1

Hydrokarbonkjemi

Torsdag 3. November 2005

Tanja Barth1.amanuensis, Avdeling for oljeutvinning og petroleumskjemiKjemisk instituttUniversitetet i Bergen

Fagfelt: Petroleumskjemi, organisk analytisk kjemi, petroleumsgeokjemi, fornybare drivstoff

2

Innhold:►Organiske forbindelser og det periodiske system

Bindingsgeometrier for karbon►Hydrokarboner – de enkleste organiske forbindelsene

Formler, navn og strukturerIsomere formerHomologe serier

►Hvordan dannes olje og gass ?og hva består den av ?

►Organiske forbindelser som innholder O,N, og SAlkoholer, karboksylsyrer, nitrogen- og

svovel-forbindelser

►Sammenheng mellom kjemisk sammensetning og egneskaper til olje.►Hvor mye olje og gass finnes, og hva er alternativene ?

3

Det periodiske system

4

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-

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.

Karbon har 4 elektroner i ytterste ”skall”, hvor det er plass til totalt 8 elektroner. Hver karbonkjerne kan danne 4 bindinger. Det dannes ofte lange kjeder av karbonatomer, og dette er byggesteiner i levende organismer.

5

Strukturer hentet fra http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch02/ch2-0.html

Elektronene i et ”enslig”karbonatomEr fordelt mellom en kulerund S-orbital og tre 8-tallsformede p-orbitaler.Disse kan smelte sammen til 4 symmetriske bindinger, kalt sp3-orbitaler som binder seg til andre atomer.

Metan, CH4

Etan, C2H6

6

CH4

CH3-CH3

CH3- CH2-CH3

metan

etan

propan, C3H6

CH3- CH2-CH2-CH3

butan, C4H8

CH3

CH3- CH2-CH32-metyl-propan

Måter å angi molekyler:

7

                         

  

                          

       

                               

  

                 

       

Figurene er hentet fra: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1organic/1org_frame.html

En annen måte å visualisere strukturene:

8

                                   

   

                       

         

n-pentan2-metylpentan el.

Isopentane

                        

   

2,2 dimetylpentan eller Neopentane

Hvor mange strukturer finnes for et gitt antall karbon ?

9

6 karbonatomer: 5 mulige strukturer7 98 189 35:12 355:15 4347:18 60523:

Hvor mange mulige strukturer for rettkjedete og forgrenete alkaner ?

=> Tilnærmet uendelig !

10

NameMolecularFormula

MeltingPoint (oC)

BoilingPoint (oC)

State at 25oC

methane CH4 -182.5 -164 gas

ethane C2H6 -183.3 -88.6 gas

propane C3H8 -189.7 -42.1 gas

butane C4H10 -138.4 -0.5 gas

pentane C5H12 -129.7 36.1 liquid

hexane C6H14 -95 68.9 liquid

heptane C7H16 -90.6 98.4 liquid

octane C8H18 -56.8 124.7 liquid

nonane C9H20 -51 150.8 liquid

Betegnelse: Alkaner (gammeldags: parafiner)

11

decane C10H22 -29.7 174.1 liquid

undecane C11H24 -24.6 195.9 liquid

dodecane C12H26 -9.6 216.3 Liqid

eicosane C20H42 36.8 343 solid

triacontane C30H62 65.8 449.7 solid

Fra C5 inngår antall karbonatomer i navnet !

12

                                                                                  

I andre forbindelser er ikke alle orbitalene smeltet sammen til likeverdige hybrider

Den ”ledig” p-orbital på hver kjerne danner en ekstra binding = dobbeltbindingGenerell betegnelse: AlkenAngies med dobbel strek:

CH3

CH3

CH3

CH3

eller

Alkenbindingene er stive, molekyle får en plan form !

13

Tilsvarende for to hydrdiserte og to ikke-hybridiserete orbitaler:

Gir trippelbindinger = alkynerLineære molekyler rundt dobbeltbindingen.

14

Karbonkjedene kan også kytte seg sammen i ring:

CH2

CH2 CH2

CH2

CH2

CH2

CH2CH2

CH2

CH2 CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2 CH2

CH2

Vanligvis 6 eller 5 karbon-atomer i ringen pga. vinklene.Formel C6H12

Skjematisk:

”Stol” eller ”båt”form

15

                              

    

                               

          

syklopentan

sykloheksan

Sykloalkanen kan koples Sammen med kjeder ved å bytte ut en C-H binding med en C-C binding

16

Aromatiske forbindelser:Sp2-hybridiserete karbon, en ”ledig” orbital igjen på hvert karbon i en ring, danner en flytende dobbeltbinding

Bensen: C6H6

Ekstr stabil, plan forbindelse

17

Polyaromatiske forbindelser, PAH

Mye mer reaktive enn alkanene, mange kreftfremkallende forbindelser.

18

19

20

21

22

23

Olje og gass – 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.

Hvordan blir oljen til, og hva styrer sammensetingen ?

24

En kildebergart dannes ved at rester av døde organismer avsettes i mudderet på bunnen av en sjø

25

Kildebergarten begraves, og varmes langsomt opp.Ved ca 80 grader begynner det organiske materialet å brytes ned fra fast til flytende form, og hydrokarboner skilles ut av kildebergarten. Oljen flyter opp gjenno porøse lag, og samler seg under tette overdekkinger i et reservoar.

Lav temperatur: Seig olje, høy molekylvektHøy temperatur:Gass

26

Den porøse reservoarsteinen inneholder alltid vann i tillegg til olje. Petroleumsforkomsten kan være olje, gass eller litt av begge deler.

Illustrasjoner fraK.Bjørlykke, Geologisk institutt,UiO

27

De største molekylene kalles asfaltener, og har ikke noenbestemt struktur.

28

Hvordan vet vi at olje dannes fra fossil biomasse ?

Oljen inneholder ”molekylære fossiler”

N

N

N

NV

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Vanadyl octaethylporphyrin

I grønne planter: I olje:

29

Oljen inneholder forbindelser som ikke er hydrokarboner:

Oksygeholdige forbindelser

3-metylfenol oktansyre

Oksygenet har mye sterkere elektronaffinitet enn karbon, så et elektron kan trekkes bort fra hydrogenatomet. Dette går ut som H+, og forbindelsene er dermed syrer

30

Nitrogenholdige forbindelser:

2,6 dimetylquinolin

N

Pyridin

Nitrogenatomer i aromatiske strukturer har høy elektrontetthet, som de kan dele med et H+

De er dermed baser.

31

Svovelforbindelser- Må fjernes fra oljeproduktene av miljøhensyn !

S

Tiofen (aromatisk)

1-Heksantiol

32

Oljens fysiske egenskaper er avhengig av den kjemiske sammensetningen:

Mye hydrokarboner med lav molekylvekt:Lettflytende olje, lite viskøs, danner ikke emulsjoner, 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, i det hele tatt vanskelig håndterbar !

33

Name

MolecularFormula

MeltingPoint (oC)

BoilingPoint (oC)

State

at 25oC

methane CH4 -182.5 -164 gas

ethane C2H6 -183.3 -88.6 gas

propane C3H8 -189.7 -42.1 gas

butane C4H10 -138.4 -0.5 gas

pentane C5H12 -129.7 36.1 liquid

hexane C6H14 -95 68.9 liquid

heptane C7H16 -90.6 98.4 liquid

octane C8H18 -56.8 124.7 liquid

nonane C9H20 -51 150.8 liquid

34

decane C10H22 -29.7 174.1 liquid

undecane C11H24 -24.6 195.9 liquid

dodecane C12H26 -9.6 216.3 Liqid

eicosane C20H42 36.8 343 solid

triacontane C30H62 65.8 449.7 solid

35

Høyt innhold av asfaltener er lite ønskelig !

Gjennomsnittlig struktur

Asfaltener ”klumper seg” til miceller

36

ReserverReserver31%31%

ProdusertProdusert31%31%

IORIOR

FunnFunn

UoppdagetUoppdaget26%26%

NorskehaveNorskehavett36%36%

BarentsBarents29%29%

NordsjøenNordsjøen35%35%

• 70 prosent av forventede utvinnbare ressurser er ikke produsert

• 60 funn og 130 prosjekter for økt utvinning er under vurdering

Kilde: Kilde: ODOD

Ressursbildet på norsk sokkel

37

Den langsiktige utviklingsbanen på norsk Den langsiktige utviklingsbanen på norsk sokkel ?sokkel ?

http://www.og21.org/files/OG21_-_Nordgaard_-_BRU_seminar_NTNU_220805.ppt#1

38

• Norge produs

Mer fokus på gass

Gass og olje produksjon på norsk sokkel

0,00200,00

400,00600,00

800,001000,00

1200,001400,00

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005Pro

du

ksjo

n (

mill

. fat

o.e

.)

Oljeproduksjon Gassproduksjon

• 43% av Norges produksjon i 2004 var gass

• Norges produksjon i fremtiden vil bestå av mer gass og mindre olje

• Økt verdiskapning fra gass vil derfor være avgjørende for opprettholdelse av inntekter fra petroleumsindustrien

• Økt satsning på FoU relatert til økt verdiskapning fra gass vil være viktig

39http://www.energybulletin.net/primer.php

Ressurser i verden ?

40

Projsert forbruk !

41

Alternative til å bruke mer olje ?Transport krever drivstoff til en motor !

Gass også fossilt (men kan lages fornybart også)Etanol fornybar fra cellulose !Elektrisitet Vannkraft er bra !Energiøkonomisering Bra, men begrenset.Nye fornybare drivstoff fra biomasse må utvikles !

Hydrogen Må lages !

42

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 summeformlerhttp://home.online.no/~taninfo/kjemi/organisk/index_organisk.html

Personlig utformet kjemiside med utgangspunkt i det periodiske systemhttp://home.ringnett.no/lars.finsen/kjemi.htm

Et annet greitt periodisk system med norske navnhttp://www.torstad.gs.ah.no/oppgaver/periodisk.htm

Generelt om olje og gass – historie, ressurser etc. – ikke kjemihttp://www.gyldendal.no/undervisning/petroleum3/realindex.html

Fornybare energikilder –en veldig god ovrsikt !http://program.forskningsradet.no/nytek/nfe/publi_nfe.htm