Que sont les hydrocarbures?
Les hydrocarbures sont des composés chimiques organiques composés entièrement de carbone et d'hydrogène et vont de simples molécules telles que le méthane à des polymères tels que le polystyrène, composé de milliers d'atomes. La capacité des atomes de carbone à se lier fortement les uns aux autres leur permet de former une variété presque illimitée de chaînes, de cycles et d’autres structures qui forment l’ossature des molécules organiques. Puisque chaque atome peut former quatre liaisons, ces squelettes incluent d’autres éléments, tels que l’hydrogène. Les composés sont inflammables, car les deux éléments qu’ils contiennent se combinent facilement avec l’oxygène de l’air, libérant ainsi de l’énergie. Les combustibles fossiles, tels que le pétrole et le gaz naturel, sont des mélanges naturels d'hydrocarbures; le charbon en contient aussi, bien qu’il s’agisse principalement de carbone.
Conventions de structure et de nommage
La dénomination des hydrocarbures obéit à certaines conventions, même si dans de nombreux cas, les composés peuvent être mieux connus sous des noms plus anciens. Dans le système moderne, la première partie du nom représente le nombre d'atomes de carbone dans la molécule: les huit premiers sont, par ordre croissant, préfixés par les groupes méth, éth, prop, mais, pent, hex, hept. et oct- . Les composés dont les atomes de carbone sont tous reliés par des liaisons simples sont connus collectivement sous le nom d' alcanes et portent des noms se terminant par –ane. Par conséquent, les huit premiers alcanes sont le méthane, l’éthane, le propane, le butane, le pentane, l’hexane, l’heptane et l’octane.
Les atomes de carbone peuvent également former des liaisons doubles ou triples. Les molécules qui ont des doubles liaisons sont appelées alcènes et portent des noms se terminant par –ene , tandis que celles qui possèdent des liaisons triples sont appelées alcynes et portent des noms se terminant par -yne . Les molécules ne comportant que des liaisons simples contiennent le plus grand nombre possible d'atomes d'hydrogène et sont donc qualifiées de saturées. Là où il y a des doubles ou des triples liaisons, il y a moins de places disponibles pour l'hydrogène, donc ces composés sont décrits comme insaturés.
Pour donner un exemple simple, l’éthane a deux atomes de carbone reliés par une simple liaison, chacun pouvant ainsi se lier à trois atomes d’hydrogène; sa formule chimique est donc C 2 H 6 et c’est un alcane. Dans l'éthène, il existe une double liaison carbone-carbone, de sorte qu'il ne peut contenir que quatre atomes d'hydrogène, ce qui en fait un alcène de formule C 2 H 4 . Ethyne possède une triple liaison lui donnant la formule C 2 H 2 et en faisant un alcyne. Ce composé est mieux connu sous le nom d'acétylène.
Les atomes de carbone peuvent également former des cycles. Les alcanes avec des anneaux ont des noms commençant par cyclo- . Par conséquent, le cyclohexane est un alcane à six atomes de carbone reliés par des liaisons simples de manière à former un cycle. Un cycle alternant des liaisons simples et doubles est également possible et est appelé cycle benzène. Les hydrocarbures contenant un cycle benzénique sont connus comme étant aromatiques, car nombre d'entre eux ont une odeur agréable.
Certaines molécules d'hydrocarbures ont des chaînes qui se ramifient. Le butane, qui consiste normalement en une seule chaîne, peut exister sous une forme dans laquelle un atome de carbone est lié à deux autres, formant une branche. Ces formes alternatives d'une molécule sont appelées isomères. L'isomère ramifié du butane est appelé isobutane.
Production
La majeure partie de la production d'hydrocarbures provient de combustibles fossiles: charbon, pétrole et gaz naturel, extraits du sol en quantités de millions de tonnes par jour. Le pétrole brut est principalement un mélange de nombreux alcanes et cycloalcanes différents, avec certains composés aromatiques. Ceux-ci peuvent être séparés les uns des autres dans les raffineries de pétrole par distillation, en raison de leurs points d'ébullition différents. Un autre procédé utilisé est connu sous le nom de «craquage»: des catalyseurs sont utilisés pour casser certaines des molécules les plus grosses en molécules plus petites qui sont plus utiles en tant que carburants.
Propriétés
En règle générale, plus un hydrocarbure est complexe, plus ses points de fusion et d'ébullition sont élevés. Par exemple, les types les plus simples, tels que méthane, éthane et propane, avec respectivement un, deux et trois atomes de carbone, sont des gaz. De nombreuses formes sont liquides, par exemple l'hexane et l'octane. Les formes solides comprennent la cire de paraffine - un mélange de molécules contenant entre 20 et 40 atomes de carbone - et divers polymères constitués de chaînes de plusieurs milliers d'atomes, tels que le polyéthylène.
Les propriétés chimiques les plus remarquables des hydrocarbures sont leur inflammabilité et leur aptitude à former des polymères. Ceux qui sont des gaz ou des liquides vont réagir avec l'oxygène de l'air, produisant du dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l'eau, et libérant de l'énergie sous forme de lumière et de chaleur. Une certaine énergie doit être fournie pour démarrer la réaction, mais une fois démarrée, elle est autonome: ces composés vont brûler, comme illustré par l'allumage d'une table de cuisson à gaz avec une allumette ou une étincelle. Les formes solides vont aussi brûler, mais moins facilement. Dans certains cas, tout le carbone ne formera pas de CO 2 ; Certains types produisent de la suie et de la fumée quand ils brûlent dans l'air et, en cas d'apport insuffisant en oxygène, tout hydrocarbure peut produire le gaz toxique, inodore, le monoxyde de carbone (CO).
Les usages
L'inflammabilité des hydrocarbures les rend très utiles comme combustibles et ils constituent la principale source d'énergie pour la civilisation d'aujourd'hui. À l’échelle mondiale, la majeure partie de l’électricité est générée par la combustion de ces composés, qui sont utilisés pour propulser pratiquement toutes les machines mobiles: voitures, camions, trains, avions et navires. Ils sont également utilisés dans la fabrication de nombreux autres produits chimiques et matériaux. La plupart des plastiques, par exemple, sont des polymères d'hydrocarbures. Les autres utilisations comprennent les solvants, les lubrifiants et les agents propulseurs pour les aérosols.
Problèmes avec les combustibles fossiles
Les hydrocarbures ont été une source de carburant très efficace au cours des deux cents dernières années environ, mais de plus en plus d’appels sont appelés à réduire leur utilisation. Leur combustion produit de la fumée et de la suie, causant de graves problèmes de pollution dans certaines zones. Il produit également de grandes quantités de CO 2 . Les scientifiques s'entendent pour dire que la concentration croissante de ce gaz dans l'atmosphère contribue à piéger la chaleur, à augmenter les températures et à modifier le climat de la Terre.
De plus, les combustibles fossiles ne dureront pas éternellement. En brûlant du carburant au rythme actuel, le pétrole pourrait s’épuiser dans moins d’un siècle et le charbon dans plusieurs siècles. Tout cela a conduit à des appels au développement de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne et à la construction de plus de centrales nucléaires, qui ne produisent aucune émission de CO 2 . En 2007, le prix Nobel de la paix a été attribué à l'ancien vice-président américain Al Gore et au Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat des Nations Unies pour leur travail visant à confirmer et à diffuser le message selon lequel la combustion des hydrocarbures est largement responsable du réchauffement de la planète.