binding.
CC
CCC
CH H
HHH
HHHH
HH
H
29
Polyaromatiske forbindelser, PAH
Mye mer reaktive enn alkanene, mange kreftfremkallende forbindelser.
30
Olje og gass – petroleum
Petroleum: er en blanding av veldig mange forbindelser.Hoveddelen er hydrokarboner.
Hver oljeforekomst har sin egen, spesielle sammensetnig.
Oljer som inneholder mye hydrokarboner i området C6-C20 er økonomisk fordelaktig.
31Figuren hentet fra ”Earth Portrait of a planet”, Stephen Marshak, 2001, lærebok i Geologi
Dannelse av olje
• Døde organismer avsettes i mudderet på bunnen av en sjø eller hav.
• Nye sedimentlag avsettes, det organiske materialet blir utsatt for økende trykk og temperatur og det organiske materialet blir etter hvert komprimert.
Tid
32Figuren hentet fra ”Earth Portrait of a planet”, Stephen Marshak, 2001, lærebok i Geologi
• Ved ytterligere økende trykk og temperatur forsteines det organiske materialet i en kildebergart.
• Ved høy temperatur brytes små molekyler løs fra det organiske materialet i kildebergarten og det dannes olje og gass.
Dannelse av olje
33
Oppsamling av oljen
• Oljen og gassen støtes ut av kildebergarten og vandrer oppover (migrasjon) gjennom porøse lag i bergartene over.
• Oljen og gassen vandrer oppover til den blir stoppet av en ikke-gjennomtrengbar bergart (oljefelle).
• Her samler den seg opp i et reservoar.
• Den porøse reservoarsteinen inneholder alltid vann i tillegg til olje. Petroleumsforkomsten kan være olje, gass eller litt av begge deler.
Figuren hentet fra ”Earth Portrait of a planet”, Stephen Marshak, 2001, lærebok i Geologi
34
Dannelse av olje og gass – ”oljevinduet”
Lav temperatur: Seig olje, høy molekylvekt
Høy temperatur:Mer og mer gass
Figuren hentet fra ”Earth Portrait of a planet”, Stephen Marshak, 2001, lærebok i Geologi
35
Kjemisk sammensetning til olje og gass - elementer:
• Hoveddelen av oljen består av hydrokarbon, men mindre mengder heteroatomer er også tilstede.
• Heteroatomer er alle forbindelsene vi finner i oljen som ikke erkarbon eller hydrogen, dvs. oksygen, nitrogen, svovel og metaller.
Tallene er hentet fra Speight, s. 216-217
36
Kjemisk sammensetning til olje og gass - molekyler:
Heksadekan, C16H34
Dotriacontane, C32H66
Gammacerane, C30H52
H
H
H
H
H
H
Olje inneholder mye hydrokarboner, i mange størrelser og former.
Eksempler: Butan, C4H10
Bensen, C6H6
37
Kjemisk sammensetning til olje og gass - molekyler:
Oksygenholdige forbindelser:
3-metylfenol oktansyre
• Oksygenet har mye sterkere elektronaffinitet enn karbon, så et elektron kan trekkes bort fra hydrogenatomet. Bindingen mellom oksygen og hydrogen svekkes.
• Hydrogen går ut som H+, og forbindelsene er dermed syrer.
O
O H
O
O
H++
Alkoholer
Fenoler
Ketoner
Syrer
38
Nitrogenholdige forbindelser:
2,6 dimetylkinolin
N
Pyridin
• Nitrogenatomer i aromatiske strukturer har høy elektrontetthet, som de kan dele med et H+.
• De er dermed baser.
N N+
H
H++
Kjemisk sammensetning til olje og gass - molekyler:
39
Svovelforbindelser:
S
Tiofen(aromatisk)
1-Heksantiol
Må fjernes fra oljeproduktene av miljøhensyn !
Kjemisk sammensetning til olje og gass - molekyler:
40
Kjemisk sammensetning til olje og gass - asfaltener:
De største molekylene kalles asfaltener, og har ikke noen bestemt struktur.
Asfaltener (def): den delen av oljen som ikke er løselig i et overskudd av en lett hydrokarbonvæske (f.eks. pentan).
Figur hentet fra Artok et al., Energy and Fuels 13 (2) 287, 1999
Asfaltener er et stort forskningsområde.
Det er fremdeles mye vi ikke vet om asfaltener!
Det antas at asfaltener har en molekylvekt på 2000 ± 500 g/mol.
41
Kjemisk sammensetning til olje og gass - biologiske markører
Vanadyl octaethylporphyrin
I grønne planter:
Oljen inneholder ”molekylære fossiler” som kan vise at olje dannes fra fossil biomasse.
Klorofyll
Pristan
I olje:
42
Fysiske egenskaper til olje
• Tetthet:– Massen til et gitt volum ved en
bestemt temperatur. Vmρ =
Vann: tetthet 1g/ml
Olje: ca 0,8 g/ml
Oljen vil ligge over vannet.
43
Fysiske egenskaper til olje
• Viskositet:– Motstand mot å flyte (høy viskositet – høy motstand).
44
Fysiske egenskaper til olje
• Overflate og grenseflatespenning– Mål på kreftene som virker ved en grense
mellom to faser.
Vanndråpe på en glassflate i en oljefase.
Trefase-system; luft, væske, fast stoff.
Vanndråper på en glassflate.
45
Fysiske egenskaper til olje
• Kokepunkt• Smeltepunkt
Kokende oljeDestillasjon av olje
46
væske150.8 -51 C9H20nonan
væske124.7-56.8 C8H18oktan
væske98.4-90.6 C7H16heptan
væske68.9 -95C6H14heksan
væske36.1 -129.7 C5H12pentan
gass-0.5 -138.4 C4H10butan
gass-42.1 -189.7 C3H8propan
gass-88.6 -183.3 C2H6etan
gass-164 -182.5 CH4metan
Tilstandved 25oC
Koke-punkt (oC)
Smelte-punkt (oC)
Molekyl-formelNavn
Fysiske egenskaper til olje
47
Tilstandved 25oC
Koke-punkt (oC)
Smelte-punkt (oC)
Molekyl-formelNavn
fast stoff449.7 65.8C30H62triacontan
fast stoff343 36.8 C20H42eicosan
væske216.3 -9.6C12H26dodekan
væske195.9-24.6 C11H24undekan
væske174.1 -29.7 C10H22dekan
Fysiske egenskaper til olje
48
Sammenheng mellom kjemisk sammensetning og egenskaper til olje.
• Oljens fysiske egenskaper er avhengig av den kjemiske sammensetningen:
– Mye hydrokarboner med lav molekylvekt:Lettflytende olje, lite viskøs, lett å raffinere.
– Mye hydrokarboner med høy molekylvekt:Tungtflytende olje, stivner på grunn av voks, må
”crackes” for å gi mer diesel og bensin.
– Mye N,S,O forbindelser :Seig olje, må behandles for å fjerne S og N,
vanskelig å håndtere!
Figuren hentet fra ”Earth Portrait of a planet”, Stephen Marshak, 2001, lærebok i Geologi
49
Høyt innhold av asfaltener er lite ønskelig!
De store asfaltenenhetene kan klumpe seg sammen til store stabler av flak som kan opptre som miceller.
MicelleAsfalten-flak
Asfaltener kan skape store problemer i oljeindustrien når de felles ut fra oljen.
De utfelte asfaltenene kan avsettes i oljerørledninger og gjøre transporten vanskelig.
Olje med høyt asfalteninnhold er ansett for å ha lavere økonomisk verdi fordi asfaltenene må fjernes.
50
Eksempel på fraksjonering av olje ved hjelp av løsemidler
• Etanol kan dannes fra cellulose (trevirke) eller stivelse (korn, poteter).
• Fordeler:– Fornybar energikilde!– Ingen netto økning av CO2.– Kan bruke avlingsrester og avfall gratis
råmateriale.
• Ulemper:– Lages ofte fra korn dette er mat, ikke moralsk
å bruke til drivstoff når så mange i verden sulter.– Bruker energi til framstilling.
68
Alternativer til olje som drivstoff – biodiesel
• Biodiesel kan produseres fra oljevekster (soya, raps) og matfett.
• Fordeler: – Fornybar energi.– Ingen netto økning av CO2.
• Ulemper: – Bruker mat som kilde til energien.
69
Alternativer til olje som drivstoff - elektrisitet
• El-biler går på strøm – elektrisitet.
• Elektrisiteten kan dannes fra vannkraft.
• Fordeler: – Fornybar energi.– Rein energi.
• Ulemper:– Ikke energieffektiv – energi går tapt.– Ødelegge det fysiske miljøet (store
inngrep i naturen, skader biodiversiteten).
70
Alternativer til olje som drivstoff – hydrogen
• Hydrogen kan brukes som drivstoff.
• Fordeler– Har veldig høyt energiinnhold per
vektenhet av brennstoff – veldig energieffektiv.
– Gir svært lite utslipp.
• Ulemper– Har ikke fritt hydrogen i naturen
hydrogen må lages (dette krever energi).– Hydrogen må lagres og transporteres.
Hydrogen kan produseres fra:
• Elektrolyse av vann (kan bruke solenergi eller kjernekraftenergi til dette).
• Metan – naturgass (tilgjengelig i store mengder, ganske billig – men dette er ikke fornybart).Lagring og transport av hydrogen
skaper problemer fordi tettheten til hydrogen er veldig liten, og vi trenger store volum av gassen.
71
God oversiktspresentasjon av organisk kjemi for ungdomsskole/1. videreg.http://02casu.norsknettskole.no/
Presentasjon av kjemi-kurs ved skolelaboratoriet på UiO.http://www.kjemi.uio.no/14_skole/evu_kurs/kjm0200v/info_kjm0200v/index.html
Mest oppslagsverk, med korte definisjoner og summeformler.http://home.online.no/~taninfo/kjemi/organisk/index_organisk.html
Personlig utformet kjemiside med utgangspunkt i det periodiske system.http://home.ringnett.no/lars.finsen/kjemi.htm
Et annet greit periodisk system med norske navn.http://www.torstad.gs.ah.no/oppgaver/periodisk.htm
Nyttige pekere
72
Generelt om olje og gass – historie, ressurser etc. – ikke kjemi.http://www.gyldendal.no/undervisning/petroleum3/realindex.html
Hefte fra Oljedirektoratet (OD) som blant annet inkluderer informasjon om hvert enkelt felt på norsk sokkel som er i produksjon.http://odin.dep.no/oed/norsk/dok/andre_dok/brosjyrer/026031-120029/dok-bn.html
Fornybare energikilder – en veldig god oversikt!http://www.kanenergi.no/oslo/kanenergi.nsf/id/15A83E1C2662ABB1C125708C002B41DC?OpenDocument