炭化水素とは？
炭化水素は、完全に炭素と水素で構成される有機化合物であり、メタンなどの単純な分子から、数千個の原子で構成されるポリスチレンなどのポリマーまでさまざまです。 炭素原子が互いに強く結合する能力により、ほぼ無制限のさまざまな鎖、環、および有機分子の骨格を形成する他の構造を形成することができます。 各原子は4つの結合を形成できるため、これらの骨格には水素などの他の元素が含まれます。 化合物は可燃性です。これは、含まれる2つの元素が空気中の酸素と容易に結合してエネルギーを放出するためです。 石油や天然ガスなどの化石燃料は、天然に存在する炭化水素の混合物です。 石炭にもいくらか含まれていますが、ほとんどが炭素です。
構造と命名規則
炭化水素の命名は特定の規則に従いますが、多くの場合、化合物は古い名前でよりよく知られています。 現代のシステムでは、名前の最初の部分は分子内の炭素原子の数を表します：昇順で、最初の8つはmeth-、eth-、prop-、but-、pent-、hex-、hept-およびoct- 。 炭素がすべて単結合で結合している化合物は、まとめてアルカンと呼ばれ、名前は-aneで終わります。 したがって、最初の8つのアルカンは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、およびオクタンです。
炭素原子は、互いに二重結合または三重結合を形成することもあります。 二重結合を持つ分子はアルケンと呼ばれ、 -eneで終わる名前があり 、三重結合を持つ分子はアルキンと呼ばれ、 -yneで終わる名前があります。 単結合しかない分子には、可能な限り最大数の水素原子が含まれているため、飽和していると表現されます。 二重結合または三重結合がある場合、水素が利用できる場所が少ないため、これらの化合物は不飽和と呼ばれます。
簡単な例を挙げると、エタンには2つの炭素が単結合で結合されており、それぞれが3つの水素原子に結合できるため、その化学式はC 2 H 6であり、アルカンです。 エテンには炭素-炭素二重結合があるため、4つの水素しか持てず、式C 2 H 4のアルケンになります。 エチンには三重結合があり、式C 2 H 2を与え、アルキンにします。 この化合物は、アセチレンとして知られています。
炭素原子は環を形成することもできます。 環のあるアルカンの名前はcyclo-で始まります。 したがって、シクロヘキサンは、環を形成するように単結合で結合された6つの炭素原子を持つアルカンです。 単結合と二重結合が交互になった環も可能であり、ベンゼン環として知られています。 ベンゼン環を含む炭化水素は、その多くが心地よい香りがするため、芳香族として知られています。
一部の炭化水素分子には、分岐する鎖があります。 ブタンは通常1本の鎖で構成されていますが、1つの炭素原子が2つの他の炭素原子と結合して分岐を形成する形で存在します。 分子のこれらの代替形態は異性体として知られています。 ブタンの分岐異性体はイソブタンとして知られています。
製造
炭化水素のほとんどの生産は、化石燃料からのものです。石炭、石油、天然ガスは、1日あたり数百万トンの量で地面から抽出されます。 原油は、主に多くの異なるアルカンとシクロアルカンといくつかの芳香族化合物の混合物です。 これらは、沸点が異なるため、石油精製所で蒸留により互いに分離できます。 使用される別のプロセスは「クラッキング」として知られています。触媒を使用して、大きな分子の一部を燃料としてより有用な小さな分子に分解します。
物性
一般的に、炭化水素が複雑になるほど、その融点と沸点は高くなります。 たとえば、メタン、エタン、プロパンなど、それぞれ炭素数が1、2、3の単純なタイプはガスです。 多くの形態は液体です。例はヘキサンとオクタンです。 固体の形態には、パラフィンワックス（20〜40の炭素原子を持つ分子の混合物）と、ポリエチレンなどの数千の原子の鎖からなるさまざまなポリマーが含まれます。
炭化水素の最も注目すべき化学的特性は、その可燃性とポリマーを形成する能力です。 気体または液体であるものは、空気中の酸素と反応し、二酸化炭素（CO 2 ）と水を生成し、光と熱の形でエネルギーを放出します。 反応を開始するにはいくらかのエネルギーを供給する必要がありますが、開始すると、それは自立します。これらの化合物は、ガスコンロをマッチまたは火花で照らすことによって示されるように燃焼します。 ソリッドフォームも燃えますが、それほど簡単ではありません。 場合によっては、すべての炭素がCO 2を形成するとは限りません。 すすと煙は、ある種の空気で燃えたときに生成され、酸素の供給が不十分な場合、炭化水素は有毒で無臭のガスである一酸化炭素（CO）を生成します。
用途
炭化水素は可燃性であるため、燃料として非常に有用であり、今日の文明の主要なエネルギー源です。 世界中で、ほとんどの電気はこれらの化合物の燃焼によって生成され、それらは車、トラック、列車、飛行機、船などの実質的にすべてのモバイルマシンの推進に使用されます。 また、他の多くの化学物質や材料の製造にも使用されています。 たとえば、ほとんどのプラスチックは炭化水素ポリマーです。 他の用途には、溶剤、潤滑剤、エアゾール缶用の噴射剤が含まれます。
化石燃料の問題
炭化水素は過去200年ほどにわたって非常に成功した燃料源でしたが、その使用を縮小するよう求める声が高まっています。 それらの燃焼は煙とすすを生成し、いくつかの地域で深刻な汚染問題を引き起こします。 また、大量のCO 2を生成します。 科学者の間では、大気中のこのガスのレベルを上げることで、熱を閉じ込め、地球の温度を上げ、地球の気候を変化させるのに役立つという広範な合意があります。
さらに、化石燃料は永遠に続くことはありません。 現在の割合で燃料を燃やすと、石油は1世紀未満で、石炭は数世紀で枯渇する可能性があります。 このすべてが、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源の開発を呼びかけ、CO 2排出量をゼロにする原子力発電所の建設を促進しました。 2007年、ノーベル平和賞は、炭化水素の燃焼が地球温暖化の主な原因であるというメッセージを確認し広めた功績が認められ、アルゴア前米国副大統領と気候変動に関する国連政府間パネルに授与されました。