اقرأ في هذا المقال
- ما هي تفاعلات التكسير؟
- ما هي أنواع تفاعلات التكسير في الألكانات؟
- لماذا تعد تفاعلات التكسير تفاعلات مهمة جدا
ما هي تفاعلات التكسير؟
تفاعلات التكسير أو الانشقاق هي تفاعلات تحدث في عائلة الهيدروكربونات، ويُعرَّف التكسير بأنّه عملية يتم فيها تقسيم الجزيئات العضوية المعقدة، وهي الهيدروكربونات طويلة السلسلة أو الكيروجينات إلى جزيئات أصغر تسمى الهيدروكربونات الخفيفة، إنّه ناتج عن كسر روابط الكربون والكربون ويعتمد معدل المحفز بشكل كبير على عوامل مثل وجود المحفز ودرجة الحرارة.
ما هي أنواع تفاعلات التكسير في الألكانات؟
التكسير التحفيزي – Catalytic cracking:
تمت دراسة التكسير التحفيزي للعديد من الأيزو ألكانات C8 و C10 على محفز أساسه الزيوليت عند 250 و 350 درجة مئوية، كما تمّ تحليل توزيعات المنتجات المكسورة الأولية (الهيدروكربونات المشبعة المتزامنة بنفس عدد ذرات الكربون كما في ألكان التغذية).
أظهرت مقارنة الغلات النسبية للمنتجات الأولية أنّه لم يتم تكوين نفس المنتجات فقط في تكسير الأيزو ألكانات المختلفة، ولكن توزيعاتها لا تعتمد على بنية جزيئات التغذية، وتم العثور على الغلات النسبية للمنتجات الأولية المختلفة لتكون متناسبة بشكل عام مع الثبات الديناميكي الحراري لأيزو ألكانات المقابلة، تمثل جميع منتجات الأيزو ألكان التي تحتوي على مجموعة ميثيل في المواضع الثانية من سلاسل الألكيل استثناءً محاصيلها النسبية أعلى بشكل موحد من 2 إلى 2.5 مرة من تلك المتوقعة من الديناميكا الحرارية؛ وذلك بسبب تأثير التثبيت الإضافي لمجموعة الميثيل الثانية على تركيز الكربوهيدرات ذات الصلة.
يتلامس الألكان مع المحفز عند درجة حرارة حوالي 500 درجة مئوية وضغط منخفض بشكل معتدل، يتم اختيار الزيوليت المستخدم في التكسير التحفيزي لإعطاء نسب عالية من الهيدروكربونات مع ما بين 5 إلى 10 ذرات كربون، وهي مفيدة بشكل خاص للبنزين، كما أنّها تنتج نسب عالية من الألكانات المتفرعة والهيدروكربونات العطرية مثل البنزين وبالطبع تتضمن تفاعلات التحفيز وسيطاً أيونياً.
يحتوي محفز الزيوليت على مواقع يمكنها إزالة الهيدروجين من الألكان مع الإلكترونين اللذين يربطانه بالكربون، هذا يترك ذرة الكربون مع شحنة موجبة، أيونات مثل هذه تسمى أيونات الكربون (أو الكربوهيدرات)، إعادة تنظيم هذه المواد سوف يؤدي إلى نواتج التفاعل المختلفة، الزيوليت هو عبارة عن سيليكات ألومينية معقدة، وهي عبارة عن شبكات كبيرة من ذرات الألومنيوم والسيليكون والأكسجين تحمل شحنة سالبة وهي بالطبع مرتبطة بالأيونات الموجبة مثل أيونات الصوديوم.
التكسير الحراري في الألكانات –Thermal cracking
لا يمر التكسير الحراري عبر وسيطة أيونية مثل التكسير التحفيزي. بدلاً من ذلك، يتم كسر روابط الكربون والكربون بحيث تنتهي كل ذرة كربون بإلكترون واحد بمعنى آخر يتم تشكيل الجذور الحرة.
التكسير بالبخار –Steam cracking
التكسير بالبخار مفيد لأنّه ينتج نسبة عالية من الألكينات في خليط التكسير، كما يستخدم النفتا أو (في بعض الأحيان) جزء زيت الغاز كمادة وسيطة، وكذلك الهيدروكربونات الأكثر بساطة مثل الإيثان أو البروبان أو البوتان، يتم تبخيرها وخلطها بالبخار وتمريرها عبر مفاعل يتم تسخينه إلى حوالي 800-900 درجة مئوية، ضغط الخليط حوالي 1 جو.
يكون تدفق الغاز سريعًا جدًا بحيث يبقى الخليط في المفاعل لأقل من ثانية فقط، هذا لمنع تكسير الهيدروكربونات لإنتاج الكربون، ولا يلعب البخار أي دور كيميائي في العملية، حيث يعمل بشكل أساسي على تخفيف خام التغذية العضوي وهذا يساعد على منع تكوين الكربون.
لماذا تعد تفاعلات التكسير تفاعلات مهمة جدا
تعد تفاعلات التكسير مهمة جدّاً لسببين رئيسيين:
- التكسير مهم، فهو يساعد على تحقيق التوازن بين توافر الكسور والطلب عليها.
- عندما يحول التكسير الهيدروكربونات الأكبر إلى هيدروكربونات أصغر، يزداد إمداد الوقود ويساعد ذلك على تحقيق التوازن بين الطلب والعرض.
التكسير في الكيمياء العضوية خلال هذه العملية، فإنّه ينطوي على العديد من التفاعلات الكيميائية القائمة على الجذور الحرة. بعض ردود الفعل الحيوية التي تحدث كالتالي:
- الاستحلال: هنا يتحلل جزيء واحد إلى 2 من الجذور الحرة، فقط جزء صغير من الجذور الحرة يخضع لعملية البدء، ولكنّه يكفي لإنتاج الجذور الحرة الضرورية لمواصلة رد الفعل بأكمله. CH3CH3 → 2 CH3
- استخراج الهيدروجين: هنا يصبح الجزيء الثاني جذرًا حرًا، حيث يزيل ذرة الهيدروجين من جزيء آخر. CH3 + CH3CH3 → CH4 + CH3CH2.
- التحلل الجذري: هنا تنقسم الجذور الحرة إلى جذور حرة أخرى وألكان. يؤدي هذا التفاعل إلى ظهور منتجات ألكين. CH3CH2 • → CH2 = CH2 + H.
- الإضافة الجذرية: ينتج عن هذا التفاعل تكوين منتجات عطرية، هنا يتفاعل الراديكالي مع ألكين لينتج جذرًا حرًا. CH3CH2 • + CH2 = CH2 → CH3CH2CH2CH2 •.
- الإنهاء: هنا جذران يتفاعلان مع بعضهما البعض لتشكيل منتجات ليست من الجذور الحرة، ينتج عن هذا التفاعل شكلين هما إعادة التركيب وعدم التناسب. CH3 • + CH3CH2 • → CH3CH2CH3 CH3CH2 • + CH3CH2 • → CH2 = CH2 + CH3CH3.
