¿Qué son los hidrocarburos?
Los hidrocarburos son compuestos químicos orgánicos que consisten completamente en carbono e hidrógeno, y van desde moléculas simples como el metano, hasta polímeros como el poliestireno, que consta de miles de átomos. La capacidad de los átomos de carbono para unirse fuertemente entre sí les permite formar una variedad casi ilimitada de cadenas, anillos y otras estructuras que forman la columna vertebral de las moléculas orgánicas. Dado que cada átomo puede formar cuatro enlaces, estas cadenas principales incluyen otros elementos, como el hidrógeno. Los compuestos son inflamables, ya que los dos elementos que contienen se combinarán fácilmente con oxígeno en el aire, liberando energía. Los combustibles fósiles, como el petróleo y el gas natural, son mezclas naturales de hidrocarburos; El carbón también contiene algo, aunque es principalmente carbono.
Estructura y convenciones de nomenclatura
El nombramiento de hidrocarburos sigue ciertas convenciones, aunque en muchos casos, los compuestos pueden conocerse mejor con nombres más antiguos. En el sistema moderno, la primera parte del nombre representa el número de átomos de carbono en la molécula: en secuencia ascendente, los primeros ocho tienen el prefijo meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- y oct- . Los compuestos donde todos los carbonos están unidos por enlaces simples se conocen colectivamente como alcanos , y tienen nombres que terminan en –ane. Por lo tanto, los primeros ocho alcanos son metano, etano, propano, butano, pentano, hexano, heptano y octano.
Los átomos de carbono también pueden formar enlaces dobles o triples entre sí. Las moléculas que tienen enlaces dobles se conocen como alquenos, y tienen nombres que terminan en –ene , mientras que las que tienen enlaces triples se llaman alquinos y tienen nombres que terminan en -yne . Las moléculas que tienen solo enlaces simples contienen el número máximo posible de átomos de hidrógeno y, por lo tanto, se describen como saturadas. Cuando hay enlaces dobles o triples, hay menos lugares disponibles para el hidrógeno, por lo que estos compuestos se describen como insaturados.
Para dar un ejemplo simple, el etano tiene dos carbonos unidos por un solo enlace, dejando que cada uno pueda unirse a tres átomos de hidrógeno, por lo que su fórmula química es C 2 H 6 y es un alcano. En el eteno hay un doble enlace carbono-carbono, por lo que solo puede tener cuatro hidrógenos, lo que lo convierte en un alqueno con la fórmula C 2 H 4 . Ethyne tiene un triple enlace, lo que le da la fórmula C 2 H 2 y lo convierte en un alquino. Este compuesto es mejor conocido como acetileno.
Los átomos de carbono también pueden formar anillos. Los alcanos con anillos tienen nombres que comienzan con ciclo- . Por lo tanto, el ciclohexano es un alcano con seis átomos de carbono unidos por enlaces simples de tal manera que formen un anillo. También es posible un anillo con enlaces simples y dobles alternos, y se conoce como anillo de benceno. Los hidrocarburos que contienen un anillo de benceno se conocen como aromáticos, porque muchos de ellos tienen un olor agradable.
Algunas moléculas de hidrocarburos tienen cadenas que se ramifican. El butano, que normalmente consiste en una sola cadena, puede existir en una forma en la que un átomo de carbono está unido a otros dos, formando una rama. Estas formas alternativas de una molécula se conocen como isómeros. El isómero ramificado del butano se conoce como isobutano.
Producción
La mayor parte de la producción de hidrocarburos proviene de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural, que se extraen del suelo en cantidades de millones de toneladas por día. El petróleo crudo es principalmente una mezcla de muchos alcanos y cicloalcanos diferentes, con algunos compuestos aromáticos. Estos se pueden separar entre sí en las refinerías de petróleo por destilación, debido a sus diferentes puntos de ebullición. Otro proceso que se utiliza se conoce como "craqueo": los catalizadores se emplean para romper algunas de las moléculas más grandes en moléculas más pequeñas que son más útiles como combustibles.
Propiedades
En términos generales, cuanto más complejo es un hidrocarburo, mayores son sus puntos de fusión y ebullición. Por ejemplo, los tipos más simples, como metano, etano y propano, con uno, dos y tres carbonos, respectivamente, son gases. Muchas formas son líquidos: ejemplos son hexano y octano. Las formas sólidas incluyen cera de parafina, una mezcla de moléculas con entre 20 y cuarenta átomos de carbono, y varios polímeros que consisten en cadenas de miles de átomos, como el polietileno.
Las propiedades químicas más notables de los hidrocarburos son su inflamabilidad y su capacidad para formar polímeros. Aquellos que son gases o líquidos reaccionarán con el oxígeno en el aire, produciendo dióxido de carbono (CO 2 ) y agua, y liberando energía en forma de luz y calor. Se debe suministrar algo de energía para comenzar la reacción, pero una vez iniciada, es autosuficiente: estos compuestos se quemarán, como se ilustra al encender una placa de gas con una cerilla o chispa. Las formas sólidas también se quemarán, pero con menos facilidad. En algunos casos, no todo el carbono formará CO 2 ; Algunos tipos de hollín y humo pueden producirse cuando se queman en el aire, y en un suministro insuficiente de oxígeno, cualquier hidrocarburo puede producir el gas tóxico e inodoro, monóxido de carbono (CO).
Usos
La inflamabilidad de los hidrocarburos los hace muy útiles como combustibles, y son la fuente de energía primaria para la civilización actual. En todo el mundo, la mayor parte de la electricidad se genera al quemar estos compuestos, y se utilizan para impulsar prácticamente todas las máquinas móviles: automóviles, camiones, trenes, aviones y barcos. También se utilizan en la fabricación de muchos otros productos químicos y materiales. La mayoría de los plásticos, por ejemplo, son polímeros de hidrocarburos. Otros usos incluyen solventes, lubricantes y propulsores para latas de aerosol.
Problemas con los combustibles fósiles
Los hidrocarburos han sido una fuente de combustible muy exitosa en los últimos doscientos años más o menos, pero hay cada vez más llamadas para reducir su uso. Su combustión produce humo y hollín, causando serios problemas de contaminación en algunas áreas. También produce grandes cantidades de CO 2 . Existe un acuerdo generalizado entre los científicos de que los niveles crecientes de este gas en la atmósfera están ayudando a atrapar el calor, elevando las temperaturas globales y cambiando el clima de la Tierra.
Además, los combustibles fósiles no durarán para siempre. Al quemar combustible al ritmo actual, el petróleo podría agotarse en menos de un siglo y el carbón en varios siglos. Todo esto ha llevado a llamados a desarrollar fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica, y la construcción de más plantas de energía nuclear, que producen cero emisiones de CO 2 . En 2007, el Premio Nobel de la Paz fue otorgado al ex vicepresidente de los Estados Unidos, Al Gore, y al Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de la ONU por su trabajo en confirmar y difundir el mensaje de que la combustión de hidrocarburos es en gran parte responsable del calentamiento global.