Craquage

Beaucoup d'entre nous ont déjà laissé tomber un objet fragile sur le sol, que ce soit un verre, un pot de confiture, une assiette ou un œuf. L'objet se brise - il se casse en de nombreux petits morceaux. 

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    Mais se casser n'est pas forcément une mauvaise chose. Bien sûr, casser une assiette n'est pas très amusant, mais si tu ne casses pas un œuf, tu ne pourras jamais faire une omelette avec le blanc et le jaune d'œuf. Le craquage d'un objet en plus petits morceaux pour le rendre plus utile ressemble beaucoup au craquage chimique.

    • Cette explication porte sur le craquage en chimie.
    • Nous définirons le craquage avant de nous pencher sur son objectif et ses produits.

    • Nous explorerons ensuite deux types courants de craquage, y compris leurs processus.

    • Enfin, nous apprendrons comment équilibrer les équations de craquage.

    Le craquage en chimie

    Lorsque nous craquons un craqueur de Noël, nous le cassons en deux pour révéler une blague idiote et un chapeau en papier. Lorsque nous cassons une noix de coco, nous sommes récompensés par un festin d'eau de coco rafraîchissante. Dans les deux cas, nous cassons un objet plus grand en petits morceaux pour le rendre plus utile. Cela se produit également dans le craquage en chimie.

    Le craquage chimique est le processus de décomposition de grosses molécules en molécules plus petites et plus utiles. Il s'agit d'un type de réaction de décomposition thermique.

    Le terme de craquage est le plus souvent utilisé pour décrire la décomposition des fractions d'hydrocarbures à longue chaîne du pétrole brut en alcanes et alcènes à chaîne plus courte. Cela implique la rupture d'une liaison simple \( C-C \) . Le craquage des hydrocarbures sera le sujet principal de notre article d'aujourd'hui.

    Le craquage du pétrole

    Tu sais peut-être, grâce à l'article sur la distillation fractionnée, que bon nombre de nos hydrocarbures proviennent de la distillation du pétrole brut. La distillation fractionnée produit de multiples fractions d'hydrocarbures différentes, chacune ayant des objectifs et des exigences différents.

    Craquage : Objectif

    Tout d'abord, pourquoi craque-t-on les hydrocarbures ? C'est pour les rendre plus intéressants économiquement.

    • Les hydrocarbures à chaîne courte sont moins visqueux et ont un faible point d'ébullition. Ils sont plus utiles et ont donc une demande économique plus élevée que les hydrocarbures à chaîne plus longue. Par exemple, il existe une énorme demande de naphte, une fraction contenant des hydrocarbures \( C_6 \) à \( C_{12} \) . Nous l'utilisons pour l'essence et dans l'industrie chimique.
    • Les hydrocarbures à chaîne plus longue sont plus visqueux et ont un point d'ébullition élevé. Ils sont moins utiles que les hydrocarbures à chaîne courte et ont donc une demande économique plus faible. Par exemple, les alcanes à chaîne longue sont trop épais pour être utilisés comme essence et doivent donc être utilisés dans les avions.

    L'utilité des différentes fractions du pétrole brut crée un problème : leur offre ne répond pas à leur demande ! Par exemple, le pétrole brut de la mer du Nord contient généralement plus de \( 88 \% \) d'hydrocarbures \( C_{10}+ \) à longue chaîne1. Nous nous retrouvons avec beaucoup d'hydrocarbures à longue chaîne en réserve et pas grand-chose à faire avec eux !

    Les hydrocarbures \( C_{10}+ \) ont des chaînes d'au moins dix atomes de carbone. Les hydrocarbures \( C_6 \) à \( C_{12} \) , tels que ceux contenus dans le naphta, ont des chaînes de six à douze atomes de carbone.

    Il existe toutefois une solution. Pour que les fractions excédentaires à chaîne plus longue aient plus de valeur économique, nous pouvons les craquer en produits plus utiles. Les hydrocarbures produits ont une demande beaucoup plus élevée et nous sont beaucoup plus utiles que les hydrocarbures à chaîne longue d'origine, ce qui fait du craquage une réaction économiquement importante. Explorons maintenant les produits du craquage.

    Craquage : Produits

    Le craquage chimique décompose les hydrocarbures à longue chaîne en deux types d'hydrocarbures plus petits :

    • Les alcanes à chaîne courte.
    • Les alcènes.

    Le processus est aléatoire, ce qui signifie que nous ne pouvons pas contrôler exactement les molécules que nous obtenons. Cependant, cela n'a pas beaucoup d'importance : les deux types de produits sont beaucoup plus utiles pour nous que les hydrocarbures à chaîne longue d'origine. Grâce au craquage, nous pouvons transformer des molécules relativement inutiles que nous n'utiliserions probablement pas autrement en molécules relativement utiles qui améliorent considérablement notre vie.

    Alcanes à chaîne courte

    Le craquage produit tout d'abord des alcanes à chaîne courte. Ceux-ci, comme nous le savons déjà, ont une demande plus élevée que les hydrocarbures à chaîne plus longue. Ils sont principalement utilisés comme carburants, mais aussi dans les briquets, les aérosols, etc.

    Alcènes

    Le craquage produit également des alcènes.

    Les alcènes sont des hydrocarbures non saturés qui contiennent au moins une double liaison \( C=C \) .

    Les alcènes sont considérés comme plus utiles que les hydrocarbures originaux à chaîne plus longue pour de multiples raisons :

    • Les alcènes sont plus réactifs que les alcanes.
    • Ils constituent une bonne matière première chimique, ce qui signifie qu'ils sont utilisés dans l'industrie comme matières premières pour fabriquer d'autres produits.
    • Nous pouvons faire réagir plusieurs molécules d'alcènes ensemble pour former des polymères, tels que ceux utilisés dans les sacs en plastique, les bouteilles et les vêtements en nylon.
    • Nous utilisons également les alcènes comme base pour les solvants, les peintures et les médicaments.

    Craquage, L'alcène le plus simple, connu sous le nom d'éthène, StudySmarterFig. 1- L'alcène le plus simple, connu sous le nom d'éthène.

    Pour en savoir plus sur ces hydrocarbures, consulte la rubrique Alcènes.

    Craquage : Types et processus

    Nous savons donc pourquoi le craquage est important et ce qu'il produit. Nous allons maintenant passer à l'examen des différents types de craquage.

    Il existe deux méthodes différentes de craquage couramment utilisées pour fractionner les hydrocarbures :

    • Le craquage thermique
    • Le craquage catalytique

    Les hydrocarbures tels que les alcanes étant relativement peu réactifs en raison de leurs liaisons \( C-C \) et \( C-H \)

    fortes et non polaires, les deux types de craquage nécessitent des conditions particulièrement difficiles pour les décomposer. Cependant, ils ont aussi leurs différences. Examinons maintenant les types de craquage.

    Craquage thermique

    Le craquage thermique consiste à soumettre les alcanes hydrocarbonés à une chaleur et une pression extrêmes pendant une brève période de temps, généralement une seconde seulement. On utilise généralement une température très élevée de \( 700 \) à \( 1200 \ K \) et une pression élevée de \( 7000 \ kPa \) . L'alcane se divise de manière homolytique, ce qui signifie qu'un électron de la paire de liaisons va à chacune des nouvelles molécules formées. Cela forme deux radicaux libres.


    Un radical libre est une molécule extrêmement réactive avec un électron non apparié dans l'enveloppe extérieure.

    Les radicaux libres réagissent ensuite pour produire divers hydrocarbures, mais surtout des alcènes. Cependant, le maintien de conditions aussi extrêmes nécessite beaucoup de carburant. Par conséquent, le craquage thermique a une grande empreinte économique et environnementale.

    Craquage catalytique

    Le craquage catalytique se distingue du craquage thermique car il utilise un catalyseur.


    Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse de réaction en réduisant l'énergie d'activation nécessaire pour qu'une réaction se produise.

    Le craquage catalytique a lieu à \( 700 \ K \) et à une pression à peine supérieure aux niveaux atmosphériques, mais il utilise un catalyseur à base de cristaux de zéolite. Il s'agit d'un réseau complexe composé d'aluminium, de silicium et d'oxygène, avec une structure en nid d'abeille pour augmenter sa surface. Malheureusement, les hydrocarbures de plus grande taille ne peuvent pas être craqués de cette manière car ils sont trop gros pour entrer dans le catalyseur.

    Le craquage catalytique produit une forte proportion d'alcanes à chaîne courte, ramifiés et cycliques, ainsi que des composés aromatiques tels que le benzène. Il a également des besoins en combustibles beaucoup plus faibles que le craquage thermique.

    Un composé aromatique contient un anneau d'électrons délocalisés, souvent connu sous le nom d'anneau benzénique. Consulte la rubrique Chimie aromatique pour en savoir plus.

    Craquage catalytique : Exemple

    Le craquage catalytique est un procédé important dans l'industrie pétrolière, où la vapeur de pétrole passe à travers un lit de catalyseur à faible densité, ce qui provoque le "craquage" des fractions les plus lourdes et la production de produits plus légers et plus précieux.

    Dans l'industrie pétrochimique, elles sont utilisées pour produire des polyoléfines à très grande échelle. Les particules sont des granulés de polyoléfine en croissance (polyéthylène ou polypropylène). Le gaz est le monomère éthylène ou propylène2.

    Le craquage du gaz naturel

    Le gaz naturel extrait à des kilomètres sous terre est principalement composé de méthane, mais contient également des molécules appelées éthane. L'éthane est séparé du gaz naturel et peut être "craqué" pour produire des ingrédients majeurs pour la fabrication de plastiques.

    Les usines de craquage de l'éthane permettent d'exploiter l'énergie potentielle du gaz naturel liquide (GNL). L'éthane, un liquide sous pression, est transporté vers les usines par des tuyaux. Les molécules sont chauffées et, lorsqu'elles atteignent environ \( 1 000 K \) , leurs liaisons commencent à s'étirer, s'affaiblissent et finissent par se craquer. C'est de là que vient le nom de "craquage".

    Une nouvelle molécule appelée éthylène est créée lorsque l'éthane se craque. Légères et faciles à lier, ces molécules d'éthylène forment de longues chaînes pour créer la célèbre base plastique qu'est le polyéthylène3.

    Comparaison des types de craquage

    Le tableau suivant t'aidera à résumer tes connaissances en comparant le craquage thermique et le craquage catalytique.

    NomThermiqueCatalytique
    TempératureTrès élevée \( (700 - 1200 K) \) Élevée \( (700 K) \)
    PressionÉlevée \( (7000 kPa) \) Légèrement relevée
    CatalyseurAucuncristal de zéolite
    ProduitsPrincipalement des alcènesPrincipalement des alcanes à chaîne courte/ramifiée
    AvantagesPeut craquer des hydrocarbures de plus grande tailleProduit une grande proportion d'alcènesFaibles coûts de carburantFaible impact sur l'environnement
    Inconvénients

    Coût élevé du carburant

    Impact environnemental important

    Ne peut être utilisé pour les hydrocarbures de plus grande taille

    Craquage : Équations

    Le craquage est un processus largement aléatoire. Il est impossible de prédire exactement quelles molécules seront produites. Cela signifie qu'il existe de multiples équations différentes et produits potentiels pour chaque réaction, et que ton examinateur pourrait te tester de diverses manières. Il s'agira généralement de trouver un réactif ou un produit hydrocarboné inconnu. Cependant, il est assez facile de " craquer " les équations de craquage ! La chose importante à retenir est que l'équation doit être équilibrée : le nombre d'atomes de carbone et d'atomes d'hydrogène de chaque côté de l'équation doit être le même.

    Voici une méthode approximative pour t'aider à démarrer :

    1. Écris l'équation de craquage de base, en utilisant \( C_xH_y \) pour représenter l'hydrocarbure inconnu ;
    2. Équilibre l'équation en termes d'atomes de carbone pour trouver la valeur de x ;
    3. Équilibre l'équation en termes d'atomes d'hydrogène pour trouver la valeur de y ;
    4. Substitue tes valeurs de x et de y dans l'équation pour obtenir ta réponse finale.

    Essayons.

    Le décane \( (C_{10}H_{22}) \) peut être craqué pour produire de l'octane \( (C_{8}H_{18}) \) et une autre molécule.

    1. Écris une équation équilibrée pour cette réaction.
    2. Nomme le deuxième produit.

    Pour la partie a, nous allons commencer par écrire notre équation, en utilisant \( C_xH_y \) pour représenter le produit inconnu. Elle ressemble actuellement à ceci :

    $$ C_{10}H_{22} \rightarrow C_{8}H_{18}+ C_{x}H_{y} $$

    Ici, \( x \) et \( y \) représentent les quantités inconnues d'atomes de carbone et d'hydrogène respectivement. Cependant, nous pouvons déterminer ces valeurs en équilibrant l'équation.

    Pour trouver \( x \) , considérons le carbone. Nous avons dix atomes de carbone dans la partie gauche de l'équation, et il doit donc y avoir dix atomes de carbone dans la partie droite. Nous avons déjà huit atomes de carbone dans le premier produit, l'octane, et il reste donc \( 10-8 \) des carbones. Par conséquent, \( x=2 \) .

    Nous pouvons effectuer le même processus avec l'hydrogène. Cela nous donnera une valeur pour \( y \) . Il y a vingt-deux atomes d'hydrogène sur le côté gauche, et nous avons donc besoin de vingt-deux sur le côté droit. Nous avons déjà dix-huit atomes d'hydrogène dans le premier produit, l'octane, et il reste donc \( 22-18 \) des hydrogènes. Par conséquent, \( y=4 \) .

    Il ne nous reste plus qu'à substituer nos valeurs pour x et y dans l'équation. Voici notre réponse finale :

    $$ C_{10}H_{22} \rightarrow C_{8}H_{18}+ C_{2}H_{4} $$

    La partie b nous demande de nommer le second produit. \( C_{2}H_{4} \) est un alcène connu sous le nom d'éthène.

    Ne t'inquiète pas si tu ne sais pas encore comment nommer les alcènes - tu le feras plus tard dans l'article sur les alcènes.

    Voici un autre exemple :

    Une mole d'alcane \( X \) est craquée pour produire une mole d'heptane \( (C_{7}H_{16} \) ) et deux moles de propène \( (C_{3}H_{6} \) ). Déduis la formule de \( X \) .

    $$ C_{x}H_{y} \rightarrow C_{7}H_{16}+2C_{3}H_{6} $$

    Une fois encore, nous allons commencer par écrire une équation avec ce que nous savons. Note que nous produisons deux moles de propène :

    Nous pouvons maintenant équilibrer l'équation. Le seul réactif du côté gauche de l'équation est \( X \) , notre inconnu, et nous savons donc que \( x \) et \( y \) doivent être égaux au nombre total d'atomes de carbone du côté droit. De même, \( y \) doit être égal au nombre total d'atomes d'hydrogène du côté droit.

    Si l'on considère le carbone, il y a \( 7+2(3) =13 \) des atomes de carbone sur le côté droit de l'équation, ce qui signifie que \( x \) est égal à \( 13 \) . De même, il y a \( 16+2(6)=28 \) des atomes d'hydrogène sur la droite, ce qui signifie que \( y \) est égal à \( 28 \) . Si nous substituons ces valeurs dans l'équation, nous obtenons la réponse finale :


    $$ C_{13}H_{28} \rightarrow C_{7}H_{16}+2C_{3}H_{6} $$

    Tu ne te sens pas très à l'aise pour écrire des équations équilibrées ? Consulte l'article Équilibrer une équation chimique pour trouver d'autres exemples et des conseils utiles.

    Le craquage de l'eau

    Le craquage de l'eau en ses deux composants est beaucoup plus facile à réaliser et s'appelle l'électrolyse de l'eau. Produire de l'hydrogène ou de l'oxygène de cette manière semble simple. Mais comme tu t'en doutes probablement, cette réaction inverse nécessite un apport d'énergie, c'est pourquoi on l'appelle aussi une réaction endothermique4.

    $$ 2H_{2}O \rightarrow 2H_{2}+O_{2} $$

    Les procédés thermochimiques de séparation de l'eau utilisent la chaleur à haute température \( (500°-2 000°C) \) pour déclencher une série de réactions chimiques qui produisent de l'hydrogène. Les produits chimiques utilisés dans le processus sont réutilisés à chaque cycle, créant ainsi un circuit fermé qui ne consomme que de l'eau et produit de l'hydrogène et de l'oxygène. Les hautes températures nécessaires peuvent être générées de la manière suivante :

    En concentrant la lumière du soleil sur une tour de réacteur à l'aide d'un champ de miroirs "héliostats".

    En utilisant la chaleur résiduelle des réacteurs nucléaires avancés5.

    Craquage - Points clés

    • Le craquage est une technique chimique utilisée pour transformer les hydrocarbures à chaîne longue en alcanes et alcènes à chaîne courte, plus intéressants économiquement.
    • Les alcanes à chaîne courte sont principalement utilisés comme carburants.
    • Les alcènes sont utilisés pour fabriquer des polymères et comme matière première chimique.
    • Le craquage peut être thermique ou catalytique. Les deux types de craquage nécessitent des conditions difficiles pour rompre les liaisons solides au sein des hydrocarbures à chaîne plus longue.
    • Le craquage thermique utilise une température très élevée de \( 700 \) à \( 1200 K \) et une pression élevée de \( 7000 kPa \) .
    • Le craquage catalytique utilise une température élevée de \( 700 K \) , une pression légèrement supérieure et un catalyseur à base de cristaux de zéolite.
    • Le craquage est aléatoire et produit un mélange de produits.

    Références

    1. Aly A Hamouda, Sidra Chughtai, 'Miscible CO2 Flooding for EOR in the Presence of Natural Gas Components in Displacing and Displaced Fluids', Energies 11(2):391 (February 2018)
    2. https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/catalytic-cracking#:~:text=Catalytic%20cracking%20is%20an%20important,on%20a%20very%20large%20scale.
    3. https://wellsaidcoterra.com/plastics-cracking/#:~:text=The%20ethane%2C%20a%20liquid%20under,created%20when%20the%20ethane%20cracks.
    4. https://www.scientificamerican.com/article/splitting-water/
    5. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-thermochemical-water-splitting
    Questions fréquemment posées en Craquage

    Quel est le but du craquage ?  

    On craque les hydrocarbures pour les rendre plus intéressants économiquement.


    Comment se fait le craquage du pétrole ?  

    Il existe deux méthodes différentes de craquage couramment utilisées pour fractionner les hydrocarbures : 

    • Le craquage thermique.
    • Le craquage catalytique

    Comment transformer le pétrole en énergie ?  

    Le pétrole est brûlé pour chauffer l'eau et produire de la vapeur. Cette vapeur propulse les pales d'une turbine. Celle-ci est reliée à un générateur, qui produit de l'électricité.

    Comment séparer l'hydrogène et l'oxygène de l'eau ?  

    Deux électrodes ou plaques faites d'un métal inerte tel que le platine ou l'iridium sont placées dans l'eau. Une source de courant électrique continu est connectée à ces plaques. Du côté de la cathode (où les électrons entrent dans l'eau), de l'hydrogène apparaîtra. Du côté de l'anode, de l'oxygène apparaîtra. Si l'on considère le rendement faradique idéal, l'hydrogène sera produit deux fois plus que l'oxygène. D'autre part, les deux seront proportionnels à la charge électrique totale conduite par la solution. Cependant, dans certaines cellules, des réactions secondaires peuvent se produire et différents produits sont formés avec une efficacité faradique moins qu'idéale.

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