Бензин — это алифатический углеводород состоящий из молекул, представляющих собой цепочки углерода и водорода. Каждая из цепочек молекулы бензина содержит между 7 и 11 атомами углерода. Молекулы, которые входят в состав бензина, производятся из сырья, такого как нефть.
Горение бензина в идеальных условиях с достаточным количеством кислорода приводит к выделению двуокиси углерода, воды и тепла.
Энергия в галлоне бензина
Объем галлона бензина содержит примерно 132×106 Джоулей энергии, это составляет 125.000 британских тепловых единиц или 36.650 ватт-часов.
Получение бензина
Бензин получают из сырой нефти, которая добывается из недр Земли. Она представляет собой черную жидкость, состоящую из углеводородных цепочек разной длины. Каждая из них имеет свои особенности. Например, цепочка, состоящая из одного углеродного атома (СН4) именуется метаном и является газом легче гелия. Чем длиннее цепочка, тем больше весит молекула.
Четыре первые цепочки
CH4 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан) и C4H10 (бутан) — газы с температурой кипения −107, −67, −43 и −18 °C соответственно. От C18H32 — жидкость при комнатной температуре, выше C19 — твердое вещество.
Разделение нефти на различные цепочки
Длина углеводородной цепочки влияет на температуру ее кипения. Таким образом, они могут быть разделены при помощи дистилляции. Именно этот процесс используется на нефтеперерабатывающих заводах. Здесь происходит нагревание сырой нефти, из которой извлекаются легкие жидкости с длинными цепочками C5, C6 и C7. Такие дистилляты используются в качестве растворителей для химической чистки, а также для производства красок с быстрым высыханием.
Из C7H16 до C11H24 для создания бензина используют смешанные углеводородные цепочки. Их температура испарения ниже температуры кипения воды, поэтому при выливании на землю бензин быстро растворяется.
Керосин в диапазоне от C12 до C15 используется для производства дизельного и котельного топлива. За ним следуют различные смазочные масла, не испаряющиеся из-за комнатной температуры. В список входят моторные масла, трансмиссионные масла и полутвердые смазки, а также вазелин.
Твердые вещества с длинными цепочками С20 и более
От парафина до асфальтового битума — все это происходит из сырой нефти, а то, что их отличает, заключается в длине углеродной цепочки.
Что такое Октановое Число?
Если вы прочитали статью про то, как работает автомобильный двигатель, то знаете, что почти во всех автомобилях используются четырехтактные двигатели на бензине. В одном из тактов в двигателе происходит сжатие топливно-воздушной смеси до меньшего объема, чтобы затем оно могло быть воспламенено свечой зажигания. Это называется Коэффициент Сжатия Двигателя, и он обычно составляет от 8 до 1.
Октановое Число и Сжатие
Октановое число выражает максимальный объем топлива, которое может быть сжато до момента автоматического зажигания. Если воспламенение происходит в результате давления, а не из-за искры от свечи, могут возникнуть проблемы с работой двигателя, которые могут привести к поломке. Низкооктановые бензины (например, стандартный 92-й бензин) способны выдержать минимальное сжатие до воспламенения.
Влияние Коэффициента Сжатия Двигателя
Количество октанов бензина, необходимого для заправки автомобиля, определяется коэффициентом сжатия двигателя. Один из способов увеличить мощность двигателя без изменения его объема — увеличить коэффициент сжатия. Поэтому двигатели с большей мощностью имеют более высокий коэффициент сжатия и требуют более октановое бензино.
Преимуществом высокого коэффициента сжатия является повышение мощности двигателя без изменения его веса, что улучшает производительность. Недостатком является дорогостоящий бензин для такого двигателя.
Происхождение термина «октановое число»
При переработке сырой нефти получаются цепочки углеводородов различной длины. Затем эти цепочки различной длины разделяются и смешиваются для получения различных видов топлива. Например, метан, пропан и бутан являются углеводородами. Метан содержит только один атом углерода. Пропан имеет три связанных атома углерода. Бутан имеет четыре связанных атома углерода. Пентан имеет пять, гексан — шесть, гептан — семь и октан — восемь связанных атомов углерода.
Исследование Сжимаемости Гептана И Октана
Выяснилось, что гептан выдерживает лишь небольшое сжатие и самостоятельно воспламеняется при малом давлении. Октан же выдерживает значительно большее сжатие — даже когда давление достигает достаточно значительного уровня, он не вспыхивает. Бензин с октановым числом 92 состоит из 92% октана и 8% гептана (или смеси других типов топлива с аналогичными свойствами). Смесь воспламеняется при определенном уровне сжатия и может быть использована в двигателях с коэффициентом сжатия не превышающим это значение.
Добавление Тетраэтила к Бензину
Во время Первой мировой войны было открыто, что при добавлении вещества под названием тетраэтил к бензину, можно добиться значительного повышения октанового числа. Это привело к созданию дешевых марок топлива, под названием этиловый или этилированный бензин. Тем не менее, использование этого вида бензина имело свои неблагоприятные последствия:
Отрицательные Последствия Этилового Топлива
Использование этилового топлива может стать катастрофой для каталитического конвертера, выводя его из строя всего за несколько минут. Кроме того, оно содержит в себе токсичный свинец, который при выбросе причиняет вред не только людям, но и окружающей среде. Таким образом, после запрета на этиловое топливо цены на бензин значительно поднялись, поскольку переработчики не могли производить более дешевые марки. Несмотря на это, в самолетах используется то же самое горючее с октановым числом 115, обычно для производства мощнейших поршневых двигателей.
Добавление МТБЭ в Бензин
Для включения химического соединения МТБЭ в бензин используется два причины:
-
Оно увеличивает октановое число.
-
Оно имеет оксигенирующее действие, т. е. присоединяет кислород к горелке при горении. Идеальное использование оксигената позволяет уменьшить количество несгорающих углеводородов и долю угарного газа в выхлопах. МТБЭ — это сокращение от метил-трет-бутилового эфира, простой молекулы, получаемой из метанола.
Introduction of MTBE
После принятия закона о чистом воздухе в 1990 году МТБЭ стали шидеко использоваться. Содержание МТБЭ в бензине составляет от 10 до 15%.
Problem with MTBE
Основная проблема в том, что МТБЭ является канцерогенным и легко растворяется в воде. При утечке из подземного резервуара на заправочной станции он может попасть в грунтовую воду и тем самым привести к загрязнению.
Conclusion
Не стоит забывать, что при утечке бензина с МТБЭ, также могут выйти в грунтовую воду и другие присадки.
Негативные Последствия Использования Бензина
Использование бензина для питания двигателей внутреннего сгорания приводит к двум проблемам. Первая заключается в загрязнении воздуха смогом и осадками. А вторая — в выбросах углеродсодержащих и парниковых газов. Также при сгорании бензина получаются двуокись углерода и вода. Однако, двигатель внутреннего сгорания не идеален и в процессе сгорания бензина образуются и другие побочные продукты.
Загрязнение Воздуха
Монооксид углерода — токсичный газ, а оксиды азота — главная причина пыли в городах. Несгораемые углеводороды также приводят к загрязнению воздуха. Хотя каталитический конвертер помогает устранить большое количество этих веществ, он не является идеальным. Загрязнение воздуха от автомобилей и электростанций — серьезная проблема для больших городов.
Проблема с углеродом
При сгорании углерода он превращается в углекислый газ. Большая часть бензина состоит из углерода, поэтому при сгорании одного галлона (3,8 л) в атмосферу выбрасывается 2,5 кг углерода. В США одного дня это приводит к выбросу 900 млн кг углерода.
Последствия Выброса Углерода
Если бы углерод был твердым веществом, то для представления этого достаточно было бы сравнить его с килограммом сахарного песка, который выливается за каждый литр бензина. Однако, двуокись углерода выбрасываемая из выхлопной трубы автомобиля невидима и поэтому многие игнорируют ее последствия. Долгосрочные эффекты этого могут привести к серьезным изменениям климата и последствиям для всей жизни на Земле (например, поднять уровень моря и привести к потере прибрежных городов). Поэтому продвигаются попытки замены бензина на водородное топливо.