نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على التكسير الحفزي لجزيئات الألكانات، وكيف يحدث في المجال الصناعي، والسبب وراء أهميته البالغة. ماذا يعني التكسير في الكيمياء؟ يشير مصطلح التكسير في الكيمياء إلى تفتيت الجزيئات العضوية الكبيرة أو تحويلها إلى جزيئات أصغر. ويمكننا تصنيفه على أنه تفاعل تفكك؛ إذ يتفكك أحد المتفاعلات لإنتاج نواتج أصغر. هذه العملية ماصة للحرارة؛ حيث تتطلب إدخال حرارة أو طاقة حرارية. وفي بعض الحالات، يستخدم عامل حفاز لتسريع معدل التفاعل. سنركز هنا على تكسير الهيدروكربونات المشبعة؛ أي الألكانات.
يحتوي الزيت الخام على العديد من المركبات الهيدروكربونية، وخاصة الهيدروكربونات المشبعة. العديد من هذه الهيدروكربونات المشبعة ألكانات. وعادة ما تتكسر الألكانات الكبيرة أو تتفكك إلى ألكانات أصغر وألكينات. ومن ثم، فإن العملية ينتج عنها نواتج مشبعة ونواتج غير مشبعة. قد تنتج بعض النواتج الأخرى، مثل الكربون النقي وغاز الهيدروجين والجزيئات التي تحتوي على ذرات غير متجانسة، ويشير مصطلح الذرة غير المتجانسة إلى عناصر مختلفة مثل النيتروجين والكبريت، التي توجد في بعض المركبات العضوية. الغرض من التكسير هو إنتاج مركبات أصغر حجمًا، التي عادة ما تكون ذات نفع أكبر من الألكانات الأصلية الكبيرة. ويستخدم التكسير في مصافي تكرير النفط، وتنتج عنه نواتج ثانوية نافعة مثل الغاز البترولي المسال والديزل والإيثين.
دعونا الآن نلق نظرة على بعض العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء التكسير. هناك ثلاث خطوات أساسية لتفاعل التكسير. وعلى وجه العموم، تنكسر رابطة كربون-كربون أحادية في جزيئات الألكان الكبيرة. ويتطلب كسر رابطة كربون-كربون أحادية مستقرة الكثير من الطاقة. في الخطوة الثانية، تنكسر رابطة كربون-هيدروجين، ويعاد ترتيب ذرات الهيدروجين. وتتكون رابطة كربون-هيدروجين جديدة. وأخيرًا، تتكون رابطة كربون-كربون مزدوجة جديدة. وينتج عن هذه العملية ألكان أصغر وألكين. ويتم توفير كميات الطاقة الهائلة اللازمة لتنفيذ الخطوة الأولى من خلال درجة الحرارة المرتفعة وأحيانًا الضغط المرتفع الناتجين عن التكسير بالبخار أو التكسير الحفزي.
يحدث التكسير بالبخار عادة عند درجات حرارة عالية جدًّا تزيد أحيانًا عن 800 درجة سلزية دون استخدام عامل حفاز، في حين يحدث التكسير الحفزي عادة عند درجات حرارة أقل بكثير من 800 درجة سلزية؛ حيث تتراوح عادة بين 500 إلى 700 درجة سلزية تقريبًا مع استخدام عامل حفاز. هناك عدة طرق للتكسير الحفزي، وتستخدم في بعض هذه الطرق عوامل حفازة من الزيوليت. والزيوليت هو مادة مكونة من الألومنيوم والسليكون والأكسجين، وتكون هذه العناصر مرتبة في شبيكة معقدة.
دعونا الآن نستعرض تفاعل تكسير نموذجي يمكن أن يحدث باستخدام الزيوليت عاملًا حفازًا. سنتبع الخطوات الثلاث التي تناولناها سابقًا. في هذا المثال للتكسير الحفزي، سنستخدم الأوكتان، وهو جزيء ألكان مشبع طويل يوجد في الزيت الخام. يمرر هذا الألكان على عامل حفاز ساخن. تنكسر رابطة كربون-كربون أحادية. وتنكسر رابطة كربون-هيدروجين. وتتكون رابطة كربون-هيدروجين جديدة، بالإضافة إلى رابطة كربون-كربون مزدوجة، وينتج عن ذلك ألكان أقصر، وهو الهكسان، وألكين، وهو الإيثين في هذه الحالة. مرة أخرى، يتحول ألكان أكبر أو يتفكك إلى ألكان أقصر وألكين.
في الواقع، يمكن تكسير الأوكتان بطرق مختلفة، وليس عند هاتين الرابطتين فحسب. عند كسر هاتين الرابطتين أو تفككهما، نحصل على الهكسان والإيثين. لكن ماذا عن المواضع العديدة الأخرى التي يمكن أن تنكسر عندها السلسلة -على سبيل المثال، هنا وهنا أو هنا- وأيضًا روابط الكربون-الهيدروجين؟ حسب مكان كسر السلسلة، هذه بعض الألكانات والألكينات التي يمكن أن تنشأ عن ذلك. يمكن الحصول على البنتان والبروبين، كما يمكن أيضًا الحصول على البيوتان والـ 1-بيوتين، أو البروبان والـ 1-بنتين، أو حتى الإيثان والـ 1-هكسين. ويمكن أن تتعرض نواتج التكسير لمزيد من التكسير لإنتاج ألكانات وألكينات أصغر.
لقد رأينا حتى الآن أن جزيئات الألكان الطويلة يمكن تكسيرها إلى ألكانات أقصر وألكينات، التي بدورها يمكن أن تمر بمزيد من عمليات التكسير. لكن ما أهمية تحويل جزيئات الألكانات الطويلة هذه إلى جزيئات أصغر؟ هناك سببان رئيسيان. السبب الأول هو أن التكسير يساعد في تلبية الطلب على الهيدروكربونات الأصغر. والطلب هو مقدار أجزاء الزيت الخام التي يريد العميل شراءها. والعرض هو مقدار أجزاء الزيت الخام التي تنتجها مصفاة تكرير النفط بالفعل.
وتتلخص المشكلة التي تواجه قطاع الصناعة فيما يلي. الزيت الخام هو خليط معقد من الهيدروكربونات المختلفة والجزيئات الأخرى. وعندما يخضع هذا الخليط للفصل إلى أجزاء عن طريق التقطير التجزيئي، تكون النواتج في الغالب هي جزيئات الهيدروكربونات الأكبر. وتنتج نسبة أقل بكثير من الهيدروكربونات ذات السلاسل الأقصر. لكن الطلب على الهيدروكربونات الأقصر في القطاع الصناعي مرتفع، ومثال على ذلك أنواع الوقود مثل الجازولين أو البنزين. يحول التكسير بعض الهيدروكربونات الكبيرة الأقل نفعًا إلى الهيدروكربونات الصغيرة الأكثر نفعًا، وهو ما يرفع القدر المعروض من المركبات المطلوبة على نحو فعال. وهذا بدوره يعني ربح المزيد من الأموال.
أما السبب الثاني المهم لتكسير الهيدروكربونات فهو إنتاج الألكينات غير المشبعة. والألكينات هي مواد أولية مهمة في مجال صناعة البتروكيماويات. صناعة البتروكيماويات هي الصناعة التي تستخدم المواد الكيميائية المشتقة من النفط أو الزيت الخام والغاز الطبيعي في صناعة البوليمرات واللدائن والمنظفات والمطاط الصناعي، وما إلى ذلك. نواتج التكسير لها العديد من الاستعمالات المهمة. ويتضمن ذلك استخدامها في المواد الغذائية، ومعالجة المياه، والرعاية الصحية، والأدوات المنزلية والمواد الكيميائية، والمركبات والبناء والإلكترونيات، وحتى في المجال الزراعي.
لدينا مثالان على الألكينات المهمة التي نحصل عليها من التكسير، وهما الإيثين والبروبين. ويمكن استخدامهما في صنع البوليمرات مثل البولي إيثين أو البولي إيثيلين والبولي بروبين أو البولي بروبيلين، وهي لدائن ذات فائدة كبيرة وشائعة الاستخدام. دعونا الآن نتدرب على ما نعرفه عن التكسير.
توضح المعادلة أحد التفاعلات المحتملة عند تكسير الهبتان. المركب X عبارة عن هيدروكربون غير متفرع. ما الصيغة التوضيحية للمركب X؟
المركب الأولي في مخطط التفاعل هو الهبتان، وهو هيدروكربون مشبع صيغته الجزيئية C7H16. والهبتان هو ألكان هيدروكربوني طويل نسبيًّا. حسنًا، علمنا من السؤال أن الهبتان تعرض لعملية تكسير وأن هذا التفاعل هو واحد فقط من عدة تفاعلات أخرى محتملة الحدوث، ما يعني أن هناك نواتج أخرى محتمل الحصول عليها. يوجد ناتجان محتملان موضحان في مخطط التفاعل هذا، وهما ألكين غير مشبع برابطة مزدوجة بين الكربون والكربون، وهو البروبين في هذه الحالة؛ لأن هناك ثلاث ذرات من الكربون في السلسلة، والمركب المجهول X. لكننا نعلم أن X مركب هيدروكربوني غير متفرع. التكسير هو نوع من تفاعلات التفكك تتكسر فيها الجزيئات العضوية الأكبر حجمًا، والتي تكون مشبعة عادة، إلى جزيئات أصغر. وعادة ما تكون هذه الجزيئات الأصغر ذات نفع أكبر للقطاع الصناعي.
تتضمن خطوات أي تفاعل تكسير نموذجي تسخين جزيء كبير من الألكان إلى درجات حرارة عالية، وهو ما يحدث أحيانًا بمساعدة عامل حفاز. تنكسر رابطة كربون-كربون أحادية. وتنكسر رابطة كربون-هيدروجين. وتحدث إعادة ترتيب للذرات في المواضع التي ترتبط فيها ذرة هيدروجين بذرة كربون مختلفة. وتنتج رابطة الكربون-الهيدروجين الجديدة هذه ألكانًا أقصر. وفي الجزء الآخر المتكسر من الجزيء الأصلي تتكون رابطة مزدوجة بين ذرتي كربون؛ بحيث تكون ألكينًا.
تفكك الألكان الخطي المعطى لنا -أي الهبتان- أو تكسر إلى ألكين -وهو البروبين- والمركب X. لذلك لا بد أن يكون X ألكانًا أقصر، وأن يحتوي على ذرات الكربون المتبقية. يتكون الألكين الناتج -وهو البروبين- من ذرة، اثنتين، ثلاث ذرات من الكربون التي كانت موجودة في الهبتان. لذلك، لا بد أن يحتوي المركب X على أربع ذرات من الكربون. والألكان القصير غير المتفرع الذي يحتوي على أربع ذرات من الكربون هو البيوتان. مطلوب منا كتابة الصيغة التوضيحية للمركب X، وهذه هي الصيغة التوضيحية للبيوتان.
سنسترجع معًا الآن النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. التكسير هو تفاعل تتكسر أو تتفكك فيه مركبات هيدروكربونية أكبر حجمًا، وعادة ما تكون مشبعة، إلى مركبات أصغر حجمًا وأكثر نفعًا. عادة ما تكون نواتج التكسير عبارة عن ألكان أصغر وألكين، مع أنه من الممكن أيضًا تكوين مركبات أخرى. التكسير عملية ماصة للحرارة. من الأنواع الشائعة للتكسير التكسير بالبخار، والتكسير الحفزي. يحتاج التكسير بالبخار بوجه عام إلى درجات حرارة عالية جدًّا، تزيد أحيانًا عن 800 درجة سلزية، لكنه لا يستخدم عاملًا حفازًا، في حين يحدث التكسير الحفزي عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 500 و 700 درجة سلزية مع استخدام عامل حفاز. يمكن أيضًا أن يحدث التكسير عن طريق الضغوط العالية.
يمكن تحويل أجزاء الزيت الخام الثقيل إلى أجزاء أخف، التي عادة ما تكون أكثر نفعًا وأكثر طلبًا في القطاع الصناعي، وذلك عن طريق التكسير. هناك طلب كبير على هذه الأجزاء الخفيفة في صناعة البتروكيماويات؛ حيث تنتج العديد من المواد المهمة من الناحية الاقتصادية.
