YAKITLARIN KİMYASAL KOMPOZİSYONLARI

Kompozisyon

Bütün yakıtlarda iki ana yanıcı eleman karbon ve hidrojendir. Birlikte veya ayrı ayrı bulunabilirler ve hidrokarbonlar olarak adlandırılırlar. Atmosfer sıcaklığı ve basıncında bazı hidrokarbonlar gaz halinde olduğu gibi, bazıları sıvı halde olabilirler. Hidrokarbonlar için genel kimyasal formül C_nH_m olarak gösterilir.

Hidrokarbonların ana tipleri:

Tablo  Hidrokarbon çeşitleri

parafinler                                                                 C    _n              H   _{2                n  +2}

olefinler ve naftenler                                             C  _n      H  _{2     n}

diolefinler                                                                C  _n          H  _{2           n         -           2}

aromatikler                                                              C   _n   H _{2             n          -        6}

asfaltikler                                                                 C  _n              H  _{2         n        -       4}

İçten yanmalı makineler için yakıtlarda n, 1-26 aralığında, m, 2-54 aralığında değişir.

Madeni yağlar birçok farklı hidrokarbon bileşiklerinin karmaşık yapıdaki bir karışımıdır. Oluşumları büyük bir olasılıkla hayvan ve bitki fosillerinden tarih öncesi çağlarda olmuştur. Bu maddelerin yaşları ve ham petrole dönüşme koşulları çok farklı olmuştur, ve bu, değişik sahalardaki petrolün ayırıcı özelliklerini açıklamaktadır. Düşük moleküllü sıvı ve katı ürünlerin tabiatındaki farklılıklar, molekül büyüklükleri ve karbon ve hidrojen atomlarının bağlanma şekilleri ile açıklanır. Çok sayıda kimyasal bileşikler, benzer özellikteki gruplar halinde toplanabilir. Molekül yapılarına göre ayırt edilen hidrokarbonlar şunlardır:

•         Düz ve dallı zincir yapısı gösteren parafinik hidrokarbonlar

•         Halka yapılı naftenik hidrokarbonlar

•         Halka yapılı aromatik hidrokarbonlar

Bu hidrokarbonlardan başka, olefinler olarak bilinen doymamış bağlı hidrokarbonlar, sülfür ve azot içeren bileşikler vardır.

Madeni yakıtların ana kısmı karbon, C ve hidrojen, H bileşikleri olan hidrokarbonlardır. Karbon atomu reaksiyonlar için 4 değerliklidir ve diğer kimyasal elementlerden farklı olarak kendi atomları ile de reaksiyona girerek birçok organik bileşik oluşturabilir. Hidrojenin sadece tek değerliği vardır. En basit hidrokarbon bileşiği metan, CH4, 'dır.Metan gaz halindedir ve doğal gazın büyük bir kısmını oluşturur. En basit zincir bileşik etan, C₂H₆, 'dır, bundan sonra propan, C₃H₈, gelir. Propan basınç altında düşük sıcaklıklarda sıvı haline gelir.

Burada gösterilen yapı, karbon ile hidrojen arasındaki reaksiyonlara ait bilgi verir. Daha uzun zincir yapılı parafinik hidrokarbonlar 20 °C sıcaklıkta sıvı durumdadırlar, benzin, kerosen, diesel-yakıtı, yağlama yağları gibi.

Doymuş ve doymamış hidrokarbonlar birbirlerinden ayırt edilmelidirler. Doymuş hidrokarbonlarda karbon atomunun tüm değerlikleri hidrojen ile bağlanmıştır ve hidrojen veya diğer elementlerle bağlantı mümkün değildir. Çift bağlı karbon zincirli veya karbon halkalı doymamış hidrokarbonlar, çift bağ yerlerinden çok duyarlı oldukları için basınç altında hidrojen veya oksidasyon ile oksijen atomu ilave edilmesi olanağı verirler.

Diğer bir ayrıcalık dallı zincir yapıda hidrokarbonların oluşabilmesidir. Bunlar izomerler olarak bilinirler. İzomer hidrokarbonlar aynı sayıda karbon atomu bulunduran düz zincir hidrokarbonlara göre değişik fiziksel ve kimyasal özellikler sergilerler. Yüksek sayıda karbon atomlu düz zincir hidrokarbonlar katı maddeler olabildiği gibi (parafinler), izomer hidrokarbonlar aynı sayıda karbon atomu taşıdıkları halde yağ halinde sıvılar olabilirler.

Halka yapılı hidrokarbonlar grubunda, doymuş naften hidrokarbonlar ve doymamış aromatik hidrokarbonlar vardır. Altı karbon atomlu doymuş basit halka yapılı hidrokarbona sikloheksan, C6H12 ve doymamış basit halka yapılı hidrokarbona benzen, C₆H₆ örnek verilebilir. Benzen üç çift bağlı karbon yapısı gösterir.

Şekil 2: Halka yapılı hidrokarbonlar

Heksan, izo-heksan ve siklo-heksan aynı sayıda karbon atomu, fakat farklı sayıda hidrojen atomu içerirler ve davranışları birbirlerinden çok farklıdır. Halka yapılı hidrokarbonlar, karbon atomu gibi sülfür ve azot atomları ile de reaksiyon özellikleri gösterirler.

Madeni yakıtlarda tüm hidrokarbon grupları bulunmaz, ancak bunlar sayısız kimyasal bileşikler ve karışımlar oluştururlar. Ağırlıkça farklı bölümleri aşağıdaki aralıktadır:

C ≈ 0.83    H ≈0.11−0.15    S ≈ 0−0.06

Madeni yakıtların bileşimini incelemek, fiziksel karakterleri çok farklı olmalarına rağmen, çok zordur. Aynı sayıda karbon atomu içeren hidrokarbonlar çok değişik özellikler gösterebilirler. 20 karbon atomlu moleküller diesel yakıtlarında, 70 veya daha fazla karbon atomlu moleküller yağlama yağlarında bulunabilir.

Hidrokarbonların baskın çıkan tipi, yağlara karakteristiklerini verir, parafin bazlı (parafinik), naftenik veya aromatik (asfalt bazlı) gibi. Asfalt bazlı yağlarda aromatik hidrokarbonlar ağırlıktadır. Asfalt bazlı yağlar, parafin bazlı yağlardan daha yüksek karbon atomunu yapılarında bulundururlar.

Bütün hidrokarbon gruplarını yapılarında yaklaşık eşit miktarda bulunduran yağlara karışım bazlı yağ denir. Doymamış ve oksijen bulunduran hidrokarbonlar artan sıcaklıklara maruz kaldıklarında reçine ve asfaltik maddeler gibi daha büyük moleküllü yapılar oluşturacak şekilde birleşirler. Doymuş parafinik ve naftenik hidrokarbonlarda oksijen bulunduran kısımların polimerizasyonu mümkündür. Ancak, reaksiyon ürünleri yağ reçineleridir ve bunlar aromatik asfaltenlerden tamamen farklıdır.

Parafinik yağlar, moleküldeki yüksek hidrojen içeriğiyle yüksek bir ateşleme kalitesi gösterirler. Böylece parafin bazlı yağlar diesel yakıtı olarak tercih edilirler, bununla beraber moleküldeki yüksek hidrojen nedeniyle benzinde düşük vuruntu özelliği gösterirler. Düz zincir hidrokarbonlu parafinik yağlarda düşük vuruntu özelliği belirgindir. Distilasyondan sonra yeniden yapılanma prosedürleri oktan numarası olarak belirtilen vuruntu sınıflandırmasını arttırırlar. Yeniden yapılandırma moleküldeki hidrojen miktarının azaltılmasıdır.

Parafin bazlı yağlar, düşük yoğunluğa sahiptirler ve viskozite-sıcaklık davranışı naftenik yağlardan daha iyidir. Bu avantajlar ve kimyasal stabilite parafinik yağların yağlayıcı olarak kullanılabilmelerini sağlar.

Alkoller zincir hidrokarbonlarla bazı ilişkiler gösterirler. Tek fark, bir veya birden fazla hidrojen atomunun hidroksil, OH, grubu tarafından değiştirilmesidir. Bu yolla tek veya çok değerlikli alkoller ortaya çıkar, örneğin, metanol (metilalkol) CH₃OH ve etanol (etilalkol) C₂H₅OH. Yukarıda bahsedilen alkoller madeni yağlarla veya kendi başlarına otto motorlarında yakıt olarak kullanılmaktadır. Madeni yağ tüketimini azaltmak amacıyla diesel-yakıtı ile karıştırılmak suretiyle yanıcı madde olarak kullanılmaları mümkündür. Alkoller şeker tipi molekülleri olan bitkilerden distilasyon yoluyla elde edilebilirler.

Yağ asitlerinin de zincir hidrokarbonlarla belli ilişkileri vardır. Burada hidroksil grubu, karboksil grupları, COOH ile değiştirilmiştir. Doymuş C _nH_2n+1COOH ve doymamış C_nH_2n-1      COOH yağ asitleri mevcuttur.