Alkanes - GZ _ Science Class Online - Home

Document Sample
Alkanes - GZ _ Science Class Online - Home Powered By Docstoc
					                                 Chemistry NCEA L1
                                1.3 Carbon Chemistry
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
      Understand that matter, including carbon, is made up of particles /atoms

    An atom is the smallest 
    neutral particle that 
    makes up matter.  

    The type of atom and the 
    way these atoms are 
    arranged and connected 
    to each other determines 
    the type of matter – and 
    therefore the physical
    and chemical properties 
    of the matter.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
              Atoms have a particular structure – protons, electrons and neutrons
        Atoms have a central nucleus. The nucleus contains protons (p) and neutrons (n). 
        Electrons (e) orbit the nucleus, arranged in shells or energy levels. 


                                                 NP P
                                                  N N P                            Proton
                                                  P NP N                           +ve

    This is known as the                                                         Shell 1
    Bohr model.                                                                  Shell 2

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                    Carbon chemistry
     Carbon has four valence 
     electrons. The 
     electronegativity of carbon is 
     too small for carbon to gain 
     electrons from most elements 
     to form C4- ions, and too large 
     for carbon to lose electrons to 
     form C4+ ions. Carbon 
     therefore forms covalent 
     bonds with a large number of 
     other elements, including the 
     hydrogen, nitrogen, oxygen, 
     phosphorus, and sulfur.
     Groups of compounds in 
     which the main atom in the 
     molecule is carbon belong to a 
     category known as organic
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Covalent bonding between atoms

      Covalent bonding occurs where valence electrons around atoms are shared 
      between neighbouring atoms.  This type of bonding is found between the C 
      and H atoms in hydrocarbons and the C, H and O atoms in alcohol and is 
      called intramolecular bonding. This bonding is very strong. The bonding 
      between molecules is called intermolecular bonding and this is much weaker. 
      When hydrocarbons are heated and they change state into liquids and gases 
      it is this bonding that is broken not the covalent bonding.

      Note the distinction:
      Intra-molecular Forces: the strong 
      bonding forces within a molecule. i.e. the 
      covalent bonds holding the molecule 
      Inter-molecular Forces: the weak 
      bonding forces between molecules due 
      to the attractions between partial charges. 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Covalent bonding between atoms

                                Lewis diagram of CH4 (methane)

              Hydrogen                 H                                 Bonded pair
              electron                 x
                                    H C H
        Carbon electron                H
        Lewis diagrams can be used to show how atoms are arranged in a molecule and 
        which valence electrons are used in bonding. A bonding pair of electrons can also be 
        shown as a line:
                                                    H     C H
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Organic chemistry formula

     Molecular Formula – type and number of each atom.
     i.e.  Propane  C3H8 
     Structural Formula – placement of each atom.

     Condensed Structural Formula 

     Structural isomers are molecules with 
     the same molecular formula but different 
     structural formula.

     How many ways can you draw C6H14 ?

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

   Compounds that contain only carbon and hydrogen are known                                       
   as hydrocarbons. Those that contain as many hydrogen atoms as possible are 
   said to be saturated. The saturated hydrocarbons are also known as alkanes.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

    Straight-chain hydrocarbons, in which the carbon atoms form a chain that 
    runs from one end of the molecule to the other  .i.e. butane

    Alkanes also form branched structures. The smallest hydrocarbon in which a 
    branch can occur has four carbon atoms. This compound has the same 
    formula as butane (C4H10), but a different structure. Compounds with the 
    same formula and different structure are called structural isomers.

         generic formula 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Sources of Alkanes

Alkanes are found in petroleum (either crude oil or natural gas). They are formed 
by the anaerobic decomposition of marine plant and animal organisms. The main 
components in new Zealand natural gas are methane (one carbon alkanes) and 
carbon dioxide. 
Crude oil is imported into New Zealand from other countries and contains a 
mixture of different hydrocarbons with different length carbon chains. The 
different chain length  hydrocarbons are separated by a process called fractional
distillation as they have different boiling points.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                          Prefixes are used to name the longest carbon chain

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Naming straight chain alkanes

      Write the name of the alkane as – 
      1. Identify the longest C chain
      2. Write the name
              1. Prefix of long chain
              2. -ane

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Chemical properties of alkanes

    1.      Non reactivity of alkanes (in relation to acids, alkalis, metals, water, 
            because they are non-polar molecules).
    2. Low melting and boiling points – intermolecular forces are weak van der 
            Waal forces.
    3. Odour – hydrocarbons are volatile because they have weak intermolecular 
            forces and they have characteristic smells.
    4. Do not conduct heat or electricity.
    5. As the C chain gets longer the hydrocarbons change from gas to liquid to 
    6. Combustion of alkanes. Alkanes are very good fuels.  You must know the 
            equations for complete and incomplete combustion.  You must know that 
            the products of combustion for both complete and incomplete 
    7. Alkanes are non-polar so they are
            not soluble in water

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Alkane reactions -substitution

    Alkanes are saturated molecules, that is that every carbon atom has the maximum 
    amount of atoms bonded to it. If any other atoms are to be added to an alkane one 
    atom must be removed first.
    This reaction is known as a substitution reaction. For this reaction to proceed enough 
    energy must be available to overcome the activation energy required to break the 
    strong C-H bond. The available site can then be occupied by the provided atom. This 
    energy may be provided by heat or UV light 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

   Alkenes are known as unsaturated hydrocarbons. The carbons do not contain 
   as many hydrogen atoms as possible because two or more carbons are joined 
   by a double bond. Each carbon atom involved in the bond shares two of its 
   valance electrons therefore four electrons (in two pairs) are involved in the 
   covalent bond. 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

Functional Group – One double carbon-carbon bond C=C
A functional group is the part of the molecule responsible for 
reactions typical of the homologous series.

Alkene Nomenclature
Alkenes are named in a similar way to alkanes, but the longest continuous carbon
chain is numbered to give the carbon atoms in the double bond the lowest possible
The position of the double bond is given by the smaller number of the two carbon 
atoms involved.

After numbering the longest chain C1-C2=C3-C4,                                                                     
the compound is named 2-butene or but-2-ene,                                                                     
but not 3-butene nor but-3-ene.

generic formula 
                                                                                            NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                          Naming alkenes

Write name as
1. Prefix of long chain
2. Location of C=C
3. –ene

                                     Number carbons so 
                                     double bond has the 
                                     lowest number. 

                                                       NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                                  Addition reactions
        Alkenes are unsaturated molecules, that is that not every carbon atom has the 
        maximum amount of atoms bonded to it because it has one or more double bonds. If 
        another atom is added to an alkene the double bond can be broken down to a single 
        bond and the available site can be occupied by another atom.
        This reaction is known as an addition reaction. This reaction has a lower activation 
        energy requirement than substitution, that is it requires less energy to break a double 
        bond than break a C-H bond, therefore it can proceed easier than a substitution 

                                Break this bond
                                                                   Two places to bond atoms to
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                    Addition reactions

 Alkenes undergo addition reactions - this means they can undergo addition of 
 a halogen atom (chlorine, bromine, iodine) across the double bond to form a 
 The common test for an unsaturated hydrocarbon (alkene) to distinghuish it 
 from a saturated hydrocarbon (alkane) is therefore the rapid decolourisation 
 of an orange solution of bromine.  This occurs both in the presence or absence 
 of sunlight compared with the slower decolourisation (only with uv light) of the 
          CH3CH=CH2   +  Br2     


NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                           Tests to distinguish between Alkanes and Alkenes

    We can use these to identify whether the molecule is an alkene or alkane

    Alkane – single bonds, saturated                Alkenes – at least one double bond,
    hydrocarbon                                     unsaturated hydrocarbon
    Subsitution – one (or more) hydrogen  Addition reaction – double bond 
    replaced by another atom              breaks and atoms added
    Halogenation (Bromine)                 Halogenation (Bromine)
    Orange colour fades slowly in UV light Orange colour disappears 
                                               immediately changes to 
    Acidified Potassium Permanganate                Acidified Potassium Permanganate
    Doesn’t react – solution remains                Purple to colourless – oxidation 
    purple                                               changes to alcohol

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

 Alcohols are not considered hydrocarbons as they have one or more oxygen 
 atoms attached in addition to the hydrogen and carbon atoms. Alcohols are 
 organic substances however and share many of the same chemical and physical 
 properties of the alkanes and alkenes. Alcohols are used as solvents and fuels 
 and ethanol (a two carbon alcohol) is used as a drink.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

     Functional group is the hydroxyl group –OH (not a hydroxide)

     Naming alcohols
     1. Prefix of long chain
     2. an-
     3. Location of OH
     4. - ol

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                 Alcohol properties

    Small alcohol molecules are polar and the presence of the OH group means 
    they are able to undergo intermolecular hydrogen bonding.  The large 
    difference in electronegativity (ability to “grab” electrons from another atom 
    due to their pull from the combined positive protons in their nucleus) 
    between the O and H atoms means the O-H bond is very polar and the slightly 
    positive charge on this H atom is attracted to the non-bonding electron pairs 
    of the oxygen on another molecule. 
    Physical properties: This means small alcohol molecules are highly soluble in
    water.  However as the length of the non-polar hydrocarbon chain increases 
    this solubility in water decreases.
    Chemical properties: Aqueous solutions are neutral.  The presence of the OH 
    group in this molecule is NOT the same as the OH- in sodium hydroxide, 
    NaOH (an ionic compound). 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                        Summary of solubility in Water –Alkanes and Alkenes

 Alkanes and Alkenes: Not soluble in water. These molecules are non-polar 
 (there is no negative or positive ends to the molecule) compared with water 
 which is polar (having a negative area near the oxygen atom and positive area 
 near the hydrogen atoms) so they are not attracted to each other. Alkanes and 
 alkenes are immiscible (two or more liquids that will not mix together to form a 
 single homogeneous substance) and form a distinct layer from the water. 
 Smaller C chained alkanes and alkenes are less dense than water and float on 

                                                            If either an Alkane or Alkene 
                                                            is mixed into water 
                                                            eventually the two liquids 
                                                            will form  separate 
                                                            immiscible layers

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                         Summary of solubility in Water –Alkanes and Alkenes

                                                       lar bonds 

                                The less dense 
                                                               Because attractions between water and 
                                alkane floats on 
                                                               alkane molecules are different from the water 
                                top of the water
                                                               – water and alkane – alkane attractions the 
                                                               two types of molecules stay separate

                                                    Alkanes and water  do 
                                                    not mix.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                     Summary of solubility in Water - Alcohol

Alcohols: Soluble in water. These molecules are polar (due to the –OH end) and 
water, also being polar, will bond with the alcohol. The alcohol molecules will 
therefore disperse and mix within the water molecules.
      At the instant ethanol and water are mixed     Because the attractions between their 
      the ethanol floats on top of the water         molecules are similar, the molecules mix 
                                                     freely, allowing each substance to disperse 
                                                     into the other
      between                                 Hydrogen                                    Hydrogen 
      ethanol                                 bonds                                       bonds 
      molecules.                              between                                     between 
                                              water                                       ethanol 
                                              molecules.                                  and water 

                     Ethanol and water mix.                                       NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Summary of Boiling points

 Alkanes: The smaller the alkane molecule the lower the boiling point and the more 
 volatile (easier to combust) the alkane. As the molar mass (Mass number of all the atoms 
 combined) increases, the boiling points also increase as the strength of the 
 intermolecular (between molecules) attractions increases. 
 The alkanes methane to butane (C1 – C4) are all gases at room temperature
 Alkanes with between 5C and 15C atoms are all liquids
 Alkanes with over 15 C atoms are soft solids 

 Alkenes: The boiling point trend is similar to alkanes where the larger the number of C 
 atoms in the chain the higher the boiling point. The equivalent length C chain alkene has 
 a slightly higher point than that of the alkanes.

 Alcohols: The boiling point trend is similar to both alkanes and alkenes where the larger 
 the number of C atoms in the chain the higher the boiling point.
 The boiling point is higher than both alkanes and alkenes as the intermolecular bonding 
 is stronger due to being a polar molecule– which creates a positive and negative end and 
 hold the individual alcohol molecules together stronger and thus needs more energy to 
 break them (heat energy)
 Even small chain alcohols are liquid at room temperature
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Summary of Boiling points

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                  Addition polymers

        Addition polymers are formed when alkene monomers undergo addition to 
        form a polymer eg. polythene from ethene,  P.V.C. from vinyl chloride 
        (chloroethene), polypropene from propene.

        n(CH3CH=CH2) 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                           Addition polymerisation

Monomers  - smallest repeating unit with a double bond
Polymers – long chains of monomers joined together
Polymerisation – breaking of the double bond of each monomer and joining together 
with single bonds



                                                                   NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                  Uses and importance of polymers from ethene and propene
The alkenes are used to make polymers (which we also refer 
to generally as plastics).
The chemical properties of these polymers such as low 
chemical reactivity with air, water and many chemicals 
make them ideal as containers for liquids and chemicals 
                                             as they will not corrode or 
                                                  decompose. Polymers 
                                                             are also ideal as 
                                                                  clothing that 
                                                                    can be washed 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                  Uses and importance of Polymers from ethene and propene

The physical properties of polymers such as their density (low) and  strength 
make them ideal for strong yet light containers and clothing. Their ability to be 
melted and shaped makes production of moulded shapes efficient and cheap, as 
well as making polymers                   easy to recycle and reuse. 

As polymers are insoluble 
in water they will not 
dissolve when exposed to 
water. Polymers are 
thermal and electrical 
insulators they have 
many uses in electrical 
applications, appliances 
and insulating wires.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                  Uses and importance of Polymers from ethene and propene

Polythene, made from ethene, is very 
cheap and strong, and is easily molded. It 
is used to make, for example, plastic bags, 
bottles, and buckets.

                                            Polypropene, made from propene, has 
                                            strong fibers and a high elasticity. It is used, 
                                            for example, in the manufacture of crates, 
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                            ropes, and carpets
                                Combustion of Alkanes

    Combustion of hydrocarbons involves the breaking of bonds between the
    atoms, (as opposed to melting) either with plentiful oxygen – complete 
    combustion, or limited oxygen – incomplete combustion. The products 
    formed are water plus CO2 (or CO/C with limited oxygen).

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                          Combustion of Alkanes

                                           Complete combustion
                                 Alkane + Oxygen → Carbon Dioxide + water 

                                            Incomplete combustion
                         Alkane + limited oxygen → Carbon Monoxide or Soot + Water

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

 Complete combustion: needs plentiful O2 / good ventilation. Flame burns clear / blue. 
 The products are CO2 and H2O
 Energy efficient -  maximum amount of energy in hydrocarbon released
 Incomplete combustion:
 occurs in limited O2 / poor           complete                         incomplete
 ventilation. Flame burns dirty 
 yellow/orange. The products 
 CO and C (soot) and H2O.
 Reduced energy efficiency – 
 less than the maximum 
 amount of energy in 
 hydrocarbon is released

 As C chain length increases you 
 get more incomplete 
 combustion occurring as bigger 
 molecules need more O2 from 
 complete combustion
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                  Combustion equations
    Combustion Equations
    Step 1. Write down the molecular formula of the alkane plus O2 on the left hand side
    Step 2. Write down CO2 plus H2O on the right hand side
    Step 3. Add the number of carbon atoms in the Alkane and balance the number of CO 2 
    (same as number of Cs)
    Step 4. Add number of Hydrogen atoms in the Alkane and balance the number of H 2O 
    (will be half number of Os)
    Step 5. add the total number of Os on the RHS and balance the LHS of O2 (if there is an 
    uneven number then you can use ½ Os)

    Incomplete combustion
    For limited oxygen replace CO2 with CO and use same steps
    For very limited oxygen replace CO2 with C and use same steps

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                       Combustion of Alcohol
     Complete              Alcohol + 11/2 Oxygen                CO2 + 2H2O
     Incomplete            Alcohol + 1 Oxygen             CO  + 2H2O

                                                  The longer the chain of carbons in the 
                                                  alcohol the less vigorously the 
                                                  combustion reaction. Methanol and 
                                                  ethanol (drinking alcohol) combust 
                                                  more readily. 
                                                  Chefs will flambé a dish, setting alight 
                                                  the alcohol – this will reduce the alcohol 
                                                  content in the food or drink.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                      Combustion summary

Complete combustion – plentiful supply of Oxygen (CO2 + H2O)
Alkane     C3H8   +  5O2                      3CO2   + 4H2O
Alkene     C3H6   + 41/2 O2                  3CO2   + 3H2O
Alcohol     C2H6O   + 3 O2                  2CO2    + 3H2O

Incomplete combustion – limited supply (CO + H2O)
Alkane    C3H8   + 31/2O2                 3CO   +  4H2O

Incomplete combustion – very limited supply (C + H2O)
Alkane    C3H8   + 2O2                      3C     +  4H2O

>Balance Carbon and Hydrogen on RHS
>Add oxygen to make CO2/CO/C and H2O on RHS
>Balance Oxygen by adding number of O2 to LHS
                                Summary of reactions

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
Effects of Combustion products on human health and the environment
                          Carbon Dioxide

                          Increased levels of Carbon dioxide are linked 
                          to an enhanced greenhouse effect and 
                          global warming leading to climate change. 
                          Climate change has resulted in melting polar 
                          ice and less settled weather as well as 
                          causing different climates that is affecting 
                          animal and plant survival.

                                                         NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
       Carbon dioxide is a greenhouse gas and traps heat in the atmosphere.
       Without it and other greenhouse gases, Earth would be a frozen world
Earth’s climate in 4.5 billion-year has naturally changed between being very cold and 
covered in ice, or very hot. In the recent 10,000 years the planet’s climate has become 
much more stable, creating an ideal environment for humans and domestication of plants 
and animals.
However, over the past 50-100 years, increasing human activity (such as industry, 
agriculture and transportation) has begun to affect the natural climate balance. These 
activities are increasing the amount of greenhouse gases in our atmosphere and causing 
Earth to heat up faster than ever seen before since humans have been on Earth.

NCEA L1Science 2012 Chem 1.3
Year 10 Science 2013                        43
           Human activity is increasing the CO2 in the atmosphere and Earth is
                                becoming a warmer place

Around 1750, the period of 
history called the industrial
revolution, humans began to 
burn (combust) fossil fuels 
and produce carbon dioxide in 
increasing amounts. The 
overall effect of human 
activities on the climate has 
been a warming influence. 
According to scientific studies, 
in the past 650,000 years the 
planet has never had so much 
carbon dioxide in its 
atmosphere as it does today, 
and the levels of the gas are 
continuing to rise. 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3              44
                                Human activity is accelerating climate change

                                                                 Persistent human 
                                                                 activities like driving 
                                                                 cars, farming and 
                                                                 burning coal in 
                                                                 combustion reactions 
                                                                 produce greenhouse 
                                                                 gases – mainly carbon 
                                                                 dioxide. This gas 
                                                                 gathers in the 
                                                                 atmosphere, wrap 
                                                                 around the earth and 
                                                                 trap the sun's heat.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
Human activity is increasing the CO2 in the atmosphere and Earth is
                     becoming a warmer place

                                                The carbon dioxide and 
                                                other greenhouse gases in 
                                                the atmosphere act as an 
                                                “insulation blanket”. With 
                                                not enough greenhouse 
                                                gases the heat from the 
                                                Sun would reach Earth but 
                                                then radiate away leaving 
                                                the planet to cold. With 
                                                too much greenhouse 
                                                gases the heat is trapped 
                                                around Earth and doesn’t 
                                                escape as easily making 
                                                the Earth to hot. 

                                                         NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                               Human activity is accelerating climate change

                                                                      The more greenhouse
                                                                      gases we release, the
                                                                      faster the world's climate
                                                                      heats up. This process is
                                                                      called global warming
                                                                      but it also leads to
                                                                      climate change because
                                                                      it is increasing the
                                                                      amount of floods, storms,
                                                                      cyclones, droughts and
                                                                      landslips. Climate change
                                                                      is affecting our economy,
                                                                      environment and the way
                                                                      we live – we are already
                                                                      seeing the effects and
                                                                      need to prepare for more
                                                                      changes in the future.
NCEA L1Science 2012 Chem 1.3
Year 10 Science 2013                                47
                                Human activity is accelerating climate change

In New Zealand likely climate change impacts include: higher temperatures,  more 
droughts  in some areas and floods in others, and a change in the amount of rain with 
higher rainfall in the west and less in the east.

These changes in climate will cause a range of effects including changing agricultural 
productivity where some species will not grow as well and other warm loving species will 
need to be grown, warmer winters with fewer frosts, but hotter summers causing heat 
stress and diseases in plants and animals, rising sea levels will effect coastal areas and 
glaciers are expected to retreat.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3                        48
       All living things are made of carbon and that carbon
       changes from one form to another in a carbon cycle

Carbon exists in a 
number of forms. It is 
part of a gas 
molecule called 
carbon dioxide found
in the atmosphere 
which can be turned 
into carbon 
compounds in plants 
photosynthesis. This 
carbon is then 
passed along to 
other living 
organisms when they 
are consumed and 
released back into 
the atmosphere 
during respiration
and combustion                             49
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
All living things are made of carbon and that carbon changes from one form to
                            another in a carbon cycle
Natural processes of photosynthesis and respiration (blue arrows) keep the carbon dioxide 
levels reasonably stable in the atmosphere – and therefore the global temperature steady. 
Human activity such as farming, industry and burning fossil fuels (red arrows) which have a 
large amount of “locked up” carbon are affecting this balance and causing the levels of 
Carbon Dioxide to increase.

NCEA L1Science 2012 Chem 1.3
Year 10 Science 2013                         50
  Carbon can be stored in the Earth in ‘carbon sinks’ such as fossil fuels, rocks
                             and ocean sediments

NCEA L1Science 2012 Chem 1.3
Year 10 Science 2013                     51
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
       Effects of Combustion products on human health and the environment
                                Carbon Monoxide

   Carbon Monoxide (CO) is a colourless, odourless, toxic gas that is produced 
   during incomplete combustion when not enough oxygen is available.
   Carbon Monoxide stops haemoglobin in red blood cells carrying oxygen 
   around body and so a person suffocates.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
       Effects of Combustion products on human health and the environment
                                Carbon Monoxide

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
       Effects of Combustion products on human health and the environment
                                  Soot (carbon)

                                                  Soot (C) is dirty and polluting. 
                                                  Soot is produced during 
                                                  combustion when there is very 
                                                  limited amounts of oxygen 
                                                  available. Carbon particles can 
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                                  cause asthma in some people 
                                                  and even lung cancer.

  Fuels are a group of chemicals, mostly alkanes but also alkenes and alcohols, that
  humans use by converting the chemical energy stored in the high energy bonds
  between carbon and hydrogen into heat and light energy
  through the process of combustion. Fuels are used
  to heat homes and include coal and oil as well as
  for transportation and industry using oil, petrol,
  diesel and coal. Other fuels are
   processed into plastics.

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
           The Earth has a fixed amount of resources that have to be managed

Sustainable means to continue 
being able to do something or 
use something indefinitely. 
Some of our fuels on Earth are 
Non-renewable such as coal, 
and oil and they will be all used 
up eventually as the process to 
make more takes a very long 
time. Other fuels such as 
biofuels are renewable. As 
long as we do not take to 
much and replace what we use 
then these resources can be 
used for a long period of time 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Biomass energy

                                                 Biomass relies on the 
                                                 photosynthetic ability of 
                                                 plants to convert solar 
                                                 energy into chemical 
                                                 energy. The chemical 
                                                 energy stored in plants is 
                                                 then broken down by 
                                                 enzymes and useful 
                                                 bacteria into  biofuels to 
                                                 be used in machinery. 
                                                 This type of fuel is 
                                                 renewable as long as the 
                                                 same amount of trees are 
                                                 planted to replace those 
                                                 cut down. The carbon 
                                                 dioxide released when 
                                                 burning the fuels will also 
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3         58
                                                 be reabsorbed by the 
                                                 plants as they grow.
                                   Non-Renewable Energy

Non renewable energy is 
energy that comes from the 
ground and is able to be not 
replaced within a useful 
period of time. Fossil fuels
are the main category of 
non renewable energy. 
Fossil fuels include; coal, oil 
and natural gas. These 
resources come from 
animals and plants that 
have died millions of years 
ago and then decomposed 
to create a useable source 
of energy for humans. 

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3               59
                                  Fossil Fuels - Coal

Coal was formed millions of years ago when plants fell into peat swamps and were 
buried by heavy earth and rocks. Over millions of years, the weight of the rocks and heat 
in the ground turned the plants into coal.
Most of the world’s coal was formed 300–350 million years ago during the 
Carboniferous period that was warm and damp, ideal for plant growth. New Zealand 
coals are much younger – they were made 30–70 million years ago and they are a less 
energy rich fuel. Coal is mined either underground or in large open cast mines.

                                  Fossil Fuels – Oil and Gas

Oil and gas were formed
many millions of years ago from
dead sea organisms falling to the sea floor
and being covered by sediment. Over time the
sediment that covered these dead creatures was compressed 
and formed rock. The carbon and hydrogen atoms that used to be 
part of the dead organisms bodies reformed into fuel – the liquid form called oil and the gas 
form. Oil and gas are mined by drilling deep into the ground from oil rigs.
                     The limits of fossil fuels and the unlimited energy of the sun

     Fossil fuels are a limited resource. Extraction and mining can be expensive and can 
     damage the surrounding area. Carbon dioxide gas that is released upon burning the fuels 
     are contributing to the warming of the climate. Human society has a dependence on fossil 
     fuels for energy but needs to consider alternative renewable energy sources to replace 
     decreasing  coal, gas and oil supply. Renewable energy  is sustainable and in many cases  
     produces little or no harm to the environment.  As new technology develops to collect the 
     energy it will become cheaper.

                                Fossil                           Renewable
                                fuels                            energy

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3                         62
                               Production of fuels – New Zealand Fuels

A fully laden coal train about to leave Seddonville for Westport. (1898)

Due to new Zealand’s geological history and  the processes involved  to create fossil fuels we do 
not  have large fields of crude oil (unprocessed oil) but we do have sources of coal (but not the 
very black and old  high energy coal) and natural gas (mostly methane). 
Coal can be used directly by combusting  it in power stations such as Huntly to heat water into 
steam and power turbines. It is also used in homes for heating. Combusting and mining coal is 
very polluting and its use is becoming more limited in New Zealand.  Recent disasters (pike river) 
in coal mining have also reflected badly on the coal mining industry.
                                Production of fuels – New Zealand Fuels

 Natural gas is extracted at fields around New Zealand, mostly off the coast out at sea, and 
 this can be further processed into methanol (an alcohol fuel). 
 We can also produce Ethanol (an alcohol fuel) through the process of fermentation – 
 anaerobic respiration of yeast.
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3                                 Above: Kupe Gas platform in Taranaki
                                  Methanol from Natural gas

      Producing methanol (an alcohol CH3OH) from 
      Natural gas (an alkane CH4) is a three step process.

      (i) Steam reforming where methane reacts with          (ii) Water shift reaction – a 
             steam                                                   reaction that adjusts
             CH4 + H2O  → CO + 3H2                                   the ratio of CO: H2 gas

      (iii) Synthesis reaction
            2H2 + CO  →  CH3OH

      Methanol is used to make other chemicals that are 
      used in making paints, plastics and explosives and 
      in methylated sprits
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Fermentation to produce fuel (ethanol)

           Fermentation is anaerobic respiration. Enzymes in yeast turn sugar solution (eg 
           glucose) into ethanol and carbon dioxide (in the absence of oxygen).

                                C6H12O6   →           CO2                 +     CH3CH2OH
                                 Glucose            carbon dioxide            ethanol

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Production of fuels – imported Fuels

  New Zealand needs to
  import crude oil from
  other countries and then
  further refine it (or process
  it) into other types such as
  petrol, diesel and motor oil
  in order to provide fuel for
  our cars, trucks and
  These processes of refining
  include fractional
  distillation to separate out
  the mixed length carbon
  chain alkanes into distinct
  types of fuel as well as
  cracking which breaks the
  long carbon chained
  alkanes into shorter, more
  useful fuels.
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                                Fractional distillation of crude oil

  Fractional column

  Coolest at the top, gases 
  (Carbon chains 1 – 4) collected 
  at the top – they have the 
  lowest boiling points which is 
  why they don’t condense – they 
  stay as gases

  Cooler as you go up, smaller 
  molecules condense higher up 
  as they have lower boiling 

  Hottest at bottom. Large 
  molecules condense here as 
  have highest boiling points

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
Fractional distillation of crude oil
                                Different hydrocarbons and their boiling points

Petroleum Gas - Used for heating, cooking, and making plastics
  -small alkanes (1 to 4 carbon atoms)
  -commonly known by the names methane, ethane, propane, butane
  -boiling range = less than 104 degrees Fahrenheit / 40 degrees Celsius
  -often liquified under pressure to create LPG (liquified petroleum gas)

Naphtha - intermediate that will be further processed to make gasoline
  -mix of 5 to 9 carbon atom alkanes
  -boiling range = 140 to 212 degrees Fahrenheit / 60 to 100 degrees 

Gasoline - motor fuel
  -mix of alkanes and cycloalkanes (5 to 12 carbon atoms)
  -boiling range = 104 to 401 degrees Fahrenheit / 40 to 205 degrees Celsius  * 

Kerosene - fuel for jet engines and tractors; starting materials for making other 
  -mix of alkanes (10 to 18 carbons) and aromatics
  -boiling range = 350 to 617 degrees Fahrenheit / 175 to 325 degrees Celsius  * 
NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3
                     Different hydrocarbons and their boiling points

 Gas oil - used for diesel fuel and heating oil; starting material for making other products
  -alkanes containing 12 or more carbon atoms
  -boiling range = 482 to 662 degrees Fahrenheit / 250 to 350 degrees Celsius  * 

Lubricating oil - used for motor oil, grease, other lubricants
  -long chain (20 to 50 carbon atoms) alkanes, cycloalkanes, aromatics
  -boiling range = 572 to 700 degrees Fahrenheit / 300 to 370 degrees Celsius  * 

 Heavy gas or fuel oil - used for industrial fuel; starting material for other 
  -long chain (20 to 70 carbon atoms) alkanes, cycloalkanes, aromatics
  -boiling range = 700 to 1112 degrees Fahrenheit / 370 to 600 degrees Celsius  * 

 Residuals - coke, asphalt, tar, waxes; starting material for other products
  -multiple-ringed compounds with 70 or more carbon atoms
  -boiling range = greater than 1112 degrees Fahrenheit / 600 degrees Celsius
                                          Cracking of fractions

    The cracking process uses heat and/or catalyst to break long less useful alkenes e.g. 
    naptha fraction, into smaller more useful ones such as to make petrol or to make 
    ethene (that can be made into plastics)

                                          Temp, pressure, catalyst
                             C10H22     ----------------------   C8H18   +   C2H4
                        Long hydrocarbon chain             alkane   +   alkene

NCEA L1 Science 2013 Chem 1.3

Shared By:
jianghongl jianghongl http://