Was sind Kohlenwasserstoffe?
Kohlenwasserstoffe sind organische chemische Verbindungen, die vollständig aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und von einfachen Molekülen wie Methan bis zu Polymeren wie Polystyrol reichen, das aus Tausenden von Atomen besteht. Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich stark aneinander zu binden, ermöglicht es ihnen, eine nahezu unbegrenzte Vielfalt von Ketten, Ringen und anderen Strukturen zu bilden, die das Rückgrat organischer Moleküle bilden. Da jedes Atom vier Bindungen bilden kann, enthalten diese Grundgerüste andere Elemente wie Wasserstoff. Die Verbindungen sind entzündlich, da sich die beiden enthaltenen Elemente leicht mit Luftsauerstoff verbinden und dabei Energie freisetzen. Fossile Brennstoffe wie Erdöl und Erdgas sind natürlich vorkommende Gemische von Kohlenwasserstoffen. Kohle enthält auch einige, obwohl es meist nur Kohlenstoff ist.
Struktur- und Namenskonventionen
Die Benennung von Kohlenwasserstoffen folgt bestimmten Konventionen, obwohl in vielen Fällen Verbindungen unter älteren Namen besser bekannt sein können. Im modernen System steht der erste Teil des Namens für die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül: In aufsteigender Reihenfolge werden den ersten acht Meth-, Eth-, Prop-, But-, Pent-, Hex-, Hept- und Okt- . Verbindungen, bei denen die Kohlenstoffe alle durch Einfachbindungen verbunden sind, werden als Alkane bezeichnet und haben Namen, die mit –ane enden. Daher sind die ersten acht Alkane Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und Octan.
Kohlenstoffatome können auch Doppel- oder Dreifachbindungen miteinander eingehen. Moleküle mit Doppelbindungen werden als Alkene bezeichnet und haben Namen, die auf -en enden , während Moleküle mit Dreifachbindungen als Alkine bezeichnet werden und Namen haben, die auf -in enden . Moleküle, die nur Einfachbindungen aufweisen, enthalten die maximal mögliche Anzahl von Wasserstoffatomen und werden daher als gesättigt bezeichnet. Bei Doppel- oder Dreifachbindungen stehen weniger Plätze für Wasserstoff zur Verfügung, so dass diese Verbindungen als ungesättigt bezeichnet werden.
Um ein einfaches Beispiel zu nennen: Ethan hat zwei Kohlenstoffatome, die durch eine Einfachbindung verbunden sind, so dass sich jedes an drei Wasserstoffatome binden kann. Daher lautet seine chemische Formel C 2 H 6 und es ist ein Alkan. In Ethen gibt es eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, so dass es nur vier Wasserstoffatome haben kann, was es zu einem Alken mit der Formel C 2 H 4 macht . Ethin hat eine Dreifachbindung, die die Formel C 2 H 2 ergibt und es zu einem Alkin macht. Diese Verbindung ist besser als Acetylen bekannt.
Die Kohlenstoffatome können auch Ringe bilden. Alkane mit Ringen haben Namen, die mit cyclo- beginnen . Cyclohexan ist daher ein Alkan mit sechs Kohlenstoffatomen, die durch Einfachbindungen so verbunden sind, dass sie einen Ring bilden. Möglich ist auch ein Ring mit alternierenden Einfach- und Doppelbindungen, der als Benzolring bezeichnet wird. Kohlenwasserstoffe, die einen Benzolring enthalten, werden als aromatisch bezeichnet, da viele von ihnen angenehm riechen.
Einige Kohlenwasserstoffmoleküle haben verzweigte Ketten. Butan, das normalerweise aus einer einzigen Kette besteht, kann in einer Form vorliegen, in der ein Kohlenstoffatom an zwei andere gebunden ist und eine Verzweigung bildet. Diese alternativen Formen eines Moleküls sind als Isomere bekannt. Das verzweigte Isomer von Butan ist als Isobutan bekannt.
Produktion
Die meisten Kohlenwasserstoffe werden aus fossilen Brennstoffen gewonnen: Kohle, Öl und Erdgas, die in Mengen von mehreren Millionen Tonnen pro Tag aus dem Boden gewonnen werden. Rohöl ist meist eine Mischung aus vielen verschiedenen Alkanen und Cycloalkanen mit einigen aromatischen Verbindungen. Diese können in Erdölraffinerien aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte destillativ voneinander getrennt werden. Ein anderes Verfahren, das angewendet wird, ist als "Cracken" bekannt: Katalysatoren werden eingesetzt, um einige der größeren Moleküle in kleinere zu zerlegen, die als Brennstoffe nützlicher sind.
Eigenschaften
Je komplexer ein Kohlenwasserstoff ist, desto höher sind im Allgemeinen seine Schmelz- und Siedepunkte. Beispielsweise sind die einfacheren Typen wie Methan, Ethan und Propan mit einem, zwei bzw. drei Kohlenstoffatomen Gase. Viele Formen sind Flüssigkeiten: Beispiele sind Hexan und Oktan. Zu den festen Formen gehören Paraffinwachs - eine Mischung aus Molekülen mit 20 bis 40 Kohlenstoffatomen - und verschiedene Polymere, die aus Ketten mit Tausenden von Atomen bestehen, wie beispielsweise Polyethylen.
Die bemerkenswertesten chemischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen sind ihre Entflammbarkeit und ihre Fähigkeit, Polymere zu bilden. Gase oder Flüssigkeiten reagieren mit Luftsauerstoff, bilden Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser und setzen Energie in Form von Licht und Wärme frei. Es muss etwas Energie zugeführt werden, um die Reaktion zu starten, aber sobald sie gestartet ist, ist sie selbsttragend: Diese Verbindungen verbrennen, wie durch Anzünden eines Gaskochfelds mit einem Zündholz oder einem Funken dargestellt. Feste Formen brennen auch, aber weniger leicht. In einigen Fällen bildet nicht der gesamte Kohlenstoff CO 2 . Ruß und Rauch können von einigen Arten erzeugt werden, wenn sie an der Luft verbrennen, und bei unzureichender Sauerstoffversorgung kann jeder Kohlenwasserstoff das giftige, geruchlose Gas Kohlenmonoxid (CO) erzeugen.
Verwendet
Die Entflammbarkeit von Kohlenwasserstoffen macht sie als Brennstoffe sehr nützlich und sie sind die primäre Energiequelle für die heutige Zivilisation. Weltweit wird der größte Teil der Elektrizität durch Verbrennung dieser Verbindungen erzeugt. Mit ihnen werden praktisch alle mobilen Maschinen angetrieben: Autos, Lastwagen, Züge, Flugzeuge und Schiffe. Sie werden auch bei der Herstellung vieler anderer Chemikalien und Materialien verwendet. Die meisten Kunststoffe sind beispielsweise Kohlenwasserstoffpolymere. Andere Verwendungen umfassen Lösungsmittel, Schmiermittel und Treibmittel für Aerosoldosen.
Probleme mit fossilen Brennstoffen
Kohlenwasserstoffe waren in den letzten zweihundert Jahren eine sehr erfolgreiche Brennstoffquelle, aber es gibt immer mehr Forderungen, ihre Verwendung zu reduzieren. Ihre Verbrennung erzeugt Rauch und Ruß und verursacht in einigen Gebieten ernsthafte Umweltverschmutzungsprobleme. Es entstehen auch große Mengen an CO 2 . Die Wissenschaftler sind sich weitgehend einig, dass ein zunehmender Gehalt dieses Gases in der Atmosphäre dazu beiträgt, Wärme einzufangen, die globalen Temperaturen zu erhöhen und das Erdklima zu verändern.
Darüber hinaus werden fossile Brennstoffe nicht ewig halten. Öl könnte in weniger als einem Jahrhundert verbraucht werden und Kohle in mehreren Jahrhunderten. All dies hat dazu geführt, dass die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie sowie der Bau weiterer Kernkraftwerke gefordert wurden, die keine CO 2 -Emissionen verursachen. Der Friedensnobelpreis wurde 2007 an den ehemaligen Vizepräsidenten der USA, Al Gore, und das Zwischenstaatliche Gremium der Vereinten Nationen für Klimaänderungen verliehen, die die Botschaft bekräftigten und verbreiteten, dass die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in hohem Maße für die globale Erwärmung verantwortlich ist.