6.1 Nafta in predelava nafte

Organska teorija nastanka nafte pravi, da sta v dolgi geološki zgodovini našega planeta iz odmrlih ostankov mikroorganizmov (fosilov), ki so se nabirali na dnu oceanov, pri posebnih pogojih (visoka temperatura in tlak, razmere brez kisika) nastala nafta in zemeljski plin. Zato jima pravimo tudi fosilni gorivi. Sta pomembna vira energije in hkrati dragocena surovinska osnova današnjega življenjskega standarda.

Surova nafta je homogena zmes organskih (organske spojine so spojine, ki vsebujejo ogljik) in anorganskih spojin. Med organskimi spojinami v nafti prevladujejo ogljikovodiki. Ime pove, da so molekule ogljikovodikov sestavljene le iz atomov ogljika in vodika.

Posameznih spojin iz surove nafte ne moremo izolirati, lahko pa na osnovi razlik v njihovih vreliščih ločimo skupine sorodnih organskih spojin. Postopek imenujemo frakcionirna destilacija in poteka v rafinerijah.

ALI VEŠ?
Različnih organskih spojin je v nafti po ocenah strokovnjakov od 100 000 do 1 000 000. Poleg ogljika organske spojine pogosto vsebujejo še vodik, kisik, dušik in žveplo. Čeprav tudi ogljikov oksid, ogljikov dioksid ter karbonati in hidrogenkarbonati vsebujejo ogljik, jih ne uvrščamo med organske spojine ampak med anorganske spojine.

Molekule ogljikovodikov so lahko sestavljene iz poljubnega števila ogljikovih atomov, ki se lahko povežejo v razvejane ali nerazvejane verige (aciklične spojine) ali v obroče (ciklične spojine).

• Med ogljikovimi atomi so lahko enojne vezi, te ogljikovodike imenujemo alkani.
• Če so med ogljikovimi atomi dvojne vezi, te ogljikovodike imenujemo alkeni.
• Če so med ogljikovimi atomi trojne vezi, pa ogljikovodike imenujemo alkini.

Če ogljikovodikom damo vir vžiga, na zraku gorijo. Produkti gorenja so ogljikov oksid, ogljikov dioksid, saje in vodna para.

ALI VEŠ?
Na bencinskih črpalkah opazimo znak za eksplozivno, ker je zmes hlapov bencina in naftnih derivatov v zmesi z zrakom ob viru vžiga eksplozivna. Zato ne smemo točiti goriva ob prižganem avtomobilu.

Področje kemije, ki sodeluje z industrijo pridobivanja organskih spojin iz nafte in zemeljskega plina, se imenuje petrokemija. Predelava nafte poteka v rafinerijah s postopkom frakcionirne destilacije. Osnovno načelo ločevanja sestavin nafte temelji na dejstvu, da je vrelišče ogljikovodikov odvisno od števila ogljikovih atomov v molekuli. Čim večje je število ogljikovih atomov, tem višje je vrelišče.

Največje povpraševanje je po bencinu, vendar ga je v surovi nafti le 20-30 %. Potrebe pa so tolikšne, da je treba kar 50 % surove nafte predelati v bencin. Glavna sestavina bencina so ogljikovodiki, ki imajo v molekuli od 5 do 10 ogljikovih atomov in razvejeno zgradbo.

Ker pri frakcionirni destilaciji dobimo premalo bencina glede na potrebe trga, ga pridobivajo z dodatnima postopkoma kreking in reforming iz višjih frakcij nafte, npr. mazalnega olja, ki ga dobijo pri frakcionirni destilaciji več kot ga potrebuje trg. V postopku kreking cepijo daljše molekule ogljikovodikov, da dobijo krajše molekule ogljikovodikov. Iz daljših molekul alkanov pri krekingu torej nastanejo krajše molekule alkanov in nenasičeni ogljikovodiki alkeni in alkini. Kreking poteka pri visoki temperaturi in s pomočjo katalizatorja.

Poleg krekinga se uporablja tudi postopek reforming, s katerim spremenijo zgradbo molekul ogljikovodikov tako, da iz ravnih verig postanejo bolj razvejene.

Ogljikovodiki so zelo uporaben vir energije. Pri popolnem gorenju se razgradijo v ogljikov dioksid in vodo, pri reakciji pa se sprostita toplota in svetloba. Energijo, ki se sprosti pri izgorevanju ogljikovodikov, izkoriščajo v termoelektrarnah ter za pogon motorjev.
Kot goriva so najpomembnejši ogljikovodiki z do največ 15 ogljikovimi atomi v molekuli.

Najpogosteje se uporablja bencin, v katerem prevladujejo ogljikovodiki s 5 do 10 ogljikovimi atomi v molekuli. Kvaliteto bencina kot goriva določa oktansko število. Višja ko je vrednost oktanskega števila, boljša je kvaliteta bencina. Tipične vrednosti oktanskega števila bencinov za osebne avtomobile so med 95 in 100. Bencin z višjim oktanskim številom je odpornejši proti samovžigu mešanice zraka in bencina ob stiskanju (kompresiji) v batu bencinskega motorja.

V avtomobilskem motorju plini, ki nastajajo pri zgorevanju goriva, potiskajo bate motorja, gibanje batov pa se prenese na gibanje koles avtomobilov. Avtomobili danes kot gorivo, poleg bencina, večinoma uporabljajo še plinsko olje (dizel) ali plin.

ALI VEŠ?
Oktansko število določijo tako, da v laboratoriju in v bencinskem motorju merijo odpornost goriva proti samovžigu ob kompresiji v bencinskem motorju in to primerjajo z mešanico izooktana in n-heptana. Izooktanu so določili oktansko število 100, ker je najbolj odporen proti samovžigu ob kompresiji v motorju, n-heptanu pa so določili oktansko število 0 (najmanj odporen). Tipične vrednosti oktanskega števila bencinov za osebne avtomobile so med 95 in 100. Višje oktansko število dosežejo z dodajanjem dodatkov bencinu, npr. tetraetilsvinca.

Bencinska mešanica v bencinskem motorju se ne sme vžgati predčasno, pod pogoji rastoče temperature in tlaka v motorju mora zgorevati enakomerno. Da zagotovimo pravilno delovanje bencinskega motorja, natočimo v avtomobilski rezervoar bencin z ustreznim oktanskim številom. Ustrezno oktansko število dobimo s spreminjanjem relativne sestave bencinske mešanice in z dodajanjem snovi, ki zvišajo oktansko število. Bencinska mešanica, ki ima oktansko število 95, zgoreva v bencinskem motorju s hitrostjo, kot bi jo imela mešanica, sestavljena iz 95 delov izooktana in 5 delov heptana.

Produkti predelave surove nafte v rafinerijah predstavljajo več kot 80 % surovinske osnove petrokemijske, kemijske, farmacevtske industrije in drugih industrijskih panog. Industrijsko pomembni produkti predelave nafte so nenasičeni ogljikovodiki – alkeni in alkini (eten, etin in propen), ki so surovine za pridobivanje sredstev proti zmrzovanju (antifriz), zdravil, polimerov in kozmetičnih pripravkov.

ALI VEŠ?
Glavna sestavina antifriza je etilenglikol, ki ga pridobivajo iz etina. V vodi je dobro topen. Pri nizkih temperaturah molekule etilenglikola ovirajo kristalizacijo vode v led. Etilenglikol tako znižuje zmrzišče vode.

Ogljikovodiki, ki imajo od 16 do 20 ogljikovih atomov v molekuli, so pol tekoči, uporabljajo se za izdelavo maziv za industrijske stroje. Znano mazivo je vazelin.

Ogljikovodiki, ki imajo več kot 20 ogljikovih atomov v molekuli, so trdni. Parafin se uporablja za izdelavo sveč, vžigalic in različnih loščil za tla in pohištvo. Katran se uporablja za izdelavo kritin za streho, je sestavina asfalta, dodajajo pa ga tudi sintetičnim gumam. Naftna pogača se uporablja kot gorivo in za izdelavo ogljikovih elektrod.