Hidrocarburile sunt compuși chimici organici care constau în întregime din carbon și hidrogen și variază de la molecule simple, cum ar fi metanul, până la polimeri precum polistirenul, care constă din mii de atomi. Capacitatea atomilor de carbon de a se lega puternic între ei le permite să formeze o varietate aproape nelimitată de lanțuri, inele și alte structuri care formează coloana vertebrală a moleculelor organice. Deoarece fiecare atom poate forma patru legături, aceste schele vertebrale includ alte elemente, cum ar fi hidrogenul. Compușii sunt inflamabili, deoarece cele două elemente pe care le conțin se vor combina ușor cu oxigenul din aer, eliberând energie. Combustibilii fosili, cum ar fi petrolul și gazele naturale, sunt amestecuri naturale de hidrocarburi; cărbunele conține și o parte, deși în mare parte este doar carbon.
Convenții de structură și denumire
Denumirea hidrocarburilor urmează anumite convenții, deși în multe cazuri, compușii pot fi mai cunoscuți sub denumiri mai vechi. În sistemul modern, prima parte a numelui reprezintă numărul de atomi de carbon din moleculă: în secvență crescătoare, primii opt sunt prefixate meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- si oct-. Compușii în care carbonii sunt uniți toți prin legături simple sunt cunoscuți în mod colectiv ca alcani și au nume care se termină în –ane. Prin urmare, primii opt alcani sunt metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan și octan.
Atomii de carbon pot forma, de asemenea, legături duble sau triple între ei. Moleculele care au legături duble sunt cunoscute sub numele de alchene și au nume care se termină în –ene, în timp ce cele care au legături triple se numesc alchine și au nume care se termină în -yne. Moleculele care au doar legături simple conțin numărul maxim posibil de atomi de hidrogen și, prin urmare, sunt descrise ca saturate. Acolo unde există legături duble sau triple, există mai puține locuri disponibile pentru hidrogen, astfel încât acești compuși sunt descriși ca nesaturați.
Pentru a da un exemplu simplu, etanul are doi atomi de carbon uniți printr-o singură legătură, lăsând fiecare capabil să se lege de trei atomi de hidrogen, deci formula sa chimică este C2H6 și este un alcan. În etenă există o legătură dublă carbon-carbon, deci poate avea doar patru hidrogeni, făcându-l o alchenă cu formula C2H4. Etina are o legătură triplă, dându-i formula C2H2 și făcând-o o alchină. Acest compus este mai bine cunoscut sub numele de acetilenă.
Atomii de carbon pot forma și inele. Alcanii cu inele au nume care încep cu ciclo-. Prin urmare, ciclohexanul este un alcan cu șase atomi de carbon uniți prin legături simple în așa fel încât să formeze un inel. Un inel cu legături simple și duble alternative este, de asemenea, posibil și este cunoscut sub numele de inel benzenic. Hidrocarburile care conțin un inel benzenic sunt cunoscute ca aromatice, deoarece multe dintre ele au un miros plăcut.
Unele molecule de hidrocarburi au lanțuri care se ramifică. Butanul, care constă în mod normal dintr-o singură catenă, poate exista într-o formă în care un atom de carbon este legat de alți doi, formând o ramură. Aceste forme alternative ale unei molecule sunt cunoscute ca izomeri. Izomerul ramificat al butanului este cunoscut sub numele de izobutan.
producere
Cea mai mare parte a producției de hidrocarburi este din combustibili fosili: cărbune, petrol și gaze naturale, care sunt extrase din sol în cantități de milioane de tone pe zi. Țițeiul este în mare parte un amestec de mulți alcani și cicloalcani diferiți, cu unii compuși aromatici. Acestea pot fi separate unele de altele la rafinăriile de petrol prin distilare, datorită punctelor de fierbere diferite. Un alt proces care este utilizat este cunoscut sub numele de „cracare”: catalizatorii sunt folosiți pentru a sparge unele dintre moleculele mai mari în altele mai mici, care sunt mai utile ca combustibili.
Proprietăţi
În general, cu cât o hidrocarbură este mai complexă, cu atât punctele de topire și de fierbere ale acesteia sunt mai mari. De exemplu, tipurile mai simple, cum ar fi metanul, etanul și propanul, cu unul, doi și, respectiv, trei atomi de carbon, sunt gaze. Multe forme sunt lichide: exemplele sunt hexanul și octanul. Formele solide includ ceara de parafină – un amestec de molecule cu între 20 și patruzeci de atomi de carbon – și diferiți polimeri constând din lanțuri de mii de atomi, cum ar fi polietilena.
Cele mai notabile proprietăți chimice ale hidrocarburilor sunt inflamabilitatea lor și capacitatea lor de a forma polimeri. Cele care sunt gaze sau lichide vor reacționa cu oxigenul din aer, producând dioxid de carbon (CO2) și apă și eliberând energie sub formă de lumină și căldură. Trebuie furnizată puțină energie pentru a începe reacția, dar odată începută, aceasta se autosusține: acești compuși vor arde, așa cum se ilustrează prin aprinderea unei plite pe gaz cu un chibrit sau o scânteie. Formele solide vor arde și ele, dar mai puțin ușor. În unele cazuri, nu tot carbonul va forma CO2; funinginea și fumul pot fi produse de unele tipuri atunci când ard în aer, iar într-un aport insuficient de oxigen, orice hidrocarbură poate produce gazul toxic, inodor, monoxid de carbon (CO).
Utilizeaza
Inflamabilitatea hidrocarburilor le face foarte utile ca combustibili și sunt sursa primară de energie pentru civilizația actuală. La nivel mondial, cea mai mare parte a energiei electrice este generată de arderea acestor compuși și sunt folosite pentru a propulsa practic orice mașină mobilă: mașini, camioane, trenuri, avioane și nave. Ele sunt, de asemenea, utilizate la fabricarea multor alte substanțe chimice și materiale. Majoritatea materialelor plastice, de exemplu, sunt polimeri de hidrocarburi. Alte utilizări includ solvenți, lubrifianți și propulsori pentru cutiile de aerosoli.
Probleme cu combustibilii fosili
Hidrocarburile au fost o sursă de combustibil de mare succes în ultimii două sute de ani, dar există tot mai multe solicitări pentru reducerea utilizării lor. Arderea lor produce fum și funingine, cauzând probleme serioase de poluare în unele zone. De asemenea, produce cantități mari de CO2. Există un acord larg în rândul oamenilor de știință că nivelurile crescânde ale acestui gaz în atmosferă ajută la captarea căldurii, la creșterea temperaturii globale și la schimbarea climei Pământului.
În plus, combustibilii fosili nu vor dura pentru totdeauna. Arzând combustibil în ritmul actual, petrolul s-ar putea epuiza în mai puțin de un secol, iar cărbunele în câteva secole. Toate acestea au condus la apeluri pentru dezvoltarea surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară și eoliană, și la construirea mai multor centrale nucleare, care produc zero emisii de CO2. În 2007, Premiul Nobel pentru Pace a fost acordat fostului vicepreședinte american Al Gore și Grupului Interguvernamental al ONU pentru Schimbările Climatice pentru munca lor de confirmare și răspândire a mesajului că arderea hidrocarburilor este în mare măsură responsabilă de încălzirea globală.