Hvad er kulbrinter?
Kulbrinter er organiske kemiske forbindelser, der udelukkende består af kulstof og brint, og spænder fra enkle molekyler såsom methan til polymerer såsom polystyren, der består af tusinder af atomer. Kulstofatoms evne til at binde stærkt til hinanden giver dem mulighed for at danne en næsten ubegrænset række kæder, ringe og andre strukturer, der danner rygraden i organiske molekyler. Da hvert atom kan danne fire bindinger, inkluderer disse rygrader andre elementer, såsom brint. Forbindelserne er brandfarlige, da de to elementer, de indeholder, let kan kombineres med ilt i luften og frigiver energi. Fossile brændstoffer, såsom olie og naturgas, er naturligt forekommende blandinger af kulbrinter. kul indeholder også nogle, selvom det stort set kun er kulstof.
Struktur- og navnekonventioner
Navngivningen af kulbrinter følger visse konventioner, selvom forbindelser i mange tilfælde kan være bedre kendt under ældre navne. I det moderne system repræsenterer den første del af navnet antallet af carbonatomer i molekylet: i stigende sekvens er de første otte præfixede meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- og okt . Forbindelser, hvor kulhydraterne alle er forbundet med enkeltbindinger, kaldes samlet alkaner og har navne, der slutter på –an. Derfor er de første otte alkaner methan, ethan, propan, butan, pentan, hexan, heptan og octan.
Kulstofatomer kan også danne dobbelt- eller tredobbeltbindinger med hinanden. Molekyler, der har dobbeltbindinger, kaldes alkener, og har navne, der slutter på –ene , mens dem, der har tredobbeltbindinger, kaldes alkyner, og har navne, der slutter på -yne . Molekyler, der kun har enkeltbindinger, indeholder det maksimalt mulige antal hydrogenatomer og beskrives derfor som mættede. Hvor der er dobbelt- eller tredobbeltbindinger, er der færre steder tilgængelige for brint, så disse forbindelser beskrives som umættede.
For at give et enkelt eksempel har ethan to kulhydrater, der er forbundet med en enkelt binding, hvilket efterlader hver i stand til at binde til tre hydrogenatomer, så dens kemiske formel er C2H6, og det er en alkan. I ethen er der en carbon-carbon dobbeltbinding, så den kan kun have fire hydrogener, hvilket gør det til en alken med formlen C2H4. Ethyne har en tredobbelt binding, hvilket giver den formlen C 2 H2 og gør den til en alkyne. Denne forbindelse er bedre kendt som acetylen.
Kulstofatomer kan også danne ringe. Alkane med ringe har navne, der begynder med cyclo- . Derfor er cyclohexan en alkan med seks carbonatomer forbundet med enkeltbindinger på en sådan måde, at der dannes en ring. En ring med skiftende enkelt- og dobbeltbindinger er også mulig og er kendt som en benzenring. Kulbrinter indeholdende en benzenring er kendt som aromatisk, fordi mange af dem er behageligt lugtende.
Nogle carbonhydridmolekyler har kæder, der forgrener sig. Butan, der normalt består af en enkelt kæde, kan eksistere i en form, hvor et carbonatom er bundet til to andre og danner en gren. Disse alternative former for et molekyle er kendt som isomerer. Den forgrenede isomer af butan er kendt som isobutan.
Produktion
Den største produktion af kulbrinter er fra fossile brændstoffer: kul, olie og naturgas, der udvindes fra jorden i mængder på millioner af tons pr. Dag. Råolie er for det meste en blanding af mange forskellige alkaner og cycloalkaner med nogle aromatiske forbindelser. Disse kan adskilles fra hinanden ved olieraffinaderier ved destillation på grund af deres forskellige kogepunkter. En anden proces, der bruges, kaldes ”krakning”: katalysatorer bruges til at nedbryde nogle af de større molekyler til mindre, der er mere nyttige som brændstoffer.
Ejendomme
Generelt set, jo mere kompleks et carbonhydrid er, jo højere er smelte- og kogepunkterne. For eksempel er de enklere typer, såsom methan, ethan og propan, med henholdsvis en, to og tre kulhydrater gasser. Mange former er væsker: eksempler er hexan og oktan. Faste former inkluderer paraffinvoks - en blanding af molekyler med mellem 20 og fyrre carbonatomer - og forskellige polymerer, der består af kæder med tusinder af atomer, såsom polyethylen.
De mest bemærkelsesværdige kemiske egenskaber ved carbonhydrider er deres antændelighed og deres evne til at danne polymerer. De, der er gasser eller væsker, reagerer med ilt i luften, producerer kuldioxid (CO 2 ) og vand og frigiver energi i form af lys og varme. Noget energi skal tilføres for at starte reaktionen, men når den først er startet, er den selvbærende: disse forbindelser vil brænde, som illustreret ved at tænde en gaskomfur med en tændstik eller gnist. Faste former brænder også, men mindre let. I nogle tilfælde vil ikke alt kulstof danne CO 2 ; sod og røg kan produceres af nogle typer, når de brænder i luft, og i en utilstrækkelig tilførsel af ilt kan ethvert carbonhydrid producere den giftige, lugtfri gas, kulilte (CO).
Anvendelser
Antændeligheden af carbonhydrider gør dem meget nyttige som brændstoffer, og de er den primære energikilde til nutidens civilisation. På verdensplan genereres mest elektricitet ved forbrænding af disse forbindelser, og de bruges til at drive praktisk talt alle mobile maskiner: biler, lastbiler, tog, fly og skibe. De bruges også til fremstilling af mange andre kemikalier og materialer. De fleste plastmaterialer er for eksempel carbonhydridpolymerer. Andre anvendelser inkluderer opløsningsmidler, smøremidler og drivmidler til aerosoldåser.
Problemer med fossile brændstoffer
Kulbrinter har været en meget succesrig brændstofkilde i de sidste 200 år eller deromkring, men der er stigende opfordringer til at nedbringe brugen af dem. Deres forbrænding producerer røg og sod, hvilket medfører alvorlige forureningsproblemer i nogle områder. Det producerer også store mængder CO 2 . Der er bred enighed blandt forskere om, at stigende niveauer af denne gas i atmosfæren hjælper med at fange varme, hæve de globale temperaturer og ændre Jordens klima.
Derudover vil fossile brændstoffer ikke vare evigt. Ved at brænde brændstof i den nuværende hastighed kan olie løbe ud på mindre end et århundrede og kul i flere århundreder. Alt dette har ført til opfordringer til at udvikle vedvarende energikilder såsom sol- og vindkraft og opførelse af flere atomkraftværker, der producerer nul CO 2 -emissioner. I 2007 blev Nobels fredspris tildelt den tidligere amerikanske vicepræsident Al Gore og FNs regeringskontrolpanel for klimaændringer for deres arbejde med at bekræfte og sprede budskabet om, at forbrænding af kulbrinter i vid udstrækning er ansvarlig for den globale opvarmning.