b) Phản ứng cộng với tác nhân bất đối xứng HX, H2O
3.14. Nhiên liệu lỏng (xăng, dầu hỏa, dầu điezen), dầu mỡ bôi trơn và caosu 1 Nhiên liệu lỏng và dầu mỡ bôi trơn
3.14.1. Nhiên liệu lỏng và dầu mỡ bôi trơn
Nhiên liệu lỏng
Khi chưng cất dầu mỏ ta có xăng, nhiên liệu điezen và các loại sản phẩm khác. + Xăng: là hỗn hợp các hiđrocacbon khác nhau từ C5-C10 gồm các thành phần của dầu mỏ có nhiệt độ sơi từ 25 150oC ngồi ra cịn chứa một lượng nhỏ các hợp chất chứa oxi, nitơ, lưu huỳnh.
Xăng là chất lỏng khơng màu hoặc có màu vàng, xanh, đỏ (khi người ta pha thêm vào đó những chất phụ gia đặc biệt).
Xăng khơng tan trong nước, nhẹ hơn nước, có khối lượng riêng d= 0,67 - 0,75 g/cm3.
Xăng được dùng làm nhiên liệu cho động cơ xăng. Động cơ xăng là kiểu động cơ đốt trong, thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học của nhiên liệu khi cháy thành năng lượng cơ học. Một trong những tính chất của xăng là phải có khả năng chống lại sự kích nổ (hay sự nổ sớm). Một sự nén cực đại có thể có được đối với một động cơ nào đó mà khơng để xảy ra sự nổ sớm là tùy thuộc vào cấu trúc của hiđrocacbon có trong nhiên liệu. Nhiên liệu càng tốt thì sự nén ấy càng có thể cao. Tính chống kích nổ ấy của xăng được đặc trưng bằng “chỉ số octan”. Chất 2,2,4-trimetylpentan (cịn gọi isooctan) là nhiên liệu tốt nhất. Nó chỉ nổ khi nào độ nén lên đến cực đại: vì thế người ta dùng isooctan làm chuẩn và quy ước cho nó một chỉ số octan là 100. n-
heptan là nhiên liệu tồi vì chỉ bị nén nhẹ đã nổ; vì vậy người ta qui ước cho nó một chỉ số octan bằng 0. Do đó, một hỗn hợp của isooctan và n-heptan sẽ có một chỉ số
octan từ 0 đến 100, tùy theo tỷ lệ phần trăm theo thể tích của isooctan trong hỗn hợp. Dựa theo đó, người ta nói một thứ xăng có chỉ số octan bằng 90 chẳng hạn khi ấy xăng có đặc tính nổ như một hoona hợp có 90% isooctan và 10% n-heptan. Xăng ơ tơ loại tốt phải có chỉ số octan > 90, còn chỉ số octan của xăng máy bay không được dưới 100.
Qua nghiên cứu xác định chỉ số octan của nhiều hiđrocacbon, người ta rút ra được những kết luận về quan hệ giữa cấu tạo phân tử của các hiđrocacbon và tính chất của nhiên liệu động cơ :
- Các n-parafin có chỉ số octan thấp. chúng là nhiên liệu tồi cho các động cơ. Mạch hiđrocacbon càng dài, chỉ số octan càng bị hạ thấp xuống.
- Mạch hiđrocacbon càng phân nhánh, chỉ số octan càng cao. - Các xicloankan có chỉ số octan cao hơn ankan tương ứng. - Các hiđrocacbon thơm có chỉ số octan đặc biệt cao.
Phân đoạn xăng thu được bằng chưng cất trực tiếp dầu mỏ thường rất giàu n- parafin, có rất ít isoparafin và hiđrocacbon thơm, do đó chỉ số octan thấp, thường khơng vượt q 60, trong khi đó yêu cầu về chỉ số octan cho xăng ô tô từ 83 đến 95, đôi khi cao hơn; xăng máy bay từ 92 đến 100. Có thể tăng chỉ số octan bằng cách thêm chất phụ gia vào xăng, thí dụ chì tetraetyl, chì tetrametyl, các ancol thấp như metanol, etanol, metyl tert-butyl ete (MTBE). Tuy vậy, để bảo vệ mơi trường, chì tetraetyl, chì tetrametyl đã bị cấm sử dụng. MTBE khơng cịn được sử dụng rộng rãi như mấy thập kỷ qua. Biện pháp chủ yếu để tăng chỉ số octan là hồn thiện cơng nghệ và chất xúc tác chế biến dầu (xúc tác cơng nghiệp lọc – hóa dầu) để cải thiện thành phần xăng như tăng hàm lượng các hiđrocacbon nhẹ mạch nhánh, các olefin, giảm hàm lượng các tạp chất, trước hết là các hợp chất chứa lưu huỳnh.
+ Dầu hỏa: Phân đoạn dầu hỏa với nhiệt độ sôi từ 170 đến 270oC bao gồm các hiđrocacbon từ C10 đến C15, C16. Trong dầu hỏa cũng có mặt hiđrocacbon với cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphtalen như tetalin và đồng đẳng. Các hợp chất có chứa S, N, O cũng tăng lên.
Phân đoạn dầu hỏa được dùng làm nhiên liệu cho máy bay phản lực và dầu hỏa dân dụng (dầu thắp sáng hoặc đun nấu).
Yêu cầu về mặt nhiệt lượng cho nhiên liệu động cơ phản lực phải lớn hơn 10200 kcal/kg. Các n-parafin cho nhiệt lượng cao hơn cả. Hơn nữa, máy bay phản lực thường bay ở trên cao, tại đó khi nhiệt độ khơng khí xuống thấp tới -50oC nên yêu cầu nhiên liệu phản lực phải không bị kết tinh ở nhiệt độ thấp. Xét về mặt này, các hiđrocacbon naphtelic tỏ ra ưu việt hơn, cịn các n-parafin có khối lượng phân tử lớn dễ tạo tinh thể làm tắc vịi phun và mất tính linh động, gây nguy hiểm cho máy bay. Ngồi u cầu về nhiệt lượng, nhiên liệu cịn phải cháy hồn tồn, khơng được tạo cốc, tạo tàn, vì những chất này sẽ làm tắc vòi phun. Về mặt này, hiđrocacbon thơm tạo nhiều cốc nhất. Mức độ tạo tàn và tạo cốc của các hiđrocacbon được sắp xếp như sau:
Hiđrocacbon thơm > olefin > isoparafin, naphtalen > n-parafin.
Như vậy trong thành phần dầu hỏa, parafin và naphten là các cấu tử thích hợp nhất cho quá trình cháy trong động cơ phản lực. Hàm lượng của chúng nằm trong
khoảng 30 – 60% parafin, 20 - 45% naphten.
+ Nhiên liệu điezen là một trong các sản phẩm của dầu mỏ gồm các hiđrocacbon từ C12-C20 có nhiệt độ sơi 220 - 360°C. Ngồi ra cịn chứa một lượng nhỏ các hợp chất chứa oxi, nitơ, lưu huỳnh.
Nhiên liệu điezen là chất lỏng trong suốt, nhẹ hơn nước và không tan trong nước, có d = 0,82 - 0,86 g/cm3.
Dầu điezen được dùng làm nhiên liệu cho động cơ điezen và nguyên liệu cho quá trình crackinh.
Đối với động cơ điezen thì tiêu chuẩn của nhiên liệu lại hoàn toàn khác hẳn : n- xetan C16H34 là nhiên liệu lý tưởng cho động cơ điezen, chỉ cần nén nhẹ với khơng khí, nó tự cháy nổ mạnh. Trong bậc thang nhiên liệu điezen, người ta quy ước lấy n- xetan làm chuẩn và quy định cho nó một chỉ số xetan là 100. Đối với β-
metylnaphtalen là nhiên liệu ddiezeen tồi nhất, được quy định chỉ số xetan bằng 0. Do đó, một hỗn hợp của xetan và β-metylnaphtalen sẽ có chỉ số xetan từ 0 đến 100 tùy vào tỷ lệ phần trăm theo thể tích của xetan trong hỗn hợp. Dùng làm nhiên liệu điezen thì phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sơi từ 230 – 290oC là đặc biệt thuận lợi. Những phân đoạn cuối có chỉ số xetan dưới 45 là thứ nhiên liệu điezen tồi. Để làm tăng khả năng bốc cháy của nhiên liệu người ta thêm vào dầu điezen một số hợp chất nitơ hữu cơ.
Thường thì nhiên liệu điezen được lọc khơng kỹ như xăng, được dùng cho xe tải, tàu thủy, đầu máy xe lửa.
Dầu, mỡ bôi trơn
Từ mazut bằng phương pháp chưng chân không thu được dầu bôi trơn và nhựa đường.
+ Dầu bôi trơn: được dùng để bôi trơn máy để chạy cho êm và kéo dài tuổi thọ. ở các nước phát triển, hơn 1% dầu thô được chuyển thành dầu bôi trơn.
+ Mỡ bôi trơn: là vật liệu bôi trơn đặc biệt thành phần gồm chất lỏng, chất làm đặc và phụ gia.
- Chất lỏng là dầu khống có khi là một số loại este ..., chiếm 75 – 90 % khối lượng mỡ.
- Chất làm đặc tồn tại ở trạng thái rắn thường là xà phòng của các axit béo (RCOOMe)... tạo ra loại mỡ có tính chất cơ lý hóa khác nhau.
- Chất phụ gia: là chất làm tăng tính ổn định cơ học, ổn định keo, tăng tính nhờn của mỡ, hàm lượng khoảng vài phần nghìn.
3.14.2. Cao su
Cao su tự nhiên
Được lấy từ nhựa cây cao su, cao su tự nhiên được coi như polime của isopren (C5H8)n với n trung bình. Cao su có khả năng hấp thụ lưu huỳnh (gọi là q trình lưu hóa cao su) và trở thành sản phẩm có độ đàn hồi tốt và khả năng chịu tác dụng của hóa chất.
Cao su lưu hóa chứa 25 – 40 % lưu huỳnh (so với lượng cao su) tạo ra sản phẩm gọi là ebonite có độ cứng và độ cách điện cao.
Dựa trên những monome như butađien, isopren, cloropren, styren, acrylonitril…
Tiến hành trùng hợp hoặc đồng trùng hợp có được polime có tính chất cao su gọi là cao su nhân tạo.
Tiến hành trùng hợp acrylonitril (vinylxianua) thu được polyme có M=35000- 50000, phục vụ cho việc sản xuất sợi nhân tạo (melan, alon).