Hydrokarbonkjemi Torsdag 3. November 2005 Tanja Barth 1.amanuensis, Avdeling for oljeutvinning og petroleumskjemi Kjemisk institutt Universitetet i Bergen Fagfelt: Petroleumskjemi, organisk analytisk kjemi, petroleumsgeokjemi, fornybare drivstoff

Innhold: Organiske forbindelser og det periodiske system Bindingsgeometrier for karbon Hydrokarboner – de enkleste organiske forbindelsene Formler, navn og strukturer Isomere former Homologe serier Hvordan dannes olje og gass ? og hva består den av ? Organiske forbindelser som innholder O,N, og S Alkoholer, karboksylsyrer, nitrogen- og svovel- forbindelser Sammenheng mellom kjemisk sammensetning og egneskaper til olje. Hvor mye olje og gass finnes, og hva er alternativene ?

Det periodiske system

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.

Elektronene i et ”enslig”karbonatom Er 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 Strukturer hentet fra http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Ch02/ch2-0.html

Måter å angi molekyler: CH3- CH2-CH3 CH4 propan, C3H6 metan CH3- CH2-CH2-CH3 butan, C4H8 CH3-CH3 CH3 CH3- CH2-CH3 etan 2-metyl-propan

En annen måte å visualisere strukturene:                                                                                                                          Figurene er hentet fra: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1organic/1org_frame.html

Hvor mange strukturer finnes for et gitt antall karbon ?                                                                         n-pentan 2-metylpentan el. Isopentane                             2,2 dimetylpentan eller Neopentane

Hvor mange mulige strukturer for rettkjedete og forgrenete alkaner ? 6 karbonatomer: 5 mulige strukturer 7 9 8 18 9 35 : 12 355 15 4347 18 60523 => Tilnærmet uendelig !

Betegnelse: Alkaner (gammeldags: parafiner) Name Molecular Formula Melting Point (oC) Boiling Point (oC) State at 25oC methane CH4 -182.5 -164 gas ethane C2H6 -183.3 -88.6 propane C3H8 -189.7 -42.1 butane C4H10 -138.4 -0.5 pentane C5H12 -129.7 36.1 liquid hexane C6H14 -95 68.9 heptane C7H16 -90.6 98.4 octane C8H18 -56.8 124.7 nonane C9H20 -51 150.8

Fra C5 inngår antall karbonatomer i navnet ! decane C10H22 -29.7 174.1 liquid undecane C11H24 -24.6 195.9 dodecane C12H26 -9.6 216.3 Liqid eicosane C20H42 36.8 343 solid triacontane C30H62 65.8 449.7 Fra C5 inngår antall karbonatomer i navnet !

I andre forbindelser er ikke alle orbitalene smeltet sammen til likeverdige hybrider Den ”ledig” p-orbital på hver kjerne danner en ekstra binding = dobbeltbinding Generell betegnelse: Alken Angies med dobbel strek:                                                                                    eller Alkenbindingene er stive, molekyle får en plan form !

Tilsvarende for to hydrdiserte og to ikke-hybridiserete orbitaler: Gir trippelbindinger = alkyner Lineære molekyler rundt dobbeltbindingen.

Karbonkjedene kan også kytte seg sammen i ring: Skjematisk: Vanligvis 6 eller 5 karbon-atomer i ringen pga. vinklene. Formel C6H12 ”Stol” eller ”båt”form

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

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

Polyaromatiske forbindelser, PAH Mye mer reaktive enn alkanene, mange kreftfremkallende forbindelser.

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 ?

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

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 molekylvekt Høy temperatur: Gass

Den porøse reservoarsteinen inneholder alltid vann i tillegg til olje Den porøse reservoarsteinen inneholder alltid vann i tillegg til olje. Petroleumsforkomsten kan være olje, gass eller litt av begge deler. Illustrasjoner fra K.Bjørlykke, Geologisk institutt, UiO

De største molekylene kalles asfaltener, og har ikke noen bestemt struktur.

Hvordan vet vi at olje dannes fra fossil biomasse ? Oljen inneholder ”molekylære fossiler” I grønne planter: I olje: Vanadyl octaethylporphyrin

Oljen inneholder forbindelser som ikke er hydrokarboner: Oksygeholdige forbindelser oktansyre 3-metylfenol 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

Nitrogenholdige forbindelser: 2,6 dimetylquinolin Pyridin Nitrogenatomer i aromatiske strukturer har høy elektrontetthet, som de kan dele med et H+ De er dermed baser.

Svovelforbindelser - Må fjernes fra oljeproduktene av miljøhensyn ! Tiofen (aromatisk) 1-Heksantiol

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 !

Name Molecular Formula Melting Point (oC) Boiling Point (oC) State at 25oC methane CH4 -182.5 -164 gas ethane C2H6 -183.3 -88.6 propane C3H8 -189.7 -42.1 butane C4H10 -138.4 -0.5 pentane C5H12 -129.7 36.1 liquid hexane C6H14 -95 68.9 heptane C7H16 -90.6 98.4 octane C8H18 -56.8 124.7 nonane C9H20 -51 150.8

decane C10H22 -29.7 174.1 liquid undecane C11H24 -24.6 195.9 dodecane C12H26 -9.6 216.3 Liqid eicosane C20H42 36.8 343 solid triacontane C30H62 65.8 449.7

Høyt innhold av asfaltener er lite ønskelig ! Asfaltener ”klumper seg” til miceller Gjennomsnittlig struktur

Ressursbildet på norsk sokkel 70 prosent av forventede utvinnbare ressurser er ikke produsert 60 funn og 130 prosjekter for økt utvinning er under vurdering Barents 29% Produsert 31% Uoppdaget 26% Nordsjøen 35% Funn Norskehavet 36% IOR Reserver 31% Kilde: OD

Den langsiktige utviklingsbanen på norsk sokkel ? http://www.og21.org/files/OG21_-_Nordgaard_-_BRU_seminar_NTNU_220805.ppt#1

Mer fokus på gass Norge produs 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 Norge produs

Ressurser i verden ? http://www.energybulletin.net/primer.php

Projsert forbruk !

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 !

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 summeformler http://home.online.no/~taninfo/kjemi/organisk/index_organisk.html Personlig utformet kjemiside med utgangspunkt i det periodiske system http://home.ringnett.no/lars.finsen/kjemi.htm Et annet greitt periodisk system med norske navn http://www.torstad.gs.ah.no/oppgaver/periodisk.htm Generelt om olje og gass – historie, ressurser etc. – ikke kjemi http://www.gyldendal.no/undervisning/petroleum3/realindex.html Fornybare energikilder –en veldig god ovrsikt ! http://program.forskningsradet.no/nytek/nfe/publi_nfe.htm