Cosa sono gli idrocarburi?

Gli idrocarburi sono composti chimici organici costituiti interamente da carbonio e idrogeno e vanno da molecole semplici come il metano, a polimeri come il polistirolo, che è costituito da migliaia di atomi. La capacità degli atomi di carbonio di legarsi fortemente tra loro consente loro di formare una varietà quasi illimitata di catene, anelli e altre strutture che formano le basi di molecole organiche. Poiché ogni atomo può formare quattro legami, queste ossa posteriori includono altri elementi, come l'idrogeno. I composti sono infiammabili, poiché i due elementi in essi contenuti si combinano facilmente con l'ossigeno presente nell'aria, rilasciando energia. I combustibili fossili, come petrolio e gas naturale, sono miscele naturali di idrocarburi; anche il carbone ne contiene, sebbene sia principalmente solo carbonio.

Convenzioni di struttura e denominazione

La denominazione degli idrocarburi segue alcune convenzioni, sebbene in molti casi i composti possano essere meglio conosciuti con nomi più vecchi. Nel sistema moderno, la prima parte del nome rappresenta il numero di atomi di carbonio nella molecola: in sequenza crescente, i primi otto sono prefissati meth, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- e ott- . I composti in cui i carboni sono tutti uniti da singoli legami sono noti collettivamente come alcani e hanno nomi che terminano in -ane. Pertanto, i primi otto alcani sono metano, etano, propano, butano, pentano, esano, eptano e ottano.

Gli atomi di carbonio possono anche formare legami doppi o tripli tra loro. Le molecole che hanno doppi legami sono note come alcheni e hanno nomi che terminano in –ene , mentre quelle che hanno legami tripli sono chiamate alchini e hanno nomi che terminano in -yne . Le molecole che hanno solo legami singoli contengono il numero massimo possibile di atomi di idrogeno e sono quindi descritte come sature. Dove ci sono doppi o tripli legami, ci sono meno posti disponibili per l'idrogeno, quindi questi composti sono descritti come insaturi.

Per fare un semplice esempio, l'etano ha due carboni uniti da un singolo legame, lasciando ciascuno in grado di legarsi a tre atomi di idrogeno, quindi la sua formula chimica è C ₂ H ₆ ed è un alcano. Nell'etene c'è un doppio legame carbonio-carbonio, quindi può avere solo quattro idrogeni, rendendolo un alchene con la formula C ₂ H ₄ . Ethyne ha un triplo legame, dandogli la formula C ₂ H ₂ e rendendolo un alkyne. Questo composto è meglio noto come acetilene.

Gli atomi di carbonio possono anche formare anelli. Gli alcani con anelli hanno nomi che iniziano con ciclo- . Pertanto, il cicloesano è un alcano con sei atomi di carbonio uniti da singoli legami in modo da formare un anello. È anche possibile un anello con alternanza di legami singoli e doppi, noto come anello benzenico. Gli idrocarburi contenenti un anello benzenico sono noti come aromatici, poiché molti di loro hanno un odore gradevole.

Alcune molecole di idrocarburi hanno catene che si ramificano. Il butano, che normalmente è costituito da una singola catena, può esistere in una forma in cui un atomo di carbonio è legato ad altri due, formando un ramo. Queste forme alternative di una molecola sono conosciute come isomeri. L'isomero ramificato di butano è noto come isobutano.

Produzione

La maggior parte della produzione di idrocarburi proviene da combustibili fossili: carbone, petrolio e gas naturale, che vengono estratti dal terreno in quantità di milioni di tonnellate al giorno. Il petrolio greggio è principalmente una miscela di molti diversi alcani e cicloalcani, con alcuni composti aromatici. Questi possono essere separati l'uno dall'altro nelle raffinerie di petrolio per distillazione, a causa dei loro diversi punti di ebollizione. Un altro processo che viene utilizzato è noto come "cracking": i catalizzatori vengono impiegati per spezzare alcune delle molecole più grandi in molecole più piccole che sono più utili come combustibili.

Proprietà

In generale, più un idrocarburo è complesso, maggiori sono i suoi punti di fusione e di ebollizione. Ad esempio, i tipi più semplici, come metano, etano e propano, rispettivamente con uno, due e tre carboni, sono gas. Molte forme sono liquidi: esempi sono esano e ottano. Le forme solide includono cera paraffinica - una miscela di molecole con tra 20 e quaranta atomi di carbonio - e vari polimeri costituiti da catene di migliaia di atomi, come il polietilene.

Le proprietà chimiche più notevoli degli idrocarburi sono la loro infiammabilità e la loro capacità di formare polimeri. Quelli che sono gas o liquidi reagiranno con l'ossigeno presente nell'aria, producendo anidride carbonica (CO ₂ ) e acqua e rilasciando energia sotto forma di luce e calore. Un po 'di energia deve essere fornita per avviare la reazione, ma una volta avviata è autosufficiente: questi composti bruceranno, come illustrato dall'accensione di un piano cottura a gas con un fiammifero o una scintilla. Anche le forme solide bruceranno, ma meno facilmente. In alcuni casi, non tutto il carbonio formerà CO ₂ ; la fuliggine e il fumo possono essere prodotti da alcuni tipi quando bruciano in aria e, in mancanza di un apporto sufficiente di ossigeno, qualsiasi idrocarburo può produrre gas tossico, inodore, monossido di carbonio (CO).

usi

L'infiammabilità degli idrocarburi li rende molto utili come combustibili e sono la principale fonte di energia per la civiltà di oggi. In tutto il mondo, la maggior parte dell'elettricità è generata dalla combustione di questi composti e vengono utilizzati per spingere praticamente ogni macchina mobile: automobili, camion, treni, aerei e navi. Sono anche utilizzati nella produzione di molti altri prodotti chimici e materiali. La maggior parte delle materie plastiche, ad esempio, sono polimeri di idrocarburi. Altri usi includono solventi, lubrificanti e propellenti per bombolette spray.

Problemi con i combustibili fossili

Gli idrocarburi sono stati una fonte di combustibile di grande successo negli ultimi duecento anni circa, ma ci sono sempre più richieste per ridimensionare il loro uso. La loro combustione produce fumo e fuliggine, causando gravi problemi di inquinamento in alcune aree. Produce anche grandi quantità di CO ₂ . Vi è un ampio consenso tra gli scienziati sul fatto che livelli crescenti di questo gas nell'atmosfera stanno contribuendo a intrappolare il calore, aumentando le temperature globali e cambiando il clima terrestre.

Inoltre, i combustibili fossili non dureranno per sempre. Bruciando carburante al ritmo attuale, il petrolio potrebbe esaurirsi in meno di un secolo e il carbone in diversi secoli. Tutto ciò ha portato a inviti a sviluppare fonti di energia rinnovabile come l'energia solare ed eolica e la costruzione di più centrali nucleari, che producono zero emissioni di CO ₂ . Nel 2007, il premio Nobel per la pace è stato assegnato all'ex vicepresidente degli Stati Uniti Al Gore e al gruppo intergovernativo delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici per il loro lavoro di conferma e diffusione del messaggio secondo cui la combustione di idrocarburi è ampiamente responsabile del riscaldamento globale.