A benzin kémiai összetétele: Szénhidrogének és adalékanyagok mélyreható elemzése

A benzin, a belső égésű motorok legelterjedtebb üzemanyaga, nem egyetlen vegyület, hanem szénhidrogének és speciális célú adalékanyagok komplex keveréke. Összetétele finomítónként, a felhasznált kőolaj eredetétől, az évszaktól és a helyi szabályozásoktól függően változhat, de az alapvető komponensek és azok arányai meghatározott keretek között mozognak.

A benzin fő alkotóelemei: A szénhidrogének világa

A benzin túlnyomó részét, jellemzően több mint 95 térfogatszázalékát, különböző szerkezetű és méretű szénhidrogén molekulák alkotják. Ezek a vegyületek kizárólag szén (C) és hidrogén (H) atomokból állnak, de szénatomszámuk, az atomok közötti kötések típusa és a molekulák térbeli elrendeződése rendkívül változatos. A benzinben található szénhidrogének szénatomszáma általában 4 és 12 között mozog ( $C_4$ -től $C_12$ -ig). Az eltérő szerkezetű szénhidrogének más-más tulajdonságokkal ruházzák fel a benzint, befolyásolva többek között annak illékonyságát, energiatartalmát és kopogásállóságát (oktánszámát).

A benzinben megtalálható fő szénhidrogén-családok a következők:

Alkánok (paraffinok)
Cikloalkánok (naftének)
Alkének (olefinek)
Aromás szénhidrogének

1. Alkánok (paraffinok): A benzin gerince

Az alkánok telített szénhidrogének, ami azt jelenti, hogy szénatomjaik között kizárólag egyszeres kovalens kötések találhatók, és minden szénatom a lehető legtöbb hidrogénatomot köti meg. Általános képletük $C_n H_2 n + 2$ . A benzinben mind normális (egyenes szénláncú, n-alkánok), mind elágazó szénláncú (izoalkánok) alkánok megtalálhatók.

Normál alkánok (n-alkánok)

A normál alkánok, mint például az n-bután ( $C_4 H_10$ ), n-pentán ( $C_5 H_12$ ), n-hexán ( $C_6 H_14$ ), n-heptán ( $C_7 H_16$ ) és n-oktán ( $C_8 H_18$ ), a benzin fontos összetevői. Jellemzően alacsonyabb az oktánszámuk, mint az elágazó láncú izomereiknek vagy az aromás vegyületeknek. Az n-heptán például az oktánszám skálán a 0 pontot képviseli, mivel rendkívül hajlamos a kopogásos égésre.

n-Bután: A legrövidebb szénláncú alkánok egyike a benzinben. Nagy illékonysága miatt elsősorban a téli benzinekben van jelen nagyobb arányban, segítve a hidegindítást.
n-Pentán: Szintén hozzájárul a benzin illékonyságához.
n-Hexán: Közepes illékonyságú komponens. Fontos megjegyezni, hogy az n-hexán neurotoxikus hatású lehet, ezért igyekeznek minimalizálni a koncentrációját.
n-Heptán: Ahogy említettük, alacsony oktánszámú, ezért a jelenléte nem kívánatos nagy mennyiségben.

Az n-alkánok hozzájárulnak a benzin energiatartalmához, de az oktánszámukat tekintve kevésbé előnyösek. A finomítási eljárások során (pl. izomerizáció) egy részüket elágazó láncú izomerekké alakítják át.

Izoalkánok (elágazó szénláncú alkánok)

Az izoalkánok az n-alkánokkal azonos összegképletű, de eltérő szerkezetű molekulák, ahol a szénlánc elágazásokat tartalmaz. Ezek az elágazások jelentősen javítják a molekula kopogásállóságát. Az izoalkánok ezért a benzin rendkívül értékes komponensei.

Izobután (2-metilpropán, $C_4 H_10$ ): Az n-bután izomerje, jobb oktánszámmal rendelkezik. Az alkilezési folyamatok egyik kiindulási anyaga.
Izopentán (2-metilbután, $C_5 H_12$ ): Jó oktánszámú, illékony komponens, különösen a téli benzinekben fontos.
Izohexánok (pl. 2-metilpentán, 3-metilpentán, 2,2-dimetilbután, 2,3-dimetilbután; $C_6 H_14$ ): Többféle izomer létezik, mindegyik jobb oktánszámmal bír, mint az n-hexán. A 2,2-dimetilbután és a 2,3-dimetilbután különösen jó kopogásállóságú.
Izoheptánok (pl. 2-metilhexán, 2,2-dimetilpentán, 2,3-dimetilpentán, 2,4-dimetilpentán, 3,3-dimetilpentán, 3-etilpentán, 2,2,3-trimetilbután; $C_7 H_16$ ): Számos izomerjük létezik, amelyek közül sok kiváló oktánszámú.
Izooktán (2,2,4-trimetilpentán, $C_8 H_18$ ): Ez a vegyület az oktánskála másik referenciapontja, definíció szerint 100-as oktánszámmal rendelkezik. Kiváló kopogásállósága miatt a nagyteljesítményű benzinek kulcsfontosságú összetevője. Az alkilezés és a polimerizáció során keletkezik a finomítókban. Más izooktánok, mint a 2,3,4-trimetilpentán, szintén magas oktánszámúak.

Az izoalkánok aránya a benzinben jelentősen befolyásolja annak minőségét. A modern finomítókban számos eljárás (pl. katalitikus reformálás, izomerizáció, alkilezés) célozza ezen értékes komponensek mennyiségének növelését.

2. Cikloalkánok (naftének): Gyűrűs stabilitás

A cikloalkánok, más néven naftének, olyan telített szénhidrogének, amelyekben a szénatomok gyűrűt alkotnak. Általános képletük $C_n H_2 n$ (monociklusos vegyületek esetén). A benzinben jellemzően öt- (ciklopentán és származékai) és hattagú (ciklohexán és származékai) gyűrűket tartalmazó naftének fordulnak elő.

Ciklopentán ( $C_5 H_10$ ) és metilciklopentán ( $C_6 H_12$ ): Közepes oktánszámú komponensek. A metilciklopentán a reformálási folyamatok során benzollá alakulhat.
Ciklohexán ( $C_6 H_12$ ) és metilciklohexán ( $C_7 H_14$ ): Szintén közepes oktánszámmal rendelkeznek. A metilciklohexán a reformálás során toluollá alakulhat át.

A naftének általában jobb oktánszámmal rendelkeznek, mint a velük azonos szénatomszámú n-alkánok, de rosszabbal, mint az izoalkánok vagy az aromás vegyületek. Stabilitásuk és viszonylag magas energiasűrűségük miatt hasznos összetevői a benzinnek. A kőolaj eredetétől függően a benzin nafténtartalma változó lehet; egyes kőolajfajták (ún. nafténes kőolajok) különösen gazdagok ezekben a vegyületekben. A katalitikus reformálás során a naftének jelentős része nagy oktánszámú aromás vegyületekké alakul át dehidrogénezéssel.

3. Alkének (olefinek): Reaktív komponensek

Az alkének, más néven olefinek, telítetlen szénhidrogének, amelyek molekulájában egy vagy több szén-szén kettős kötés található. Általános képletük (egy kettős kötés esetén) $C_n H_2 n$ . Az alkének jellemzően nem a kőolaj természetes alkotórészei, hanem a finomítási eljárások, különösen a katalitikus krakkolás és a gőzös krakkolás (pirolízis) során keletkeznek nagyobb molekulákból.

Butének (pl. but-1-én, cisz-but-2-én, transz-but-2-én, izobutilén/2-metilpropén; $C_4 H_8$ ): Illékonyak, hozzájárulnak az üzemanyag gőznyomásához. Az izobutilén fontos alapanyaga az MTBE és ETBE oxigenátoknak, valamint az izooktán szintézisének.
Pentének (amilének, $C_5 H_10$ ): Különböző izomerjeik (pl. pent-1-én, cisz/transz-pent-2-én, 2-metilbut-1-én, 3-metilbut-1-én, 2-metilbut-2-én) viszonylag jó oktánszámmal rendelkeznek.
Hexének ( $C_6 H_12$ ) és magasabb szénatomszámú alkének: Szintén jelen lehetnek kisebb mennyiségben.

Az alkének általában magasabb oktánszámúak, mint a megfelelő alkánok, ezért javíthatják a benzin kopogásállóságát. Azonban a kettős kötésük miatt reaktívabbak: hajlamosak oxidációra és polimerizációra, ami lerakódások (gyanták) képződéséhez vezethet az üzemanyagrendszerben és a motorban. Emiatt a benzin alkéntartalmát általában korlátozzák (jellemzően 5-18 térfogatszázalék között mozog), és antioxidáns adalékokat adnak a benzinhez a stabilitásuk növelése érdekében. A modern benzin specifikációk gyakran szigorú határértékeket írnak elő az olefinek mennyiségére, különösen a diolefinekre (két kettős kötést tartalmazó alkének), amelyek még reaktívabbak.

4. Aromás szénhidrogének: Nagy oktánszám és sűrűség

Az aromás szénhidrogének olyan ciklikus, telítetlen vegyületek, amelyek delokalizált $p i$ -elektronrendszerrel rendelkeznek (Hückel-szabály). A legegyszerűbb és legismertebb képviselőjük a benzol ( $C_6 H_6$ ). A benzinben található egyéb fontos aromás vegyületek a toluol (metilbenzol, $C_7 H_8$ ), etilbenzol ( $C_8 H_10$ ) és a xilolok (dimetilbenzolok, $C_8 H_10$ – orto-, meta- és para-xilol izomerek). Ezeket együttesen gyakran BTEX néven említik. Előfordulnak még összetettebb aromás vegyületek is, mint például a trimetilbenzolok ( $C_9 H_12$ ) vagy a naftalin ( $C_10 H_8$ ) és annak származékai, bár utóbbiak inkább a dízelolajban jellemzőek.

Az aromás vegyületek számos előnyös tulajdonsággal bírnak a benzin szempontjából:

Magas oktánszám: Jelentősen növelik a benzin kopogásállóságát. A toluolnak például 110-120 körüli, a xiloloknak pedig még ennél is magasabb lehet a kutatási oktánszáma (RON).
Nagy sűrűség és fűtőérték: Térfogategységre vetítve magasabb energiatartalmat biztosítanak, ami hozzájárulhat a jobb üzemanyag-fogyasztáshoz.

Ugyanakkor az aromás komponenseknek vannak hátrányai is:

Toxicitás: A benzol ismert humán rákkeltő anyag, ezért tartalmát a legtöbb országban szigorúan korlátozzák (jellemzően 1 térfogatszázalék alá). A toluol és a xilolok kevésbé toxikusak, de nagy koncentrációban szintén egészségkárosítóak lehetnek.
Koromképződés: Tökéletlen égés esetén hajlamosabbak korom képzésére, mint más szénhidrogének, mivel arányaiban több szénatomot tartalmaznak a hidrogénhez képest.
Párolgási emisszió: Némelyikük hozzájárul a párolgási emissziókhoz és a szmogképződéshez.

Az aromás vegyületek főként a katalitikus reformálási eljárás során keletkeznek nafténekből és alkánokból. A benzin aromástartalma jellemzően 20-45 térfogatszázalék között van, de ez erősen függ a helyi szabályozásoktól és a kívánt oktánszámtól. A finomítók igyekeznek optimalizálni az aromástartalmat, hogy maximalizálják az oktánszám-növelő hatást, miközben minimalizálják a káros környezeti és egészségügyi hatásokat. A benzol mennyiségének csökkentése érdekében gyakran alkalmaznak benzol-extrakciós eljárásokat, vagy úgy módosítják a reformálási folyamatot, hogy kevesebb benzol képződjön, illetve a képződött benzolt alkilezéssel értékesebb komponensekké (pl. etilbenzollá, kumollá) alakítják.

A benzin adalékanyagai: Teljesítmény és védelem

A modern benzinek nem csupán tiszta szénhidrogén-keverékek, hanem számos speciális adalékanyagot is tartalmaznak kis koncentrációban (általában ppm vagy néhány százalékos nagyságrendben). Ezek az adalékok célja a benzin tulajdonságainak javítása, a motor teljesítményének optimalizálása, az üzemanyagrendszer védelme és a károsanyag-kibocsátás csökkentése.

1. Oxigenátok

Az oxigenátok olyan szerves vegyületek, amelyek oxigént tartalmaznak, és az üzemanyaghoz keverve javítják az égést, ezáltal csökkentve a szén-monoxid (CO) és az elégetlen szénhidrogének (HC) kibocsátását. Emellett oktánszám-növelő hatásuk is van.

Etanol ( $C_2 H_5 O H$ ): A legelterjedtebb oxigenát, amelyet bioüzemanyagként, erjesztéssel állítanak elő növényi alapanyagokból (pl. kukorica, cukornád). A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható benzin tartalmaz valamennyi etanolt (pl. E5 – 5% etanol, E10 – 10% etanol, sőt E85 – 85% etanol speciális flex-fuel járművekhez). Az etanol magas oktánszámú (RON ~108-110), de kisebb az energiatartalma, mint a tiszta benziné, és korrozív hatású lehet bizonyos anyagokra, valamint vizet vonzhat be az üzemanyagrendszerbe.
Metil-terc-butil-éter (MTBE, $C H_3 OC (C H_3)_3$ ): Korábban széles körben használt oktánszám-növelő és oxigenát volt. Azonban környezetvédelmi aggályok (talajvíz-szennyezés, lassú biológiai lebomlás) miatt használatát számos országban betiltották vagy jelentősen korlátozták.
Etil-terc-butil-éter (ETBE, $C_2 H_5 OC (C H_3)_3$ ): Az MTBE-hez hasonló szerkezetű és tulajdonságú vegyület, amelyet etanolból és izobutilénből állítanak elő. Kevésbé oldódik vízben, mint az MTBE, ezért kevésbé hajlamos a talajvíz szennyezésére. Bioetanol felhasználásával „bio-ETBE” is előállítható.
Terc-amil-metil-éter (TAME, $C H_3 OC (C H_3)_2 C_2 H_5$ ): Szintén oxigenátként és oktánszám-növelőként használható.

2. Oktánszám-növelők (a nem oxigenát típusúak)

Ezek a vegyületek az üzemanyag kompressziótűrését, azaz oktánszámát növelik anélkül, hogy jelentős oxigéntartalommal rendelkeznének.

Fémorganikus vegyületek:
- Tetraetil-ólom ( $P b (C_2 H_5)_4$ ): Régebben a legelterjedtebb oktánszám-növelő volt, de rendkívül mérgező (ólommérgezés) és károsítja a katalizátorokat, ezért használatát világszerte szinte teljesen betiltották az autózásban (kivéve néhány speciális alkalmazást, pl. versenyautók, kisrepülőgépek).
- Metilciklopentadienil-mangán-trikarbonil (MMT, $(C H_3 C_5 H_4) M n (CO)_3$ ): Mangántartalmú adalék, amelyet egyes országokban még használnak, de egészségügyi és a kipufogórendszerre gyakorolt potenciális negatív hatásai miatt használata vitatott és sok helyen korlátozott vagy tiltott.
- Ferrocén (diciklopentadienil-vas, $F e (C_5 H_5)_2$ ): Vastartalmú vegyület, amely szintén oktánszám-növelő hatású, de lerakódásokat okozhat a gyújtógyertyákon és a motor egyéb részein, ezért ritkán alkalmazzák modern benzinekben.
Aromás aminok: Például az N-metilanilin. Hatékony oktánszám-növelők, de potenciális toxicitásuk és a nitrogén-oxid kibocsátásra gyakorolt hatásuk miatt használatuk korlátozott.

A modern ólommentes benzinek oktánszámát elsősorban a szénhidrogén-összetétel finomhangolásával (magas izoalkán- és aromástartalom) és oxigenátok (főleg etanol) hozzáadásával érik el.

3. Detergensek (tisztító adalékok)

A detergens adalékok tisztán tartják az üzemanyagrendszer elemeit, mint például a befecskendezőket, szívószelepeket és az égésteret. Megakadályozzák a lerakódások képződését, illetve eltávolítják a már meglévőket. Ezek a lerakódások ronthatják a motor hatásfokát, növelhetik a fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást. A detergensek tipikusan hosszú szénláncú (ap_L_áris, olajoldékony) „farokrészből” és egy poláris „fejrészből” állnak. A farokrész biztosítja az oldhatóságot a benzinben, míg a fejrész kölcsönhatásba lép a fémfelületekkel és a lerakódásokkal. Gyakori kémiai típusok:

Poliizobutilén-aminok (PIBA)
Poliéter-aminok (PEA): Különösen hatékonyak a meglévő lerakódások eltávolításában.
Polialkén-fenol-aminok (Mannich-bázisok)
Szukcinimidek

A detergensek mellett gyakran vivőolajokat (carrier oils) is adagolnak, amelyek segítik a detergens eljutását a kritikus motoralkatrészekhez és megakadályozzák annak kicsapódását.

4. Korróziógátlók

Védelmet nyújtanak az üzemanyagrendszer fém alkatrészeinek (pl. tank, csövek, befecskendezők) a korrózióval szemben, amelyet a benzinben esetlegesen jelen lévő víz vagy más korrozív anyagok okozhatnak. Ezek általában felületaktív anyagok, amelyek vékony védőfilmet képeznek a fémfelületeken. Kémiailag lehetnek karbonsavak sói, aminok, észterek vagy foszfát-észterek. Különösen fontosak az etanolt tartalmazó benzinek esetében, mivel az etanol növelheti a vízmegkötő képességet és a korróziós kockázatot.

5. Antioxidánsok (oxidációgátlók)

Megakadályozzák a benzin oxidációját a tárolás során. Az oxidáció, különösen az instabilabb alkének és diolefinek esetében, gyantás, ragacsos anyagok képződéséhez vezethet, amelyek eltömíthetik a szűrőket és a befecskendezőket. Az antioxidánsok lánctörő mechanizmussal működnek, semlegesítve a szabad gyököket, amelyek az oxidációs folyamatot elindítják. Gyakori antioxidáns típusok:

Gátolt fenolok: Pl. 2,6-di-terc-butil-4-metil-fenol (BHT), 2,4-dimetil-6-terc-butil-fenol.
Aromás aminok: Pl. fenilén-diamin származékok.

6. Fémdeaktivátorok

Bizonyos fémionok (pl. réz, vas), amelyek a finomítási folyamatból vagy a tárolórendszerekből kerülhetnek a benzinbe, katalizálhatják az oxidációs folyamatokat. A fémdeaktivátorok kelátképző vegyületek, amelyek megkötik ezeket a fémionokat, így megakadályozzák katalitikus hatásukat. Egy tipikus fémdeaktivátor az N,N’-diszalicilidén-1,2-propándiamin.

7. Jégmentesítő adalékok (anti-icing agents)

Hideg, párás időben a benzinben oldott vagy emulgeált víz megfagyhat a karburátorban (régebbi autóknál) vagy az üzemanyagvezetékekben, dugulást okozva. A jégmentesítő adalékok csökkentik a víz fagyáspontját vagy megakadályozzák a jégkristályok összetapadását. Ilyen adalék lehet például az izopropil-alkohol vagy bizonyos glikol-éterek. Az etanol jelenléte a benzinben önmagában is jégmentesítő hatású.

8. Habzásgátlók

Tankoláskor a benzin hajlamos lehet habzásra, ami megnehezíti a tank teljes feltöltését és lassítja a folyamatot. A habzásgátló adalékok (pl. szilikonolajok kis koncentrációban) csökkentik a felületi feszültséget és megakadályozzák a stabil hab képződését.

9. Súrlódásmódosítók

Ezek az adalékok csökkentik a súrlódást a motor belső alkatrészei között, különösen a hengerfal és a dugattyúgyűrűk között. Ezáltal javíthatják a motor hatásfokát és enyhén csökkenthetik az üzemanyag-fogyasztást. Kémiailag lehetnek zsírsav-észterek, aminok vagy más felületaktív anyagok.

10. Jelölőanyagok (színezékek és markerek)

A benzineket gyakran színezik megkülönböztetés céljából (pl. különböző oktánszámú vagy típusú benzinek, adózási kategóriák). Ezek a színezékek szerves festékanyagok, amelyeket nagyon kis koncentrációban adagolnak, és nincs hatásuk a benzin égési tulajdonságaira. Markereket is használhatnak az üzemanyag eredetének vagy típusának azonosítására.

A benzin összetételének változékonysága

Fontos hangsúlyozni, hogy a benzin kémiai összetétele nem állandó, hanem számos tényezőtől függően változik.

Nyersolaj eredete: A különböző lelőhelyekről származó kőolajok eltérő arányban tartalmaznak alkánokat, nafténeket és aromás prekurzorokat, ami befolyásolja a belőlük előállított benzin kezdeti összetételét.
Finomítási eljárások: A finomítókban alkalmazott eljárások (pl. krakkolás, reformálás, izomerizáció, alkilezés) típusa és intenzitása döntően meghatározza a végtermék szénhidrogén-eloszlását. A cél a magas oktánszámú komponensek maximalizálása és a nemkívánatos összetevők minimalizálása.
Évszaki különbségek: A benzinek összetételét az évszakokhoz igazítják.
- Téli benzin: Nagyobb illékonyságú (magasabb gőznyomású), hogy hideg időben is biztosítsa a motor könnyű indítását. Ezt több illékony komponens, például butánok és pentánok hozzáadásával érik el.
- Nyári benzin: Alacsonyabb illékonyságú, hogy meleg időben csökkentsék a párolgási veszteségeket és a párolgási emissziókból származó légszennyezést (pl. szmogképződés). Kevesebb butánt tartalmaz.
Regionális és nemzeti szabályozások: Az egyes országok és régiók eltérő környezetvédelmi és minőségi előírásokat alkalmazhatnak a benzinre vonatkozóan. Ezek korlátozhatják például a benzol, az aromás vegyületek, az olefinek és a kén maximális tartalmát, valamint előírhatják oxigenátok (pl. etanol) minimális arányát. A kéntartalom csökkentése különösen fontos, mivel az égés során kén-dioxid ( $SO_2$ ) keletkezik belőle, ami savas esőkhöz és légzőszervi problémákhoz járulhat hozzá. A modern benzinek jellemzően „ultra alacsony kéntartalmúak” (ULSD – Ultra Low Sulfur Diesel analógiájára, de benzinre is vonatkozik, pl. <10 ppm kén).
Oktánszám-követelmények: A különböző motorokhoz eltérő oktánszámú benzinekre van szükség. A magasabb oktánszámú benzinek általában több izoalkánt, aromás vegyületet és/vagy oxigenátot tartalmaznak.

A benzin tehát egy gondosan megtervezett és ellenőrzött összetételű termék, amelynek kémiai felépítése kulcsfontosságú a motorok megfelelő működése, a környezetvédelem és az energiabiztonság szempontjából. A folyamatos kutatás és fejlesztés célja olyan új összetevők és adalékok felfedezése, amelyek tovább javítják a benzin tulajdonságait, miközben minimalizálják annak negatív hatásait.

(Kiemelt kép illusztráció!)

A benzin kémiai összetétele: Szénhidrogének és adalékanyagok mélyreható elemzése