Οι υδρογονάνθρακες Στην ενότητα αυτή θα ασχοληθούμε με τις ενώσεις του άνθρακα, οι οποίες είναι το αντικείμενο μελέτης ενός κλάδου της Χημείας που ονομάζεται Οργανική Χημεία Οργανική Χημεία ονομάζεται ο κλάδος της Χημείας που μελετά τις ενώσεις του άνθρακα, εκτός από τα οξείδια του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα Μέχρι το 1828 οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι οργανικές ενώσεις μπορούσαν να παραχθούν μόνο στους ιστούς των ζώντων οργανισμών, γιατί απαιτούσαν μία «ζωική δύναμη» Η τυχαία σύνθεση της ουρίας από τον F. Wohler το 1828, άνοιξε νέους δρόμους για την επιστήμη της Χημείας και νέες δυνατότητες στον άνθρωπο να βελτιώσει τη ζωή του.

Το πλήθος των οργανικών ενώσεων Οι οργανικές ενώσεις είναι πολύ περισσότερες από τις ανόργανες ενώσεις Το 95% των γνωστών σήμερα χημικών ενώσεων είναι οργανικές ενώσεις Το μεγάλο πλήθος τους οφείλεται στην ιδιαίτερη ικανότητα που έχουν τα άτομα του άνθρακα να συνδέονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν τόσο ανοικτές αλυσίδες, όσο και κλειστές αλυσίδες που ονομάζονται δακτύλιοι Ανοικτή ευθεία αλυσίδα Ανοικτή διακλαδισμένη αλυσίδα Κυκλική αλυσίδα

Η ταξινόμηση των οργανικών ενώσεων Ταξινόμηση με βάση την αλυσίδα

Οι υδρογονάνθρακες είναι μία μεγάλη ομάδα οργανικών ενώσεων των οποίων τα μόρια αποτελούνται μόνο από άνθρακα και υδρογόνο (υδρογόνο + άνθρακας =υδρογονάνθρακας) Προέλευση: Οι κύριες πηγές από τις οποίες λαμβάνονται οι υδρογονάνθρακες είναι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο Οι υδρογονάνθρακες

Η ταξινόμηση των υδρογονανθράκων με βάση τη μορφή της ανθρακικής αλυσίδας Άκυκλες είναι οι οργανικές ενώσεις στις οποίες οι άνθρακες σχηματίζουν ανοικτές αλυσίδες Διακρίνονται σε ευθείας αλυσίδας διακλαδισμένης αλυσίδας Κυκλικές είναι οι οργανικές ενώσεις στις οποίες οι άνθρακες σχηματίζουν κλειστές αλυσίδες

H καύση των υδρογονανθράκων

Η καύση Καύση ονομάζεται η χημική αντίδραση ενός στοιχείου ή μίας χημικής ένωσης με το οξυγόνο, η οποία συνοδεύεται από παραγωγή θερμότητας και φωτός Τα προϊόντα της καύσης ονομάζονται καυσαέρια Όλες οι ουσίες έχουν αποθηκευμένη χημική ενέργεια Κατά την καύση μιας ουσίας η χημική της ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και φωτεινή ακτινοβολία Όλες οι ουσίες έχουν αποθηκευμένη χημική ενέργεια Κατά την καύση μιας ουσίας η χημική της ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και φωτεινή ακτινοβολία Οι ουσίες ή τα σώματα τα οποία καίγονται για να μετατραπεί η χημική τους ενέργεια σε άλλες χρήσιμες μορφές ενέργειας χαρακτηρίζονται καύσιμα Τα συμβατικά καύσιμα είναι το ξύλο, οι γαιάνθρακες, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αποτελούνται από υδρογονάνθρακες και είναι ορυκτά καύσιμα, όπως και οι γαιάνθρακες

Η τέλεια καύση των υδρογονανθράκων  Σχεδόν όλες οι οργανικές ενώσεις καίγονται με χαρακτηριστική φλόγα, δηλαδή αντιδρούν με το οξυγόνο απελευθερώνοντας θερμότητα  Όταν υπάρχει επαρκής ποσότητα οξυγόνου η καύση χαρακτηρίζεται τέλεια καύση  Κατά την τέλεια καύση μίας οργανικής ένωσης όλος ο άνθρακας της μετατρέπεται σε CO 2 και όλο το υδρογόνο της μετασχηματίζεται σε Η 2 Ο Η χημική εξίσωση της τέλειας καύσης καρέ - καρέ Η καύση του μεθανίου  Γράφουμε στο 1ο μέλος της χημικής εξίσωσης τα αντιδρώντα, δηλαδή το μεθάνιο και το οξυγόνο, και στο 2ο μέλος τα προϊόντα, δηλαδή το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό CH 4 (g) + O 2 (g)  CΟ 2 (g) + H 2 O (g)  Από την αρχή διατήρησης των ατόμων στις χημικές αντιδράσεις βάζουμε συντελεστές στο CO 2 και στο Η 2 Ο στο 2ο μέλος της εξίσωσης CH 4 (g) + O 2 (g)  CΟ 2 (g) + 2H 2 O (g)  Υπολογίζουμε τα άτομα του οξυγόνου στο 2ο μέλος και τα διαιρούμε δια 2, ώστε να βάλουμε συντελεστή στα μόρια του οξυγόνου στο 1ο μέλος CH 4 (g) + 2O 2 (g)  CΟ 2 (g) + 2H 2 O (g) Μεθάνιο + οξυγόνο  διοξείδιο του άνθρακα + νερό + θερμότητα

Η καύση του βουτανίου 1. C 4 H 10 (g) + O 2 (g)  CΟ 2 (g) + H 2 O (g) 2. C 4 H 10 (g) + O 2 (g)  4CΟ 2 (g) + 5H 2 O (g) 3. C 4 H 10 (g) + 13/2O 2 (g)  4CΟ 2 (g) + 5H 2 O(g) Για να αποφύγουμε τους κλασματικούς συντελεστές, διπλασιάζουμε τους συντελεστές όλων των ουσιών στην εξίσωση επί 2 2C 4 H 10 (g) + 13O 2 (g)  8CΟ 2 (g) + 10H 2 O (g) βουτάνιο + οξυγόνο  διοξείδιο του άνθρακα + νερό + θερμότητα Η καύση του μεθανίου με προσομοιώματα

Η ατελής καύση Όταν μία οργανική ένωση καίγεται με ανεπαρκή ποσότητα οξυγόνου, τότε η καύση χαρακτηρίζεται ατελής  Κατά την ατελή καύση αρχικά καίγεται το υδρογόνο της ένωσης και μετασχηματίζεται σε Η 2 Ο.  Αν δεν υπάρχει άλλο οξυγόνο, ο άνθρακας παραμένει άκαυστος ως αιθάλη (C)  Αν υπάρχει και άλλο οξυγόνο ο άνθρακας μπορεί να μετατραπεί σε CO (μονοξείδιο του άνθρακα) ή μείγματα C, CO και CO 2 Πιθανές ατελείς καύσεις για το μεθάνιο Ατελής καύση του μεθανίου προς αιθάλη CH 4 (g) + O 2 (g)  C(s) + 2H 2 O (g) Μεθάνιο + οξυγόνο  αιθάλη + νερό + θερμότητα Ατελής καύση του μεθανίου προς μονοξείδιο του άνθρακα 2CH 4 (g) + 3O 2 (g)  2CΟ(g) + 4H 2 O (g) Μεθάνιο + οξυγόνο  μονοξείδιο του άνθρακα + νερό + θερμότητα

Οι υδρογονάνθρακες ως καύσιμα  Τα σώματα τα οποία χρησιμοποιούνται για την απελευθέρωση ενέργειας μέσω της καύσης και τη μετατροπή της σε άλλες μορφές, όπως κινητική ενέργεια στα αυτοκίνητα, τα αεροπλάνα, τα τρένα κ.λ.π. και ηλεκτρική ενέργεια ονομάζονται καύσιμα  Τα πιο σημαντικά είναι τα ορυκτά καύσιμα  Ορυκτά καύσιμα είναι αυτά τα οποία εξορύσσονται από το υπέδαφος της γης και είναι: οι γαιάνθρακες το πετρέλαιο το φυσικό αέριο.  Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αποτελούνται κυρίως από κορεσμένους υδρογονάνθρακες, οι οποίοι όταν καίγονται ελευθερώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, ως θερμότητα και ως ακτινοβολία Τα ορυκτά καύσιμα είναι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η υπερεκμετάλλευσή τους θα οδηγήσει στην εξάντλησή τους σε σύντομο χρονικό διάστημα Το κάρβουνο ήταν το πρώτο ορυκτό καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε

Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης Και λίγη ιστορία… Το 1824 ο Γάλλος φυσικός S. Carnot διατύπωσε τη θερμοδυναμική θεωρία για τις ιδανικές θερμικές μηχανές Χρειάστηκε να περάσουν 50 χρόνια και να γίνουν δεκάδες προσπάθειες πριν το 1876 ο Nikolaus Otto μαζί με τους G. Daimler και W. Maybach κατασκευάσουν ένα πρακτικό τετράχρονο κινητήραNikolaus OttoG. DaimlerW. Maybach Το 1879 οK. Benz, κατασκεύασε ένα δίχρονο κινητήρα και αργότερα έναν τετράχρονο που ήταν και ο πρώτος που μπήκε στην παραγωγή για τα αυτοκίνηταK. Benz Η λειτουργία Οι μηχανές εσωτερικής καύσης είναι θερμικές μηχανές, οι οποίες μετασχηματίζουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου που ελευθερώνεται κατά την καύση σε μηχανική ενέργεια Η αντίδραση παράγει αέρια υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας τα οποία εκτονώνονται προκαλώντας την κίνηση των μηχανικών μερών του κινητήρα, όπως το πιστόνι Η κίνηση που κάνει το πιστόνι μεταφέρεται στους τροχούς και τους αναγκάζει να περιστρέφονται, οπότε το αυτοκίνητο κινείται Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης Η χρήση των ενεργειακών πηγών στην Ελλάδα και την Ε.Ε. το 2000

Η ρύπανση της ατμόσφαιρας  Η ανάπτυξη και η συνεχής βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων, η αύξηση της βιομηχανικής παραγωγής, η αύξηση των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια και ο καταναλωτικός τρόπος ζωής έχει αυξήσει σημαντικά τη χρήση των ορυκτών καυσίμων  Τα προϊόντα της καύσης των ορυκτών καυσίμων, δηλαδή τα καυσαέρια, ελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα και μεταβάλλουν τη σύστασή της, δηλαδή την ρυπαίνουν  Η ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί ένα σοβαρό περιβαλλοντικό ζήτημα με επιπτώσεις στο κλίμα, στο φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον, στα οικοσυστήματα, στην υγεία των ανθρώπων και στην οικονομία Η ατμοσφαιρική ρύπανση δε γνωρίζει σύνορα Οι ρύποι με τον αέρα μεταφέρονται εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά από τον τόπο παραγωγής τους καταστρέφοντας δάση, ποτάμια και πολύτιμα οικοσυστήματα

Τα καυσαέρια Τα καυσαέρια διακρίνονται σε: Αδρανή: Είναι το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα δεν προκαλεί άμεσα βλάβες στον άνθρωπο, αλλά επιβαρύνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου Πηγή: Εφημερίδα «ΤΑ ΝΕΑ»

Τοξικά: Προκαλούν άμεσες βλάβες στην υγεία Τα κυριότερα είναι: Α. Τα οξείδια του αζώτου (ΝΟχ, όπως το ΝΟ και το ΝΟ 2 ) Παράγονται κυρίως κατά την καύση στους κινητήρες των αυτοκινήτων και είναι υπεύθυνα για το φωτοχημικό νέφος, την όξινη βροχή και τη δημιουργία όζοντος στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας Β. Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Παράγεται κατά την ατελή καύση και είναι δηλητηριώδες, γιατί δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη του αίματος με αποτέλεσμα να μην μπορεί να μεταφέρει οξυγόνο Σε σχετικά μεγάλη ποσότητα προκαλεί το θάνατο Τα μεγάλα αστικά κέντρα που έχουν έντονα κυκλοφοριακά προβλήματα και μεγάλη ηλιοφάνεια, όπως η Αθήνα και το Λος Άντζελες μετατρέπονται σε θαλάμους αερίων εξαιτίας του φωτοχημικού νέφους Πηγή: Εφημερίδα «ΤΑ ΝΕΑ»

Τα οξείδια του θείου (SO 2, SO 3 ) Προκαλούν σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα και ευθύνονται για την όξινη βροχή Προέρχονται κυρίως από την καύση γαιανθράκων Δ. Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (VOCs) Κατά την ατελή καύση των ορυκτών καυσίμων, κυρίως σε λέβητες και κινητήρες ελευθερώνονται υδρογονάνθρακες οι οποίοι δεν έχουν καεί Αυτοί είναι υπεύθυνοι για σοβαρές παθήσεις του αναπνευστικού και ενοχοποιούνται και για πρόκληση καρκίνου. Πηγή: Εφημερίδα «ΤΑ ΝΕΑ» Η Ελλάδα έχει σοβαρό πρόβλημα ατμοσφαιρικής ρύπανσης τόσο εξαιτίας της κίνησης των ιδιωτικών αυτοκινήτων, όσο και εξαιτίας της χρήσης του λιγνίτη στα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια

Μέτρα προστασίας από την ατμοσφαιρική ρύπανση  Οι σοβαρές επιπτώσεις στο περιβάλλον, στην οικονομία και στην υγεία των ανθρώπων επιβάλλουν τη λήψη μέτρων για την προστασία από την ατμοσφαιρική ρύπανση  Τα κυριότερα μέτρα για τη μείωση των εκπομπών ρύπων είναι: Η αλλαγή στη λειτουργία των κινητήρων  Η παραγωγή καταλυτικών αυτοκινήτων και γενικότερα βελτιωμένων κινητήρων αφενός επιτρέπει τη χρήση καυσίμων καλύτερης ποιότητας και αφετέρου ελαττώνει τις εκπομπές τοξικών αερίων, όπως το CO και τα ΝΟχ (οξείδια του αζώτου)  Η συστηματική συντήρηση των κινητήρων και των καυστήρων, ώστε να μην είναι ατελής η καύση Καταλυτικός μετατροπέας Στον καταλυτικό μετατροπέα το CO μετατρέπεται σε CO 2 και τα οξείδια του αζώτου σε άζωτο

Η βελτίωση της ποιότητας των καυσίμων Η ποιότητα ενός καυσίμου βελτιώνεται, όταν ελαττώνεται η ποσότητα του θείου που περιέχει με αποθείωση και η σύστασή του είναι τέτοια, ώστε να καίγεται τέλεια και με μεγάλη απόδοση στον κινητήρα Έμμεσοι τρόποι Αφορούν τον περιορισμό των ποσοτήτων ορυκτών καυσίμων που καίγονται για την κίνηση, τη μεταφορά και τη θέρμανση

Ο περιορισμός της κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων Περιορισμός των αναγκών θέρμανσης και ψύξης των κατοικιών και των επαγγελματικών χώρων Περιορισμός των αναγκών θέρμανσης και ψύξης των κατοικιών και των επαγγελματικών χώρων Περιορισμός των ενεργειακών αναγκών για κίνηση Περιορισμός των ενεργειακών αναγκών για κίνηση Περιορισμός της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας Περιορισμός της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας  χρήση μονωτικών υλικών και διπλών τζαμιών κατά την κατασκευή, ώστε να περιοριστούν οι απώλειες θερμότητας  εκμετάλλευση των φυσικών δυνατοτήτων κλιματισμού, όπως καλό εξαερισμό το καλοκαίρι και καλό κλείσιμο του σπιτιού το χειμώνα  με χρήση ενδυμάτων κατάλληλων για κάθε εποχή  περιορισμός της χρήσης των ιδιωτικών αυτοκινήτων  Χρήση των μέσων μαζικής μεταφοράς και εναλλακτικών μορφών μετακίνησης, όπως το ποδήλατο  δεν αφήνουμε ανοιχτές ή σε αναμονή τις ηλεκτρικές συσκευές  Χρησιμοποιούμε οικονομικούς λαμπτήρες  Χρησιμοποιούμε συσκευές που έχουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας

Η αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων Η οριστική λύση για την προστασία της ατμόσφαιρας θα ήταν η αντικατάσταση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων για ενεργειακούς σκοπούς, από άλλες πιο ήπιες πηγές ενέργειας, όπως: H αντικατάσταση της βενζίνης από καθαρότερη βενζίνη ή μείγμα βενζίνης και οινοπνεύματος H αντικατάσταση της βενζίνης από καθαρότερη βενζίνη ή μείγμα βενζίνης και οινοπνεύματος H αντικατάσταση Των συμβατικών αυτοκινήτων από ηλεκτρικά H αντικατάσταση Των συμβατικών αυτοκινήτων από ηλεκτρικά H αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας H αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας H αντικατάσταση Των βενζινοκινητήρων από άλλους που λειτουργούν με υδρογόνο H αντικατάσταση Των βενζινοκινητήρων από άλλους που λειτουργούν με υδρογόνο

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Οι πηγές ενέργειας που δεν εξαντλούνται με τη χρήση, αλλά ανανεώνονται συνεχώς με φυσικές διαδικασίες ονομάζονται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ηλιακή ενέργεια: Μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια με τη βοήθεια κατάλληλων διατάξεων, οι οποίες ονομάζονται φωτοβολταικοί μετατροπείς Χρησιμοποιούνται σε μικρή κλίμακα για την τροφοδότηση μικρών ηλεκτρικών συσκευών, όπως οι αριθμομηχανές, αλλά και για την κίνηση ηλεκτρικών αυτοκινήτων Συστήματα τέτοιων μετατροπέων μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται και στους ηλιακούς θερμοσίφωνες για τη θέρμανση νερού

Αιολική ενέργεια: Μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια από τις ανεμογεννήτριες στα αιολικά πάρκα και στο παρελθόν σε κινητική ενέργεια στους ανεμόμυλους Ενέργεια του νερού: Μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια και παλιότερα χρησιμοποιήθηκε στους νερόμυλους. Βιομάζα: Τα υλικά τα οποία άμεσα ή έμμεσα προέρχονται από το φυτικό κόσμο (ξύλο, άχυρα, χαρτί), αλλά και μέρος από τα φυτικά και ζωικά απόβλητα και τα σκουπίδια των βιομηχανιών και των πόλεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα Χρησιμοποιείται κυρίως για τη θέρμανση κατοικιών και αγροτικών επιχειρήσεων Σε ορισμένες περιπτώσεις, η βιομάζα μετατρέπεται σε υγρό καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες και ονομάζεται βιοντίζελ. Το βιοντίζελ είναι πιο καθαρό καύσιμο, αλλά και πιο ακριβό από τη βενζίνη Γεωθερμική ενέργεια: Η ενέργεια που οφείλεται στην υψηλή θερμοκρασία που υπάρχει στο εσωτερικό της Γης Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και σε ορισμένες περιπτώσεις να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια.

Το καύσιμο υδρογόνο Η καύση των ορυκτών καυσίμων προκαλεί ατμοσφαιρική ρύπανση και ανασφάλεια, γιατί τα αποθέματά τους θα εξαντληθούν Τα πλεονεκτήματα Παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού που είναι ανανεώσιμος φυσικός πόρος Είναι απόλυτα καθαρό καύσιμο, γιατί προϊόν της καύσης είναι το νερό Tα μειονεκτήματα  Η ηλεκτρόλυση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου είναι ενεργοβόρα διαδικασία Η λύση στο πρόβλημα αυτό θα μπορούσε να είναι η χρήση άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως οι ανεμογεννήτριες ή τα φωτοβολταϊκά συστήματα που εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια  Οι αποθήκες- «κυψέλες» υδρογόνου είναι πολύ μεγάλες και βαριές σε σχέση με τα ντεπόζιτα βενζίνης  Απαιτείται νέα τεχνογνωσία και μεγάλες επενδύσεις για την αλλαγή της τεχνολογίας των αυτοκινήτων. Το υδρογόνο θα μπορούσε ίσως να είναι το καύσιμο του μέλλοντος