화학 ① - 석유, 탄소화합물, 원유분별증류

▎화학 ① 석유와 탄소화합물

 

 

◈ 원유의 분별 증류

 

1. 원유
점성이 큰 검은색 액체로서 여러 가지 탄화수소의 혼합물, 즉 끓는점이나 녹는점이 다른 여러 가지 물질들로 이루어져있으며, 산소, 질소, 황 성분도 미량 포함하고 있다.

2. 분별 증류
원유를 각 성분 물질로 나누기 위해서는 증류탑을 이용한다. 원유를 정도로 가열한 증기를 증기탑에 넣으면 위쪽으로 상승하게 되는데, 이때 탄소수가 적은 것일수록 끓는점이 낮고, 무게가 낮기 때문에 증류탑 내부에서 빠르게 높은 곳으로 상승한다. 그리고 각 기체들의 무게에 따라 각각의 높이가 정해지고 증류탑을 냉각시키면 액체로 응축된다. 증류탑의 높이별로 액체를 모으면 원유를 석유가스, 나프타, 가솔린, 경우, 등유, 중유 등으로 분리할 수 있다. 

 

3. 원유 분별 증류

원유를 분별 증류하여 얻은 물질은 그대로 이용하거나, 몇 가지 과정을 거쳐 새로운 물질로 만들어 이용하기도 한다.
① 크래킹 : 나프타와 같은 긴 사슬의 탄화수소를 열분해시켜 에텐, 프로펜 등 간단한 원료 물질을 만드는 공정이다.

 

② 리포밍 :  나프타에 촉매를 써서 높은 온도와 압력을 가해 주면 구조가 크게 바뀌어 질 좋은 휘발유를 얻을 수 있다.

 

 

 

‣ 나프타 중질(무거운 성질) 가솔린이라고도 한다. 끓는점의 범위 및 성분 탄화수소의 구성으로 보아 가솔린 유분(기름기)과 실질적으로 동일하며, 이 유분을 내연기관의 연료 이외의 용도로, 특히 석유화학 원료 등으로 사용할 경우에 나프타라고 한다. 넓은 뜻으로는 원유를 증류할 때와 혈암유(혈암-세일을 증류하여 만든 기름), 석탄 등을 건류할 때 생기는 광물성 휘발유를 일괄해서 나프타라고 한다. ‣ 석유화학 원료 나프타는 한국 및 유럽의 석유화학공업에서 중요한 주원료이다. 원료 나프타로는 주로 라이트나프타(light  naphtha:끓는점 35~130℃)가 쓰이는데, 헤비나프타(heavy naphtha:끓는점 130~220℃) 및 이 2가지를 함유하는 풀레인지나프타(full-range naphtha)가 사용되기도 한다. 나프타분해에 의해 생기는 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 부틸렌 유분, 방향족 등에서 많은 석유화학 반응을 거쳐 합성수지, 합성고무, 합성섬유 등이 제조된다. 미국에서는 풍부하게 산출되는 습성 천연가스에서 분리되는 에탄, 프로판 유분 및 정유공장 폐(廢)가스가 주로 석유화학 원료로 사용된다. 나프타 분해 외에 나프타의 접촉개질(接觸改質:방향족 전환)에 의한 벤젠, 톨루엔, 크실렌의 제조, 접촉수증기 개질을 거치는 메탄올의 합성, 직접산화에 의한 아세트산의 합성, 고온열분해로 생성되는 아세틸렌과 에틸렌에 염소를 반응시키는 염화비닐의 제조 등 많은 용도가 있다. ‣ 암모니아 합성원료 나프타를 접촉수증기 개질을 하거나 또는 부분산화에 의해서 먼저 수소를 제조한 다음, 공기에서 분리시킨 질소와 함께 암모니아 합성을 하여 질소비료 등의 원료로 한다. ‣ 도시가스 제조원료 나프타를 접촉수증기 개질을 하여 수소, 일산화탄소, 메탄 등을 대량으로 함유하는 가스로 전환시켜 도시가스로서 공급한다. 이 밖에 공업용 용제(溶劑), 세정(洗淨), 추출(抽出) 등에 이용하는 솔벤트나프타도 있다.

 

분별 증류

다음 그림은 분별 증류할 때 각 온도 범위에 따라 분리되는 물질들을 나타낸 것이다.
① 분별 증류는 끓는점의 차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리하는 방법이다.
② 원유를 분별하면 증류탑의 위쪽부터 끓는점이 낮은 순서대로 탄화수소가 분리된다.
③ 석유 가스는 분별 증류 시 가장 위쪽에서 나오는 기체로, 주성분 물질은 프로판과 부탄이며 연료로 많이 사용된다.
④ 나프타는 자동차의 연료로 많이 사용하며, 크래킹과 리포밍하면 여러 물질을 얻을 수 있다.
⑤ 등유는 가정이나 비행기 연료로, 경유는 디젤 엔진의 연료, 중유는 배의 연료로 사용된다.
결론 : 원유를 분별 증류하면 우리 생활에 필요한 여러 물질을 얻을 수 있다.

 

 

 

 

◈ 탄소화합물

 

1. 탄소화합물의 일반적 성질
① 탄소와 수소로 이루어져 있다.
② 구성원소의 종류는 적으나 화합물의 종류가 대단히 많다.
③ 녹는점과 끓는점이 비교적 낮고 전기 전도성이 없다.
④ 화학적으로 안정한 화합물로 반응 속도가 느리다.
⑤ 연소하면 이산화탄소가 생성된다.
⑥ 기본 골격을 이루는 탄소에   등의 원소들이 결합하여 여러 가지 탄소화합물을 만든다.
⑦ 유기 용매인 알코올, 벤젠 등에 잘 용해되며 반응 속도는 느리고, 이성질체의 수가 많다.

2. 탄소원자 사이의 결합
탄소원자는 최대 4개의 다른 원자와 결합할 수 있다.
① 단일 결합 : 탄소원자가 4개의 다른 원자와 결합할 때 탄소원자는 정사면체의 중심에  있고 다른 원자는 정사면체의 꼭지점에 위치하는 입체적인 모양을 이룬다. 탄소원자 단일결합길이는 0.154nm이다.
② 이중 결합 : 탄소원자 사이의 결합이 2번 이루어지는 결합이다. 탄소원자 이중결합길이는 0.134nm이다.
③ 삼중 결합 : 탄소원자 사이의 결합이 3번 이루어지는 결합이다. 탄소원자 삼중결합길이는 이다.

 

 

 

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