Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à expliquer le craquage catalytique des alcanes et son importance, et à décrire le procédé à l’échelle industrielle.
Le craquage consiste à prendre de grosses molécules organiques, comme les hydrocarbures contenus dans le pétrole brut, et à les transformer en molécules plus petites. Donc, globalement, les réactions de craquage sont des réactions de décomposition.
Dans cette fiche explicative, le terme craquage sera utilisé pour désigner exclusivement le craquage des hydrocarbures.
Définition : Réaction de décomposition chimique
Un type de réaction où une substance est se décompose pour former deux ou plusieurs autres substances.
Définition : Réaction de craquage
Un type de réaction de décomposition où de grosses molécules organiques sont décomposées en molécules plus petites.
Bien que le craquage puisse s’effectuer sur des hydrocarbures insaturés comme les alcènes, nous nous concentrerons sur le craquage tel qu’il s’applique aux hydrocarbures saturés qui abondent dans le pétrole brut. Le craquage du pétrole brut produit généralement un mélange riche en alcanes et en alcènes.
Le craquage peut produire du carbone pur, de l’hydrogène pur et d’autres types d’hydrocarbures, ainsi que des alcanes et des alcènes, mais le procédé est contrôlé pour donner les produits les plus désirables.
Typiquement, l’effet global du craquage d’une grosse molécule d’hydrocarbure est de :
- rompre des liaisons simples carbone-carbone ;
- réorganiser les atomes d’hydrogène en rompant et en formant des liaisons carbone-hydrogène ;
- former d’autres liaisons carbone-carbone comme des doubles liaisons carbone-carbone.
Le procédé de craquage est endothermique, car les liaisons formées sont plus faibles que les liaisons rompues. Le craquage repose sur des températures élevées pour faire avancer le processus, et des pressions élevées sont utilisées pour augmenter la vitesse de réaction.
Généralement, les catalyseurs sont des zéolithes – des composés d’aluminium, de silicium et d’oxygène. Il existe de nombreux types de zéolithes, certains naturels et d’autres synthétiques. En laboratoire, vous pouvez effectuer le craquage d’un hydrocarbure comme la paraffine à l’aide de morceaux de poterie, ou utiliser du dioxyde de silicium (, également appelé silice) ou de l’oxyde d’aluminium (, également connu sous le nom d’alumine).
Le vapocraquage se fait à l’aide de vapeur extrêmement chaude, avec ou sans catalyseur.
Le vapocraquage sans catalyseur se fait généralement à des températures et est généralement utilisé pour produire des alcènes très courts en grandes quantités. Cette forme de craquage est souvent appelée craquage thermique, car nous dépendons entièrement de la température élevée pour conduire la réaction.
Le craquage catalytique est généralement effectué entre - , en réduisant la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer le mélange réactionnel. Le craquage catalytique est généralement utilisé pour convertir des fractions de pétrole brut en fractions plus légères et plus rentables.
Les deux applications du craquage que nous allons examiner ici sont la production d’alcènes et la conversion de fractions plus lourdes de pétrole brut en fractions plus légères.
Exemple 1: Rappel des conditions de craquage thermique
Dans laquelle des conditions suivantes le craquage thermique est-il généralement effectué ?
- à basse température et haute pression
- à haute température et basse pression
- à haute température et haute pression
- à basse température et basse pression
Réponse
Le nom craquage thermique contient un indice. Thermique indique que des températures élevées sont impliquées. Cependant, nous devons en savoir un peu plus sur le craquage pour comprendre le reste.
Le craquage – et ici, nous parlons du craquage des hydrocarbures – est un processus endothermique. Cela signifie que plus la température est élevée, plus le rendement à l’équilibre est important.
Lors du craquage des hydrocarbures, nous utilisons généralement des températures supérieures à en présence d’un catalyseur. Sans catalyseur, nous utilisons généralement des températures supérieures à . Le craquage thermique est le nom du craquage effectué sans catalyseur.
En absence de catalyseur, le seul autre moyen d’augmenter la vitesse de réaction est d’utiliser des pressions élevées. Le craquage produit plus de molécules de gaz que nous en avions au départ, la pression ne peut donc pas être trop élevée, sinon le rendement à l’équilibre diminuera trop.
En général, le craquage est effectué à des températures et pressions élevées, fournissant la vitesse de réaction la plus élevée et un bon rendement à l’équilibre, sans être trop coûteux.
La réponse est la C.
Les alcènes comme l’éthène et le propène sont extrêmement précieux. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des polymères tels que le poly(éthène), également connu sous le nom de polyéthylène ou PE, et le poly(propène), également connu sous le nom de polypropylène ou PP.
Le pétrole brut ne contient naturellement pas beaucoup de ces produits chimiques, ils peuvent donc être fabriqués en craquant des hydrocarbures plus gros.
Intéressons-nous à l’octane :
L’octane est l’un des nombreux hydrocarbures qui pourraient se trouver dans le mélange utilisé pour produire de l’éthène et du propène.
Le craquage de l’octane peut se produire comme suit :
Dans le processus, une liaison carbone-carbone est rompue, des liaisons carbone-hydrogène se rompent et se réforment, et une simple liaison carbone-carbone est convertie en une double liaison carbone-carbone.
Lors du calcul de la variation d’enthalpie de la réaction, nous pouvons ignorer les liaisons carbone-hydrogène (car il y a autant de ruptures dans les réactifs que de formations dans les produits). Au lieu de cela, nous pouvons nous concentrer sur les liaisons carbone-carbone simples et doubles.
Voici les liaisons qui se forment et qui se rompent au cours d’une seule réaction de craquage :
| Liaison | |||
|---|---|---|---|
| Liaisons rompues | 1 | 1 | |
| Liaisons formées | 1 | 1 |
Cependant, il y a une chose essentielle à observer : la double liaison carbone-carbone ne se forme pas à partir de deux atomes de carbone non reliés ; elle se forme entre des atomes de carbone qui ont déjà une liaison simple entre eux, donc l’énergie libérée est la différence entre les énergies de liaison des liaisons simples et doubles.
| Énergie de liaison | 345 kJ/mol |
|---|---|
| Énergie de liaison | 611 kJ/mol |
| Énergie entrante (rupture de la liaison ) | 345 kJ/mol |
| Énergie sortante (conversion de la liaison en liaison ) | |
| Variation d’enthalpie |
Donc, nous pouvons voir que le craquage de l’octane est une réaction endothermique. La réaction génère deux molécules à partir d’une seule molécule, de sorte que la réaction est entraînée par la variation d’enthalpie et la température élevée.
Le craquage d’un alcane à chaîne linéaire comme l’octane produit un alcane plus court (hexane) et un alcène (éthène). Ce modèle peut être utilisé pour déduire l’identité d’un produit à partir de l’identité de l’autre.
De plus, les produits d’une réaction de craquage peuvent subir eux-mêmes un craquage.
Voici différentes façons dont l’octane peut être craqué :
Les produits de ces réactions, tels que l’hexane, pourraient être eux-mêmes craqués, produisant des alcanes et des alcènes encore plus petits.
Exemple 2: Prédire le deuxième produit du craquage de l’heptane, la formule développée de l’autre produit vous étant fournie
L’équation montre une réaction possible du craquage de l’heptane :
Le composé est un hydrocarbure non ramifié. Quelle est la formule développée du composé ?
Réponse
L’heptane est un alcane de formule chimique . Les produits d’une seule réaction de craquage d’un alcane seront un alcane et un alcène, tous deux plus courts que l’alcane de départ.
Le premier produit de cette réaction de craquage est le propène, un alcène de formule chimique . De là, nous pouvons en déduire que la formule chimique du second produit est . Ceci correspond à la formule générale d’un alcane, , où est égal à 4. L’énoncé de la question nous dit que le composé est non ramifié, donc le composé doit être le butane.
Le pétrole brut est un mélange complexe de nombreux hydrocarbures différents, pas seulement des alcanes et des alcènes simples. Il est distillé en fractions. Chaque fraction contient une plus petite variété de ces hydrocarbures, tous avec des points d’ébullition similaires.
Définition : Fraction
La substance pure ou le mélange qui peut être collecté dans une plage de température à partir d’une distillation fractionnée.
Les fractions comme l’essence et le gaz de pétrole liquéfié (GPL) sont très demandées, mais certaines des fractions les plus lourdes (fractions contenant des hydrocarbures plus gros), telles que l’huile lubrifiante, le mazout et le goudron, ne sont pas autant demandées.
Le craquage des fractions de pétrole brut plus lourdes se fait généralement à des températures plus basses que pour la production d’alcènes, autour de , à un peu moins de 2 bar de pression, en présence d’un catalyseur de zéolithe.
Lorsque les fractions les plus lourdes sont craquées, les hydrocarbures les plus longs sont décomposés en de plus petits. Par exemple, le mazout peut se décomposer pour donner de l’essence.
Ainsi, en théorie, une fraction plus lourde pourrait être convertie en une fraction plus légère par craquage.
Voici les fractions typiques du pétrole brut :
Si nous craquons une fraction, nous pourrons produire un mélange qui se rapproche d’une fraction plus légère. Au fur et à mesure que les hydrocarbures grossissent, leurs propriétés changent de manière prévisible :
À mesure que les hydrocarbures grossissent, leur point d’ébullition augmente et ils deviennent moins volatils et moins inflammables. En même temps, ils deviennent plus visqueux.
Donc, le craquage tend à produire des mélanges avec des points d’ébullition plus bas, qui sont plus volatils, plus inflammables et moins visqueux.
Exemple 3: Identifier dans une série de propriétés la propriété qui augmente pour les hydrocarbures soumis à un procédé de craquage
Pour laquelle des propriétés suivantes une augmentation est observée lorsque les hydrocarbures sont soumis à un procédé de craquage ?
- le point de fusion
- la volatilité
- la viscosité
- la taille moléculaire
- la point éclair
Réponse
Les hydrocarbures, comme les alcanes et les alcènes, ont tendance à avoir des variations prévisibles de leurs propriétés à mesure que la longueur de leur chaîne diminue. Au cours d’une réaction de craquage, les hydrocarbures sont généralement décomposés en alcanes et alcènes plus courts.
Les hydrocarbures (comme ceux produits par la distillation fractionnée du pétrole brut) ont des propriétés adaptées à leurs applications finales. Étant donné que certaines fractions de pétrole brut ont plus de valeur que d’autres, le craquage est effectué pour modifier les propriétés d’une fraction plus lourde (une fraction contenant des hydrocarbures plus gros) afin qu’elles ressemblent à celles d’une fraction plus légère (une fraction contenant des hydrocarbures plus petits).
Au fur et à mesure que la taille des hydrocarbures diminue, on a tendance à constater une diminution de leurs points de fusion, de leur viscosité (densité en tant que liquide) et de la température requise pour les enflammer (le point éclair). Ces propriétés diminuent en raison de la diminution de l’intensité des forces intermoléculaires (principalement les forces de dispersion de London) à mesure que les molécules deviennent plus petites.
Une autre propriété qui diminue à mesure que les hydrocarbures deviennent plus petits est leur point d’ébullition. Étant donné que les forces intermoléculaires deviennent plus faibles à mesure que les molécules deviennent plus petites, moins d’énergie est nécessaire pour les surmonter et transformer les molécules en gaz. Une substance volatile est une substance à bas point d’ébullition, nous nous attendons donc à ce que le craquage d’un hydrocarbure produise des produits ayant des points d’ébullition plus bas (et qui sont donc plus volatils) que la matière première.
La réponse est la B.
Points clés
- Le craquage est le processus de conversion de grosses molécules organiques (comme les hydrocarbures) en molécules plus petites.
- Le craquage des hydrocarbures est un processus endothermique qui nécessite des températures élevées pour être mener à bien.
- Le craquage des hydrocarbures se fait par voie thermique (sans catalyseur) ou catalytique (en présence d’un catalyseur) ; le craquage thermique est généralement effectuée à des températures plus élevées.
- Les alcanes peuvent être craqués en un mélange d’alcanes et d’alcènes.
- Des fractions plus lourdes de pétrole brut peuvent être converties en fractions plus légères par craquage.
