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Hidrocarbonetos

Os fogos sagrados de Baku, capital do Azerbaijão, situada à beira do mar Cáspio, assombraram seus antigos habitantes, que ignoravam a origem do fenômeno. Modernamente sabe-se que se devem à constante combustão dos vapores de metano e outros hidrocarbonetos.

Hidrocarbonetos são compostos formados exclusivamente de carbono e hidrogênio, que também são chamados hidrocarburetos, carboidretos, carbetos, carburetos ou carbonetos de hidrogênio.

Classificação e Ocorrência

Os hidrocarbonetos se classificam de acordo com a proporção dos átomos de carbono e hidrogênio presentes em sua composição química. Assim, denominam-se hidrocarbonetos saturados os compostos ricos em hidrogênio, enquanto os hidrocarbonetos ditos insaturados apresentam uma razão hidrogênio/carbono inferior e são encontrados principalmente no petróleo e em resinas vegetais.

Os grupos de hidrocarbonetos constituem as chamadas séries homólogas, em que cada termo (composto orgânico) difere do anterior em um átomo de carbono e dois de hidrogênio. Os termos superiores da série homóloga saturada, de peso molecular mais alto, encontram-se em alguns tipos de petróleo e como elementos constituintes do pinho, da casca de algumas frutas e dos pigmentos das folhas e hortaliças.

Os hidrocarbonetos etilênicos, primeiro subgrupo dos insaturados, estão presentes em muitas modalidades de petróleo em estado natural, enquanto os acetilênicos, que compõem o segundo subgrupo dos hidrocarbonetos insaturados, obtêm-se artificialmente pelo processo de craqueamento (ruptura) catalítico do petróleo. Os hidrocarbonetos aromáticos foram assim chamados por terem sido obtidos inicialmente a partir de produtos naturais como resinas ou bálsamos, e apresentarem odor característico. Com o tempo, outras fontes desses compostos foram descobertas. Até a segunda guerra mundial, por exemplo, sua fonte mais importante era o carvão. Com o crescimento da demanda, durante e após a guerra, outras fontes foram pesquisadas. Atualmente, grande parte dos compostos aromáticos, base de inúmeros processos industriais, se obtém a partir do petróleo.

Estrutura e nomenclatura

A estrutura das moléculas dos hidrocarbonetos baseia-se na tetravalência do carbono, isto é, em sua capacidade de ligar-se, quimicamente, a quatro outros átomos, inclusive de carbono, simultaneamente. Assim, as sucessões de átomos de carbono podem formar cadeias lineares, ramificadas em ziguezague, que lembram anéis e estruturas de três dimensões.

Hidrocarbonetos saturados

A fórmula empírica molecular dos hidrocarbonetos saturados, também chamados alcanos ou parafinas, é CnH2n+2, segundo a qual n átomos de carbono combinam-se com 2n + 2 átomos de hidrogênio para formarem uma molécula. Valores inteiros sucessivos de n dão origem aos termos distintos da série: metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10) etc.

A partir do quarto termo da série, o butano, os quatro carbonos podem formar uma cadeia linear ou uma estrutura ramificada. No primeiro caso, o composto se denomina n-butano. Na estrutura ramificada, um átomo de carbono se liga ao carbono central da cadeia linear formada pelos outros três, formando o iso-butano, ou pode dar origem a uma estrutura cíclica, própria do composto chamado ciclobutano, em que os átomos de carbono das extremidades estão ligados entre si. A existência de compostos com mesma fórmula molecular, mas com estruturas diferentes, é fenômeno comum nos hidrocarbonetos, designado como isomeria estrutural. As substâncias isômeras possuem propriedades físicas e químicas semelhantes, mas não idênticas, e formam, em certos casos, moléculas completamente diferentes.

Os termos da série saturada são nomeados a partir do butano com o prefixo grego correspondente ao número de átomos de carbono constituintes da molécula: penta, hexa, hepta etc., acrescidos da terminação "ano". Nos cicloalcanos, hidrocarbonetos de cadeia saturada com estrutura em anel, a nomenclatura faz-se com a anteposição da palavra "ciclo" ao nome correspondente ao hidrocarboneto análogo na cadeia linear. Finalmente, os possíveis isômeros presentes na série saturada cíclica se distinguem por meio de números, associados à posição da ramificação no ciclo.

Hidrocarbonetos insaturados

O primeiro grupo de hidrocarbonetos insaturados, constituído pelos compostos etilênicos, também chamados alcenos, alquenos ou olefinas, tem como característica estrutural a presença de uma dupla ligação entre dois átomos de carbono. Sua fórmula molecular é CnH2n e os primeiros termos da série homóloga correspondente recebem o nome de etileno ou eteno (C2H4), propileno ou propeno (C3H6), butileno ou buteno (C4H8) etc. Os termos seguintes têm uma nomenclatura análoga à dos hidrocarbonetos saturados, acrescidos da terminação "eno".

A posição da dupla ligação na molécula dos alcenos pode dar origem a diferentes isômeros. Para distingui-los, o número do primeiro carbono a conter essa ligação precede o nome do hidrocarboneto na nomenclatura desses compostos. Existem, ainda, hidrocarbonetos etilênicos com mais de uma dupla ligação -- denominados dienos, quando possuem duas ligações, e polienos, com três ou mais. O grupo mais importante dessa classe de hidrocarbonetos constitui-se de compostos com duplas ligações em posições alternadas, os dienos conjugados. A nomenclatura dos alcenos de estrutura anelar, ditos cicloalquenos, é formalmente análoga à dos cicloalcanos.

Os alcinos ou alquinos (de fórmula molecular CnH2n-2), também conhecidos como hidrocarbonetos acetilênicos e componentes do segundo grupo dos compostos insaturados, apresentam ligação tripla em sua estrutura e sua nomenclatura é similar à dos alcenos, com a terminação "ino" que lhes é própria. Os cicloalquinos inferiores (de baixo peso molecular) são instáveis, sendo o ciclo-octino, com oito átomos de carbono, o menor alcino cíclico estável conhecido.

Hidrocarbonetos aromáticos

A estrutura do benzeno, base dos hidrocarbonetos aromáticos, foi descrita pela primeira vez por Friedrich August Kekulé, em 1865. Segundo ele, a molécula do benzeno tem o formato de um hexágono regular com os vértices ocupados por átomos de carbono ligados a um átomo de hidrogênio. Para satisfazer a tetravalência do carbono, o anel benzênico apresenta três duplas ligações alternadas e conjugadas entre si, o que lhe confere sua estabilidade característica.

Os hidrocarbonetos da série homóloga benzênica subdividem-se em três grupos distintos. O primeiro constitui-se de compostos formados pela substituição de um ou mais átomos de hidrogênio do anel pelos radicais de hidrocarbonetos. Esses compostos têm seus nomes derivados do radical substituinte, terminado em "il", e seguidos da palavra "benzeno". Alguns, no entanto, apresentam denominações alternativas (ou vulgares), mais comumente empregadas. Assim, o metil-benzeno é conhecido como tolueno, o dimetil-benzeno como xileno etc.

No segundo grupo, encontram-se os compostos formados pela união de anéis benzênicos por ligação simples entre os átomos de carbono, como a bifenila, ou com um ou mais átomos de carbono entre os anéis. Por último, o terceiro grupo de hidrocarbonetos aromáticos constitui-se de compostos formados por condensação de anéis benzênicos, de modo que dois ou mais átomos de carbono sejam comuns a mais de um anel, tais como o naftaleno, com dois anéis, e o antraceno, com três.

Propriedades e aplicações

Os hidrocarbonetos em geral são insolúveis em água, mas se solubilizam prontamente em substâncias orgânicas como o éter e a acetona. Os primeiros termos das séries homólogas são gasosos, enquanto os compostos de maior peso molecular são líquidos ou sólidos. Graças a sua capacidade de decompor-se em dióxido de carbono e vapor d"água, em presença de oxigênio, com desprendimento de grande quantidade de energia, torna-se possível a utilização de vários hidrocarbonetos como combustíveis.

Os hidrocarbonetos saturados, ou parafinas, caracterizam-se sobretudo por ser quimicamente inertes. Industrialmente, são empregados no processo de craqueamento (cracking) ou ruptura, a elevadas temperaturas, e produzem misturas de compostos de estruturas mais simples, saturados ou não. A hidrogenação catalítica dos alcenos é utilizada, em escala industrial, para a produção controlada de moléculas saturadas. Esses compostos são usados ainda como moderadores nucleares e como combustíveis (gás de cozinha, em automóveis etc.).

Os hidrocarbonetos insaturados com duplas ligações têm a capacidade de realizar reações de adição com compostos halogenados e formam importantes derivados orgânicos. Além disso, com a adição de moléculas de alcenos, é possível efetuar a síntese dos polímeros, empregados industrialmente no fabrico de plásticos (polietileno, teflon, poliestireno etc) e de fibras sintéticas para tecidos (orlon, acrilan etc.). Além disso, faz parte da gasolina uma importante mistura de alquenos. Metade da produção de acetileno é utilizada, como oxiacetileno, na soldagem e corte de metais. Os hidrocarbonetos aromáticos, além de bons solventes, são empregados na produção de resinas, corantes, inseticidas, plastificantes e medicamentos.

Fonte: biomania.com

Hidrocarbonetos

I – Introdução

Hidrocarbonetos são compostos orgânicos que possuem apenas carbono e hidrogênio em sua composição. A partir do conhecimento das normas de nomenclatura dessa função podemos prever a nomenclatura das demais funções orgânica. Os hidrocarbonetos são muito importantes cotidianamente, pois constituem combustíveis e derivam polímeros com múltiplas utilizações.

Hidrocarbonetos

Uma mistura de hidrocarbonetos muito importante em vários seguimentos econômicos é o petróleo.

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Nomenclatura

1 - A nomenclatura dos hidrocarbonetos alifáticos e alicíclicos seguem as seguintes normas:

Hidrocarbonetos

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A figura anterior mostra um sistema de obtenção de biogás a partir de resíduos de animais e culturas.

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2 – Nomenclatura de hidrocarbonetos aromáticos

Os hidrocarbonetos com um único núcleo benzênico (aromático) e uma ou mais ramificações são chamados de hidrocarbonetos alquil-benzênicos. A nomenclatura é dada pela determinação dos radicais e suas numerações e a terminação benzeno. Exemplos:

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O naftaleno apresenta dois anéis aromáticos condensados e a numeração dos radicais presos a ele é feita por posições previamente definidas no anel, como mostra a figura a seguir.

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A seguir são definidas as posições de dois anéis polinucleares de interesse para o ensino médio.

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III - Petróleo

A origem do petróleo

Petróleo em estado natural é uma mistura de dezenas de hidrocarbonetos - compostos formados por átomos de carbono e de hidrogênio. Além destes hidrocarbonetos, o petróleo contém, em proporções bem menores, compostos oxigenados, nitrogenados, sulfurados. O petróleo é originário da decomposição de material orgânico que foi transformado no interior da superfície terrestre, sob alta pressão e temperatura, num fluido geralmente escuro e viscoso.

Os derivados do petróleo

O refino do petróleo consiste em separar as centenas de hidrocarbonetos que estão misturados naquele líquido preto em grupos menores, que tenham uma aplicação comercial definida.

O que se obtém de um barril

A gasolina, o diesel, a nafta e os demais produtos que resultam do refino são chamados derivados de petróleo. As refinarias da PETROBRAS produzem mais de 80 derivados para a indústria petroquímica. Cada barril de petróleo fornece, em média o seguinte:
• óleo combustível 17%
• óleo diesel 33%
• querosene 5%
• óleo lubrificante e parafina 1%
• gasolina 15%
• naftas e solventes 12%
• GLP (gás liquefeito de petróleo, ou gás de cozinha) 9%
• outros derivados 6%

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Fonte: quimica10.com.br

Hidrocarbonetos

HIDROCARBONETOS

Hidrocarbonetos (HC) = São os compostos orgânicos mais simples, constituídos somente de átomos de C e H.
O número de compostos de carbono hoje em dia é muito elevado. A complexidade química do carbono é conseqüência de 3 propriedades desse elemento.
1. Elevada covalência do C = Permite que uma grande variedade de grupamentos se ligue a ele, em uma grande variedade de combinações.
2. Forte ligação C-C = Podem se formar cadeias de comprimento ilimitado
3. Possibilidade de ligações múltiplas com o carbono, aumentando o número de compostos orgânicos possíveis.
• Alguns elementos apresentam 1 ou 2 dessas propriedades, mas nenhum apresenta as 3.
Os HC podem ser divididos em hidrocarbonetos alifáticos (alcanos, alquenos e alquinos) e hidrocarbonetos aromáticos.

Alcanos (Parafinas)

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Propriedades Físicas

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Homólogos de cadeia linear contendo 18 átomos de carbono ou mais são sólidos graxos de baixo ponto de fusão.

* Nas moléculas dos alcanos, os átomos são unidos inteiramente por ligações covalentes. As ligações ocorrem com átomos da mesma espécie e são, portanto, apolares, ou existem entre 2 átomos que diferem muito pouco em eletronegatividade e são por isso, ligeiramente polares.

* As forças que mantêm unidas as moléculas apolares (forças de van der waals) são fracas e de curto alcance. Agem apenas entre as partes de moléculas vizinhas que se encontram em contato, ou seja, entre a superfície das moléculas. Portanto, dentro de cada família, quanto maior for a molécula (> área superficial), maiores serão as forças intermoleculares.

* Os pontos de fusão e de ebulição aumentam com o aumento da intensidade das forças intermoleculares. Para conseguir-se a ebulição ou a fusão, torna-se necessário vencer as forças intermoleculares no líquido ou no sólido.

Propriedades físicas dos alcanos

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Solubilidade = Os alcanos são solúveis em solventes apolares como benzeno, éter e clorofórmio e insolúveis em H2O e outros solventes pronunciadamente polares. Considerados como solventes, os alcanos líquidos dissolvem compostos de baixa polaridade, mas não os de alta.
Densidade =
A densidade dos alcanos aumenta inicialmente com o PM, mas tende depois para um limite (cerca de 0,8). Os alcanos são, portanto, menos densos que a água.

Nomenclatura

Antes do final do século 19, os compostos orgânicos eram designados com base no modo como eram preparados ou derivados.

Por exemplo: ácido acético podia ser obtido a partir do vinagre e seu nome deriva de “acetum” (palavra latina que significa vinagre).
IUPAC (Sistema internacional de normalização) = International Union of Pure and Applied Chemistry

Regras IUPAC para alcanos de cadeia ramificada
1) Descubra a cadeia mais longa de átomos de carbono. O nome do alcano é baseado no número de átomos de carbono desta cadeia

Ex:

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2) Começando com a ponta mais próxima da ramificação, numere os átomos de C da cadeia mais longa. Qualquer radical ligado a um átomo de carbono na cadeia é identificado por esse número

Ex:

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3) Quando mais de um radical estiver presente, numere cada um baseado no átomo de carbono no qual ele está ligado. Liste seus nomes em ordem alfabética separados por hífens.

Ex:

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4) Se os radicais ligados forem idênticos use um prefixo (di-, tri-, tetra-, etc) para indicar o número presente. Separe os números por vírgulas

Ex:

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5) Quando mais de um radical estiver ligado ao mesmo átomo de C, repita o número.

Ex:

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Fontes de obtenção de alcanos

- O alcano mais simples Hidrocarbonetos é o principal constituinte do gás natural.

Gás Natural = 60-95% metano, pequena quantidade de etano, propano, butano e pentano. HC mais complicados – Isolados de fontes naturais (cera de abelhas e cera de vegetais)

* Na superfície de muitas folhas de plantas, esporos de fungos, encontram-se misturas de HC que variam de Hidrocarbonetos

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- Misturas semelhantes de HC foram isoladas de camadas geológicas, onde se crê que foram os remanescentes de formas vivas que existiram há mais de um bilhão de anos.
Nesse intervalo de tempo, todos os constituintes menos estáveis das células como açúcares, proteínas, DNA, etc, sofreram decomposição, permanecendo unicamente os hidrocarbonetos.
- Embora os HC estejam largamente distribuídos em plantas e animais, as quantidades encontradas geralmente são pequenas.
* Assim, a maioria dos HC é obtida a partir do petróleo (constituído por uma mistura complexa de vários HC, de certos compostos oxigenados, nitrogenados e sulfurados, assim como uma pequena
quantidade de outros elementos).
Frações do petróleo = Alcanos desde o metano até HC de cerca de 30 carbonos são os componentes principais da cadeia hidrocarbônica (predominam os HC de cadeia linear)

Os alcanos do petróleo podem ser separados por destilação fracionada (em várias misturas chamadas frações), apresentando diferentes faixas de ebulição.

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Frações típicas do petróleo

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A maioria dos HC mais complexos não existem natureza e devem ser sintetizados.

- O metano Hidrocarbonetos pode ser produzido por bactérias anaeróbias, i.e., bactérias que vivem em ausência de ar (condições encontradas nas camadas profundas da terra, na pança de ruminantes ou de pantanais)

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* Algumas bactérias são capazes de ingerir e metabolizar metano e outros HC (bactérias desse tipo foram recolhidas nas proximidades de postos de gasolina)
* Certos microorganismos crescem bem em cultura de alcanos com formação de proteínas.

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- No ataque, a partícula reativa “arranca” hidrogênio do alcano. Este é assim transformado em outra partícula reativa, a qual contínua a sequência da reação, mantendo a cadeia.
O produto que se obtém, dependerá de qual desses átomos de H for removido. Embora a partícula atacante possua certa seletividade, pode retirar H de qualquer parte da molécula e, produzir portanto, inúmeros isômeros

Principais reações dos alcanos:
Halogenação
Combustão
Pirólise (craqueamento)

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Fluoração: Reação extremamente exotérmica (difícil remover o calor produzido)

* Aparelhagem especial para dominar a reação violenta.
Baixa energia de ligação F-F = Formação de cadeias mais numerosas.

Iodação: A energia de ativação Hidrocarbonetos para arrancar o hidrogênio do alcano é altamente endotérmica.
- Os átomos de iodo formam-se facilmente, mas por serem incapazes de se apoderar do H do alcano, a iodação não acontece.
- Os átomos de iodo recombinam-se com a formação de moléculas de iodo.

O iodo tem que se chocar com um n° elevadíssimo de moléculas Hidrocarbonetos de alcano antes de se produzir a reação.

A reação dos alcanos com cloro ou bromo é mais facilmente controlada e requer fornecimento de energia (luz ou calor)
Cl. Consideravelmente mais reativo que Br
Em todas as reações, um átomo de halogênio substitui um ou mais átomos de hidrogênio do alcano.
Reações do tipo em que um grupo toma o lugar de um outro são chamadas de reações de substituição.
Ex:

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As reações de substituição não se limitam àquelas que envolvem a substituição de H. Quando o clorometano, por ex, é tratado com NaOH, tem lugar a seguinte reação de substituição

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As reações de substituição são comuns em química orgânica

Mecanismo da Halogenação

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Etapa 1 (Clivagem homolítica da halogênio)

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- O radical livre formado reage com o alcano, “arrancando” dele um átomo de H, formando HX e um novo radical.

Etapa 2 (Propagação da cadeia)

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* Ocorre uma longa sequência de reações em que se alternam as etapas 2a e 2b.

Etapa 3 (Etapa de terminação)

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Inibidores

Substâncias, que embora em pequena quantidade, diminuem ou param completamente uma reação.
O intervalo de tempo em que se faz sentir a ação do inibidor, após o qual a reação se processa normalmente denomina-se período de inibição ou período de indução.
Ex:
Oxigênio é considerado um inibidor
- Pela sua reação com o radical metila, por exemplo, existe a formação de um novo radical

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O radical peróxido é menos reativo do que o radical metila e contribui pouco para a propagação da cadeia.

Formação de isômeros
- A partir de um único alcano podem formar-se diversos produtos isômeros, de acordo com o átomo de H substituído.

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Reações adicionais
Se somente quiséssemos preparar clorometano ou cloroetano.Uma reação que parece ser direta, pode se tornar complicada pela ocorrência de reações adicionais.
É possível controlar (em certa extensão) o curso dessas reações

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Metano excesso = Alcanos menos substituídos em maior quantidade.
Cloro excesso = Formação de maiores quantidades dos alcanos mais substituídos.

Combustão de alcanos (Oxidação)

- Principal uso dos alcanos é como fonte de energia através de suas combustões
A reação de alcanos com o oxigênio fornece dióxido de carbono e água e, o que é mais importante, “CALOR”

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O que acontece no motor de combustão interna de um automóvel, exemplifica a sua importância prática.
O mecanismo desta reação é extremamente complicado e não é conhecido completamente. Parece tratar-se de uma reação de radicais em cadeia. (A reação, embora extremamente exotérmica, somente se inicia a temperatura elevada (1 chama)).
Esta energia é suficiente para efetuar a quebra de ligações que dão origem às partículas reativas iniciais.
Vencida esta barreira de energia, os passos subsequentes de propagação da cadeia prosseguem sem dificuldade e com liberação de energia.

Exemplo de combustão do metano

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Na reação de oxidação dos HC encontra-se a grande aplicabilidade dos combustíveis. Poder calorífico (Quantidade de calor que pode liberar por unidade de peso ou volume)

Ex: Poder calorífico estimado de alguns combustíveis

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Octanagem da gasolina

Algumas frações de HC da gasolina resistem melhor à compressão sem detonar

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Tomados como referência para medir a resistência à compressão sem detonar.
Aditivos = Melhoram a resistência à explosão (aumentam o I.O.>100); ex: Chumbo tetraetila (CTE), tricresilfosfatos.

Î Pirólise (craqueamento)
- A decomposição de um composto por ação exclusiva do calor denomina-se pirólise.
A pirólise de alcanos, particularmente quando se trata de petróleo, conhece-se por craqueamento.

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Hidrocraqueamento
Craque a vapor (modificação do craqueamento)
Dilui-se o HC em vapor d’água a 700-900°C, durante uma fração de segundo e resfria-se rapidamente.
- Outra fonte de HC de baixo PM é o craqueamento catalítico.

Catalisadores
Sílica – alumina
T (450-500°C)
P (pequenas)

Outros tipos de reações envolvidas na indústria do petróleo são:
- Isomerização
-Polimerização (gases de refinaria)
- Reformação
Muitas delas envolvendo alcanos.

Fonte: www.unirio.br

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