Chemie des katalytischen Crackens
Im Gegensatz zum thermischen Cracken, das durch freie Radikale gesteuert wird, erfolgt das katalytische Cracken durch die Bildung von ionischen Spezies auf Katalysatoroberflächen und erzeugt kürzere, aber verzweigtkettige (nicht geradkettige) Alkane durch Cracken der langen geradkettigen Alkane. Die Bildung von verzweigtkettigen Alkanen oder Iso-Alkanen führt zur Herstellung von Benzin mit hohen Oktanzahlen. Dies ist der Hauptgrund, warum das katalytische Cracken das thermische Cracken als zentralen Prozess in einer Raffinerie zur Maximierung der Benzinproduktion abgelöst hat. Eine hohe Oktanzahl des Benzins ist erforderlich, damit die derzeitigen Ottomotoren bei hohen Verdichtungsverhältnissen ohne Klopfen laufen können. Hohe Verdichtungsverhältnisse in Ottomotoren bedeuten hohe Leistung und hohen Wirkungsgrad.
Abbildung 7.1 stellt die beiden Arten von ionischen Spezies, Carbokationen, vor, die in katalytischen Crackreaktionen als Carbenium- und Carbonium-Ionen aktiv sind, unter Verwendung der IUPAC-Terminologie. Carbokationen sind positiv geladene Ionen, die aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Abbildung 7.1 zeigt, dass bei der Entfernung eines Hydrid-Ions (H-, ein Wasserstoffatom mit einem zusätzlichen Elektron) aus einem Alkan (z. B. Methan) Carbenium-Ionen entstehen (Weg 1a). Auch die Zugabe eines Protons (H+, ein Wasserstoffatom ohne Elektron) zu einem Olefin (z.B. Ethylen) kann Carbenium-Ionen erzeugen, wie in Weg 1b gezeigt.
Bildung von Carbokationen
IUPAC-Terminologie
-Carbenium-Ionen: CH4 (Pfeil) H- + CH3+ (Alkan – Hydridion)
-C2H4 + H+ (Pfeil) C2H5+. (Olefin + Proton)
-Carbonium-Ionen: CH4 + H+ (Pfeil) CH4
KEY: H- (Hydrid-Ion), H+ (Proton)
Analog zur Terminologie der freien Radikale wird C+H3 als Methylcarbenium-Ion und C2+H5 als Ethylcarbenium-Ion bezeichnet. Carbonium-Ionen werden durch Hinzufügen eines Protons zu einem Alkan, z. B. Methan, wie in Abbildung 7.1 dargestellt, erzeugt. Das resultierende Ion C+H5 wird als Methanium bezeichnet. Man beachte, dass es in der Literatur einige Verwirrung über die Benennung der Carbokationen gibt. Carbenium-Ionen wurden in einigen Quellen, auch in Ihrem Lehrbuch, als Carbonium-Ionen bezeichnet. Alle Verweise auf Carbonium-Ionen in Abschnitt 6.3 Spaltreaktionen im Lehrbuch sollten als Carbenium-Ionen korrigiert werden.