Co jsou uhlovodíky?

Uhlovodíky jsou organické chemické sloučeniny, které se skládají výhradně z uhlíku a vodíku a sahají od jednoduchých molekul, jako je metan, po polymery, jako je polystyren, který se skládá z tisíců atomů. Schopnost atomů uhlíku se k sobě navzájem silně vážit umožňuje jim vytvořit téměř neomezenou škálu řetězců, kruhů a dalších struktur, které tvoří páteř organických molekul. Protože každý atom může tvořit čtyři vazby, tyto páteře obsahují další prvky, jako je vodík. Sloučeniny jsou hořlavé, protože dva prvky, které obsahují, se snadno kombinují s kyslíkem ve vzduchu a uvolňují energii. Fosilní paliva, jako je ropa a zemní plyn, jsou přirozeně se vyskytující směsi uhlovodíků; uhlí také obsahuje některé, ačkoli to je většinou jen uhlík.

Konvence o strukturování a pojmenování

Pojmenování uhlovodíků se řídí určitými konvencemi, i když v mnoha případech mohou být sloučeniny lépe známy pod staršími jmény. V moderním systému první část názvu představuje počet atomů uhlíku v molekule: ve vzestupné sekvenci je prvních osm předponovaných meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- a okt . Sloučeniny, ve kterých jsou všechny atomy uhlíku spojeny jednoduchými vazbami, se souhrnně nazývají alkány a jejich jména končí v –ane. Prvních osm alkanů je proto metan, ethan, propan, butan, pentan, hexan, heptan a oktan.

Atomy uhlíku mohou také vytvářet dvojné nebo trojné vazby spolu. Molekuly, které mají dvojné vazby, jsou známé jako alkeny a mají jména končící na –ene , zatímco molekuly, které mají trojné vazby, se nazývají alkyny a mají jména končící na -yne . Molekuly, které mají pouze jednoduché vazby, obsahují maximální možný počet atomů vodíku, a proto se popisují jako nasycené. Tam, kde jsou dvojné nebo trojné vazby, je pro vodík k dispozici méně míst, takže tyto sloučeniny jsou popisovány jako nenasycené.

Abych uvedl jednoduchý příklad, etan má dva atomy uhlíku spojené jednoduchou vazbou, přičemž každý z nich je schopen vázat se na tři atomy vodíku, takže jeho chemický vzorec je C2H6 a je to alkan. V etenu existuje dvojná vazba uhlík-uhlík, takže může mít pouze čtyři vodíky, což z něj činí alken vzorce H2H4. Ethyne má trojnou vazbu, což mu dává vzorec C2H2 a dělá z něj alkiny. Tato sloučenina je lépe známá jako acetylen.

Atomy uhlíku mohou také tvořit kruhy. Alkány s kruhy mají jména začínající cyklo- . Cyklohexan je proto alkan se šesti atomy uhlíku spojenými jednoduchými vazbami tak, že tvoří kruh. Je také možný kruh se střídavými jednoduchými a dvojnými vazbami a je známý jako benzenový kruh. Uhlovodíky obsahující benzenový kruh jsou známé jako aromatické, protože mnohé z nich jsou příjemně vonící.

Některé uhlovodíkové molekuly mají řetězce, které se rozvětvují. Butan, který obvykle sestává z jednoho řetězce, může existovat ve formě, ve které je jeden atom uhlíku vázán ke dvěma dalším a tvoří větev. Tyto alternativní formy molekuly jsou známé jako izomery. Rozvětvený izomer butanu je známý jako isobutan.

Výroba

Nejvíce produkce uhlovodíků pochází z fosilních paliv: uhlí, ropy a zemního plynu, které se těží ze země v množství milionů tun denně. Surový olej je většinou směsí mnoha různých alkanů a cykloalkanů s některými aromatickými sloučeninami. Tyto lze od sebe navzájem oddělit v ropných rafinériích destilací, protože mají různé teploty varu. Jiný používaný proces je známý jako „krakování“: katalyzátory se používají k rozdělení některých větších molekul na menší, které jsou užitečnější jako paliva.

Vlastnosti

Obecně řečeno, čím složitější je uhlovodík, tím vyšší je jeho teplota tání a teplota varu. Například jednodušší typy, jako je metan, ethan a propan, s jedním, dvěma a třemi atomy uhlíku, jsou plyny. Mnoho forem jsou kapaliny: příklady jsou hexan a oktan. Pevné formy zahrnují parafinový vosk - směs molekul s 20 až 40 atomy uhlíku - a různé polymery sestávající z řetězců tisíců atomů, jako je polyethylen.

Nejvýznamnější chemické vlastnosti uhlovodíků jsou jejich hořlavost a schopnost tvořit polymery. Ty, které jsou plyny nebo kapaliny, reagují s kyslíkem ve vzduchu, vytvářejí oxid uhličitý (CO ₂ ) a vodu a uvolňují energii ve formě světla a tepla. K zahájení reakce musí být dodána určitá energie, ale jakmile je to zahájeno, je to samonosné: tyto sloučeniny budou hořet, jak ukazuje osvětlení plynového sporáku zápalkou nebo jiskrou. Pevné formy budou také hořet, ale méně snadno. V některých případech nebude veškerý uhlík tvořit CO ₂ ; Saze a kouř mohou být produkovány některými typy, když hoří na vzduchu, a při nedostatečném přívodu kyslíku může jakýkoli uhlovodík produkovat toxický plyn bez zápachu, oxid uhelnatý (CO).

Použití

Hořlavost uhlovodíků je činí velmi užitečnými jako paliva a jsou primárním zdrojem energie pro dnešní civilizaci. Celosvětově je většina elektřiny vyráběna spalováním těchto sloučenin a používají se k pohonu prakticky všech mobilních strojů: automobilů, nákladních vozidel, vlaků, letadel a lodí. Používají se také při výrobě mnoha dalších chemikálií a materiálů. Většina plastů je například uhlovodíkových polymerů. Jiná použití zahrnují rozpouštědla, mazadla a hnací prostředky pro aerosolové plechovky.

Problémy s fosilními palivy

Uhlovodíky byly v posledních dvou stech letech velmi úspěšným zdrojem paliva, ale stále častěji se žádá o omezení jejich používání. Jejich spalování vytváří kouř a saze, což v některých oblastech způsobuje vážné problémy se znečištěním. Produkuje také velké množství CO ₂ . Mezi vědci panuje široká shoda v tom, že zvyšující se hladiny tohoto plynu v atmosféře pomáhají zachytávat teplo, zvyšují globální teploty a mění zemské klima.

Kromě toho fosilní paliva nebudou trvat věčně. Spalování paliva při současném tempu by mohlo docházet k vyčerpání ropy za méně než jedno století a uhlí za několik století. To vše vedlo k výzvám k rozvoji obnovitelných zdrojů energie, jako je sluneční a větrná energie, ak výstavbě více jaderných elektráren, které produkují nulové emise CO ₂ . V roce 2007 byla Nobelova cena za mír udělena bývalému viceprezidentovi USA Al Gorovi a Mezivládnímu panelu OSN pro změnu klimatu za jejich práci při potvrzování a šíření sdělení, že spalování uhlovodíků je z velké části odpovědné za globální oteplování.