Οι υδρογονάνθρακες είναι οργανικές χημικές ενώσεις που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άνθρακα και υδρογόνο και κυμαίνονται από απλά μόρια όπως το μεθάνιο έως πολυμερή όπως το πολυστυρόλιο, το οποίο αποτελείται από χιλιάδες άτομα. Η ικανότητα των ατόμων άνθρακα να συνδέονται ισχυρά μεταξύ τους τους επιτρέπει να σχηματίζουν μια σχεδόν απεριόριστη ποικιλία αλυσίδων, δακτυλίων και άλλων δομών που σχηματίζουν τη ραχοκοκαλιά των οργανικών μορίων. Δεδομένου ότι κάθε άτομο μπορεί να σχηματίσει τέσσερις δεσμούς, αυτές οι ραχοκοκαλιές περιλαμβάνουν άλλα στοιχεία, όπως το υδρογόνο. Οι ενώσεις είναι εύφλεκτες, αφού τα δύο στοιχεία που περιέχουν θα συνδυαστούν εύκολα με το οξυγόνο του αέρα, απελευθερώνοντας ενέργεια. Τα ορυκτά καύσιμα, όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, είναι φυσικά μείγματα υδρογονανθράκων. Ο άνθρακας περιέχει επίσης μερικά, αν και είναι ως επί το πλείστον απλώς άνθρακας.
Συμβάσεις δομής και ονομασίας
Η ονομασία των υδρογονανθράκων ακολουθεί ορισμένες συμβάσεις, αν και σε πολλές περιπτώσεις, οι ενώσεις μπορεί να είναι πιο γνωστές με παλαιότερες ονομασίες. Στο σύγχρονο σύστημα, το πρώτο μέρος του ονόματος αντιπροσωπεύει τον αριθμό των ατόμων άνθρακα στο μόριο: σε αύξουσα ακολουθία, τα πρώτα οκτώ έχουν πρόθεμα meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- και οκτ-. Οι ενώσεις όπου όλοι οι άνθρακες ενώνονται με απλούς δεσμούς είναι γνωστές συλλογικά ως αλκάνια και έχουν ονόματα που τελειώνουν σε –ane. Επομένως, τα πρώτα οκτώ αλκάνια είναι μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, πεντάνιο, εξάνιο, επτάνιο και οκτάνιο.
Τα άτομα άνθρακα μπορούν επίσης να σχηματίσουν διπλούς ή τριπλούς δεσμούς μεταξύ τους. Τα μόρια που έχουν διπλούς δεσμούς είναι γνωστά ως αλκένια και έχουν ονόματα που τελειώνουν σε –ene, ενώ εκείνα που έχουν τριπλούς δεσμούς ονομάζονται αλκύνια και έχουν ονόματα που τελειώνουν σε –ene. Τα μόρια που έχουν μόνο απλούς δεσμούς περιέχουν τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων υδρογόνου και επομένως περιγράφονται ως κορεσμένα. Όπου υπάρχουν διπλοί ή τριπλοί δεσμοί, υπάρχουν λιγότερες διαθέσιμες θέσεις για το υδρογόνο, επομένως αυτές οι ενώσεις περιγράφονται ως ακόρεστες.
Για να δώσουμε ένα απλό παράδειγμα, το αιθάνιο έχει δύο άνθρακες που ενώνονται με έναν μόνο δεσμό, αφήνοντας τον καθένα ικανό να συνδεθεί με τρία άτομα υδρογόνου, επομένως ο χημικός του τύπος είναι C2H6 και είναι αλκάνιο. Στο αιθένιο υπάρχει διπλός δεσμός άνθρακα-άνθρακα, επομένως μπορεί να έχει μόνο τέσσερα υδρογόνα, καθιστώντας το αλκένιο με τύπο C2H4. Το αιθύλιο έχει έναν τριπλό δεσμό, που του δίνει τον τύπο C2H2 και το κάνει αλκύνιο. Αυτή η ένωση είναι περισσότερο γνωστή ως ακετυλένιο.
Τα άτομα άνθρακα μπορούν επίσης να σχηματίσουν δακτυλίους. Τα αλκάνια με δακτυλίους έχουν ονόματα που ξεκινούν από κυκλο-. Επομένως, το κυκλοεξάνιο είναι ένα αλκάνιο με έξι άτομα άνθρακα ενωμένα με απλούς δεσμούς με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν έναν δακτύλιο. Ένας δακτύλιος με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς είναι επίσης δυνατός και είναι γνωστός ως δακτύλιος βενζολίου. Οι υδρογονάνθρακες που περιέχουν δακτύλιο βενζολίου είναι γνωστοί ως αρωματικοί, επειδή πολλοί από αυτούς έχουν ευχάριστη οσμή.
Ορισμένα μόρια υδρογονανθράκων έχουν αλυσίδες που διακλαδίζονται. Το βουτάνιο, το οποίο συνήθως αποτελείται από μία μόνο αλυσίδα, μπορεί να υπάρχει σε μια μορφή όπου ένα άτομο άνθρακα συνδέεται με δύο άλλα, σχηματίζοντας έναν κλάδο. Αυτές οι εναλλακτικές μορφές ενός μορίου είναι γνωστές ως ισομερή. Το διακλαδισμένο ισομερές του βουτανίου είναι γνωστό ως ισοβουτάνιο.
παραγωγή
Το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής υδρογονανθράκων προέρχεται από ορυκτά καύσιμα: άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο, τα οποία εξάγονται από το έδαφος σε ποσότητες εκατομμυρίων τόνων την ημέρα. Το αργό πετρέλαιο είναι ως επί το πλείστον μείγμα πολλών διαφορετικών αλκανίων και κυκλοαλκανίων, με ορισμένες αρωματικές ενώσεις. Αυτά μπορούν να διαχωριστούν το ένα από το άλλο στα διυλιστήρια πετρελαίου με απόσταξη, λόγω των διαφορετικών σημείων βρασμού τους. Μια άλλη διαδικασία που χρησιμοποιείται είναι γνωστή ως «σπάσιμο»: καταλύτες χρησιμοποιούνται για να σπάσουν μερικά από τα μεγαλύτερα μόρια σε μικρότερα που είναι πιο χρήσιμα ως καύσιμα.
Ιδιοκτησίες
Σε γενικές γραμμές, όσο πιο πολύπλοκος είναι ένας υδρογονάνθρακας, τόσο υψηλότερα είναι τα σημεία τήξης και βρασμού του. Για παράδειγμα, οι απλούστεροι τύποι, όπως το μεθάνιο, το αιθάνιο και το προπάνιο, με έναν, δύο και τρεις άνθρακες, αντίστοιχα, είναι αέρια. Πολλές μορφές είναι υγρές: παραδείγματα είναι το εξάνιο και το οκτάνιο. Οι στερεές μορφές περιλαμβάνουν κερί παραφίνης — ένα μείγμα μορίων με μεταξύ 20 και σαράντα άτομα άνθρακα — και διάφορα πολυμερή που αποτελούνται από αλυσίδες χιλιάδων ατόμων, όπως το πολυαιθυλένιο.
Οι πιο αξιοσημείωτες χημικές ιδιότητες των υδρογονανθράκων είναι η ευφλεκτότητά τους και η ικανότητά τους να σχηματίζουν πολυμερή. Αυτά που είναι αέρια ή υγρά θα αντιδράσουν με το οξυγόνο στον αέρα, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό και απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή φωτός και θερμότητας. Πρέπει να παρέχεται κάποια ενέργεια για να ξεκινήσει η αντίδραση, αλλά μόλις ξεκινήσει, είναι αυτοσυντηρούμενη: αυτές οι ενώσεις θα καούν, όπως φαίνεται από το άναμμα μιας εστίας αερίου με σπίρτο ή σπινθήρα. Οι συμπαγείς μορφές θα καούν επίσης, αλλά λιγότερο εύκολα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, δεν θα σχηματιστεί όλος ο άνθρακας CO2. Η αιθάλη και ο καπνός μπορούν να παραχθούν από ορισμένους τύπους όταν καίγονται στον αέρα και σε ανεπαρκή παροχή οξυγόνου, οποιοσδήποτε υδρογονάνθρακας μπορεί να παράγει το τοξικό, άοσμο αέριο, μονοξείδιο του άνθρακα (CO).
μπορείτε να χρησιμοποιήσετε
Η ευφλεκτότητα των υδρογονανθράκων τους καθιστά πολύ χρήσιμους ως καύσιμα και αποτελούν την κύρια πηγή ενέργειας για τον σημερινό πολιτισμό. Παγκοσμίως, το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από την καύση αυτών των ενώσεων και χρησιμοποιούνται για την προώθηση σχεδόν κάθε κινητής μηχανής: αυτοκίνητα, φορτηγά, τρένα, αεροπλάνα και πλοία. Χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή πολλών άλλων χημικών και υλικών. Τα περισσότερα πλαστικά, για παράδειγμα, είναι πολυμερή υδρογονανθράκων. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν διαλύτες, λιπαντικά και προωθητικά για δοχεία αεροζόλ.
Προβλήματα με τα ορυκτά καύσιμα
Οι υδρογονάνθρακες ήταν μια πολύ επιτυχημένη πηγή καυσίμου τα τελευταία διακόσια περίπου χρόνια, αλλά υπάρχουν αυξανόμενες εκκλήσεις για μείωση της χρήσης τους. Η καύση τους παράγει καπνό και αιθάλη, προκαλώντας σοβαρά προβλήματα ρύπανσης σε ορισμένες περιοχές. Παράγει επίσης μεγάλες ποσότητες CO2. Υπάρχει ευρεία συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων ότι τα αυξανόμενα επίπεδα αυτού του αερίου στην ατμόσφαιρα συμβάλλουν στην παγίδευση θερμότητας, αυξάνοντας τις παγκόσμιες θερμοκρασίες και αλλάζουν το κλίμα της Γης.
Επιπλέον, τα ορυκτά καύσιμα δεν θα διαρκέσουν για πάντα. Η καύση καυσίμου με τον σημερινό ρυθμό, το πετρέλαιο θα εξαντληθεί σε λιγότερο από έναν αιώνα και ο άνθρακας σε αρκετούς αιώνες. Όλα αυτά οδήγησαν σε εκκλήσεις για ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, και η κατασκευή περισσότερων πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας, που παράγουν μηδενικές εκπομπές CO2. Το 2007, το Νόμπελ Ειρήνης απονεμήθηκε στον πρώην Αντιπρόεδρο των ΗΠΑ Αλ Γκορ και τη Διακυβερνητική Επιτροπή του ΟΗΕ για την Κλιματική Αλλαγή για το έργο τους στην επιβεβαίωση και τη διάδοση του μηνύματος ότι η καύση υδρογονανθράκων ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για την υπερθέρμανση του πλανήτη.