בעירה וזיקוק
האש - הכימיה העתיקה ביותר של האנושות, והזיקוק - התעשייה שמניעה את העולם
אש - כימיה בפעולה
בעירה מלאה - כל האטומים מגיבים
בעירה מלאה מתרחשת כשיש מספיק חמצן לתגובה. כל הפחמן הופך ל-CO₂ וכל המימן הופך ל-H₂O. זו הבעירה הרצויה - מקסימום אנרגיה, מינימום מזהמים.
התנאי: מספיק חמצן (O₂) לתגובה
המשוואה הכללית:
פחמימן + O₂ ← CO₂ + H₂O + אנרגיה
דוגמה - בעירת מתאן:
CH₄ + 2O₂ ← CO₂ + 2H₂O
סימנים לבעירה מלאה:
- להבה כחולה (נקייה)
- אין פיח (שחור)
- תוצרים: רק CO₂ ומים
- שחרור מקסימלי של אנרגיה
דוגמאות:
- כיריים גז עם אוורור טוב
- מנוע רכב מכוון היטב
- תנור גז תעשייתי
CH₄ + 2O₂ ← CO₂ + 2H₂O + אנרגיה
C₃H₈ + 5O₂ ← 3CO₂ + 4H₂O + אנרגיה
בעירה מלאה = מספיק O₂ = להבה כחולה = CO₂ + H₂O = מקסימום אנרגיה.
בעירה חלקית - סכנת מוות!
בעירה חלקית מתרחשת כשאין מספיק חמצן. במקום CO₂, נוצר CO (פחמן חד-חמצני) - גז רעיל, חסר צבע וריח, שנקרא 'הרוצח השקט'.
התנאי: חסר חמצן - אוורור לקוי
המשוואה:
2CH₄ + 3O₂ ← 2CO + 4H₂O
סימנים לבעירה חלקית:
- להבה צהובה/כתומה
- פיח שחור (פחמן שלא נשרף)
- ריח שריפה
- פחות אנרגיה משתחררת
למה CO כל כך מסוכן?
CO חסר צבע וריח - אי אפשר לזהות אותו!
הוא נקשר להמוגלובין בדם חזק פי 200 מחמצן!
כשהמוגלובין קשור ל-CO, הוא לא יכול להעביר חמצן לתאים.
תסמינים: כאב ראש, בחילה, חולשה, אובדן הכרה, מוות.
בעירה חלקית = חסר O₂ = להבה צהובה = CO רעיל + פיח. סכנת חיים ממשית!
'הרוצח השקט' - סכנת הרעלת CO
פחמן חד-חמצני (CO) הורג מאות אנשים בשנה ברחבי העולם. גם בישראל, בעיקר בחורף, מתרחשים מקרי הרעלה עקב תנורי גז ודודי שמש לקויים.
- CO חסר צבע, ריח וטעם - אי אפשר לזהות אותו בלי גלאי
- נקשר להמוגלובין חזק פי 200 מחמצן - חוסם העברת חמצן לתאים
- תסמינים ראשוניים דומים לשפעת: כאב ראש, סחרחורת, בחילה
- חשיפה ממושכת גורמת לאובדן הכרה ומוות
- חובה: להתקין גלאי CO בבתים עם תנורי גז
- חובה: לאוורר חדרים עם תנורי גז או קמינים
- לעולם לא להפעיל מנוע רכב בחניה סגורה!
בעירה מלאה מול בעירה חלקית
בעירה מלאה
תנאי: מספיק O₂
להבה: כחולה
תוצרים: CO₂ + H₂O
אנרגיה: מקסימלית
בטיחות: בטוח (יחסית)
פיח: אין
דוגמה: CH₄ + 2O₂ ← CO₂ + 2H₂O
בעירה חלקית
תנאי: חסר O₂
להבה: צהובה/כתומה
תוצרים: CO + פיח + H₂O
אנרגיה: פחות
בטיחות: מסוכן! (CO רעיל)
פיח: כן (שחור)
דוגמה: 2CH₄ + 3O₂ ← 2CO + 4H₂O
איך להבטיח בעירה מלאה? אוורור! מספיק חמצן = בעירה מלאה = בטוח
זיקוק נפט
תהליך הזיקוק - הפרדה לפי טמפרטורה
נפט גולמי הוא תערובת של מאות פחמימנים שונים באורכי שרשרת שונים. זיקוק הוא תהליך פיזיקלי של הפרדת הנפט למרכיביו על סמך טמפרטורות רתיחה שונות.
נפט גולמי = תערובת של מאות פחמימנים שונים
איך מפרידים?
1. הנפט מחומם במגדל זיקוק גבוה
2. כל פחמימן מתאדה בטמפרטורה שונה
3. האדים עולים במגדל ומתעבים בגבהים שונים
4. פחמימנים קצרי-שרשרת (גזים קלים) עולים למעלה
5. פחמימנים ארוכי-שרשרת (כבדים) נשארים למטה
עקרון ההפרדה:
שרשרת קצרה = טמפרטורת רתיחה נמוכה = עולה למעלה
שרשרת ארוכה = טמפרטורת רתיחה גבוהה = נשאר למטה
חשוב: זהו תהליך פיזיקלי (הפרדת תערובת), לא כימי! אף מולקולה לא משתנה - רק מופרדת.
זיקוק מפריד נפט גולמי למקטעים שימושיים על סמך ההבדלים בטמפרטורת הרתיחה, שנובעים מאורך שרשרת הפחמן.
מקטעי הזיקוק - ממגדל הזיקוק לחיי היום-יום
| מקטע | מספר פחמנים | טמפרטורת רתיחה (מעלות) | מצב צבירה | שימושים עיקריים |
|---|---|---|---|---|
| גזים (LPG) | 1-4 | מתחת ל-25 | גז | גז בישול, גז למצתים |
| בנזין (נפטא קלה) | 5-12 | 25-200 | נוזל נדיף | דלק רכבים, ממס |
| נפטא | 5-12 | 60-180 | נוזל | חומר גלם לפטרוכימיה |
| קרוסין | 12-16 | 180-260 | נוזל | דלק מטוסים, נפט לבן |
| סולר (דיזל) | 14-20 | 260-360 | נוזל צמיג | דלק משאיות, אוטובוסים |
| שמן סיכה | 20-50 | 300-400 | נוזל סמיך | סיכת מנועים ומכונות |
| זפת (ביטומן) | 50+ | מעל 400 | מוצק/חצי-מוצק | כבישים, איטום גגות |
* ככל שהשרשרת ארוכה יותר: טמפרטורת רתיחה גבוהה יותר, צמיגות גבוהה יותר, פחות נדיף
מקטעי מגדל הזיקוק
למעלה - גזים
C1-C4: מתאן, פרופאן, בוטאן. קלים, נדיפים. שימוש: בישול, חימום, מצתים.
באמצע - נוזלים
C5-C20: בנזין, קרוסין, סולר. שימוש: דלקים לתחבורה ותעופה.
למטה - כבדים
C20+: שמנים, שעוות, זפת. כבדים וצמיגים. שימוש: סיכה, כבישים.
בעירה בחיי היום-יום
כיריים גז
להבה כחולה = בעירה מלאה, בטוח.
להבה צהובה = חסר חמצן, צריך לתקן!
לוודא אוורור תקין.
מנוע רכב
בנזין בוער בבעירה מלאה (אידיאלית).
אם המנוע לא מכוון - בעירה חלקית ← CO במפלט.
ממיר קטליטי הופך CO ל-CO₂.
נר שעווה
הפתילה מרחיקה שעווה מותכת.
הלהבה הצהובה = בעירה חלקית של אדי פרפין.
גרגירי פיח זוהרים ונותנים את הצבע הצהוב.
מדורה
עץ = תאית = פולימר אורגני.
בוער בעירה חלקית (עשן, פיח).
פיח = פחמן שלא הספיק להגיב עם O₂.
שאלה לחשיבה
מדוע בנזין מתאדה מהר יותר מסולר?
בנזין מכיל שרשראות פחמן קצרות (5-12 פחמנים) וסולר מכיל שרשראות ארוכות (14-20 פחמנים). כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות בנזין חלשים יותר (שטח מגע קטן), ולכן טמפרטורת הרתיחה נמוכה יותר והמולקולות מתאדות בקלות בטמפרטורת החדר. מולקולות סולר גדולות יותר, כוחות המשיכה חזקים יותר, ולכן הוא מתאדה לאט יותר.
שאלה לחשיבה
הלהבה של נר שעווה צהובה. האם זו בעירה מלאה או חלקית? הסבירו.
זוהי בעירה חלקית! הלהבה הצהובה נגרמת מגרגירי פיח (פחמן) זעירים שמתחממים ועד שהם זוהרים. בנר, אדי הפרפין (שעווה) עולים מהפתילה אל הלהבה, אך לא כל מולקולות הפחמן מספיקות להגיב עם חמצן. חלקן נשארות כפיח זוהר. זו הסיבה שנר מפיח (משחיר) את התקרה מעליו.
שאלה לחשיבה
זיקוק הוא תהליך פיזיקלי ולא כימי. מה ההבדל ולמה זה חשוב?
תהליך פיזיקלי מפריד תערובת למרכיביה מבלי לשנות את המולקולות עצמן. בזיקוק, מפרידים את הפחמימנים לפי טמפרטורת רתיחה - כל מולקולה נשארת כמו שהיא. בתהליך כימי, מולקולות משתנות ונוצרות מולקולות חדשות. ההבדל חשוב כי בזיקוק אנחנו לא יוצרים חומרים חדשים - רק מפרידים את מה שכבר קיים בנפט.
איזון משוואות בעירה
שיטה לאיזון משוואות בעירה של פחמימנים:
- כתבו את המגיבים: פחמימן + O₂
- כתבו את התוצרים: CO₂ + H₂O (בבעירה מלאה)
- אזנו פחמן קודם - ספרו C באגף שמאל, שימו את המספר לפני CO₂
- אזנו מימן - ספרו H באגף שמאל, חלקו ב-2, שימו לפני H₂O
- אזנו חמצן אחרון - ספרו O באגף ימין, חלקו ב-2, שימו לפני O₂
- דוגמה: C₃H₈ + 5O₂ ← 3CO₂ + 4H₂O
הביקוש לבנזין גדול מהכמות שהזיקוק מייצר. הפתרון? פיצוח קטליטי (Catalytic Cracking).
פיצוח קטליטי
פיצוח = שבירת מולקולות גדולות למולקולות קטנות.
פחמימנים ארוכי-שרשרת (כבדים, פחות שימושיים) ← פחמימנים קצרי-שרשרת (בנזין, גז)
זהו תהליך כימי (בניגוד לזיקוק שהוא פיזיקלי).
מתבצע בטמפרטורה גבוהה ובנוכחות זרז (קטליזטור).
מספר אוקטן
ראיתם בתחנת דלק: בנזין 95 או 98? המספרים הם מספר אוקטן.
- מספר גבוה = בנזין בוער חלק יותר
- מספר נמוך = נוטה לדפיקות במנוע (detonation)
- איזואוקטן (מסועף) = 100 (אידיאלי)
- הפטאן (ישר) = 0 (גרוע)
בנזין 95 מתנהג כמו תערובת של 95% איזואוקטן ו-5% הפטאן.