탄화수소 란?
탄화수소는 전적으로 탄소와 수소로 이루어지고 메탄과 같은 단순한 분자에서부터 수천 개의 원자로 구성된 폴리스티렌과 같은 중합체에 이르기까지 다양한 유기 화학 화합물입니다. 탄소 원자가 서로 강하게 결합하는 능력은 유기 분자의 골격을 형성하는 거의 무제한의 다양한 사슬, 고리 및 기타 구조를 형성 할 수있게한다. 각각의 원자는 4 개의 결합을 형성 할 수 있기 때문에, 이들 골격은 수소와 같은 다른 원소를 포함한다. 화합물은 함유 된 두 원소가 공기 중의 산소와 쉽게 결합하여 에너지를 방출하기 때문에 가연성입니다. 석유 및 천연 가스와 같은 화석 연료는 탄화수소의 자연 발생 혼합물입니다. 석탄은 또한 대부분 탄소이지만 일부를 포함합니다.
구조 및 명명 규칙
많은 경우에 화합물은 이전 명칭으로 더 잘 알려질 수 있지만 탄화수소의 명명은 특정 규칙을 따릅니다. 현대 시스템에서 이름의 첫 번째 부분은 분자의 탄소 원자 수를 나타냅니다. 오름차순으로 첫 번째 8 개는 접두사 meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- 그리고 oct- . 탄소가 모두 단일 결합에 의해 결합 된 화합물을 통칭하여 알칸이라고 하며, 이름은 –ane으로 끝납니다. 따라서 처음 8 개의 알칸은 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄 및 옥탄이다.
탄소 원자는 또한 서로 이중 또는 삼중 결합을 형성 할 수있다. 이중 결합을 갖는 분자는 알켄으로 알려져 있으며 이름은 –ene로 끝나는 반면, 삼중 결합을 갖는 분자 는 알킨으로 불리며 -yne으로 끝나는 이름을 갖습니다. 단일 결합만을 갖는 분자는 가능한 최대 수의 수소 원자를 함유하므로 포화 된 것으로 기술된다. 이중 또는 삼중 결합이있는 경우 수소에 이용할 수있는 곳이 더 적으므로 이들 화합물은 불포화 된 것으로 설명됩니다.
간단한 예를 들어, 에탄은 단일 결합으로 연결된 두 개의 탄소를 가지며, 각각은 세 개의 수소 원자에 결합 할 수 있으므로 화학식은 C 2 H 6 이고 알칸입니다. 에틸렌에는 탄소-탄소 이중 결합이 있으므로 수소는 4 개만 가질 수 있으므로 화학식 C 2 H 4 의 알켄이됩니다. 에틴은 삼중 결합을 가져서 화학식 C 2 H 2 를 제공하고이를 알킨으로 만든다. 이 화합물은 아세틸렌으로 더 잘 알려져 있습니다.
탄소 원자는 또한 고리를 형성 할 수있다. 고리가있는 알칸은 이름이 cyclo-로 시작합니다. 따라서, 시클로 헥산은 고리를 형성하는 방식으로 단일 결합에 의해 결합 된 6 개의 탄소 원자를 갖는 알칸이다. 단일 및 이중 결합이 교대로있는 고리도 가능하며 벤젠 고리로 알려져 있습니다. 벤젠 고리를 함유 한 탄화수소는 방향족으로 알려져 있는데, 그중 다수가 기분 좋은 냄새이기 때문입니다.
일부 탄화수소 분자는 분지 쇄를 가지고 있습니다. 일반적으로 단일 사슬로 구성된 부탄은 하나의 탄소 원자가 다른 두 원자에 결합하여 가지를 형성하는 형태로 존재할 수 있습니다. 분자의 이러한 대안적인 형태는 이성질체로 알려져 있습니다. 부탄의 분지 된 이성질체는 이소 부탄으로 알려져있다.
생산
대부분의 탄화수소 생산은 화석 연료 (석탄, 석유 및 천연 가스)에서 이루어지며 하루에 수백만 톤의 양으로 땅에서 추출됩니다. 원유는 주로 여러 가지 다른 알칸과 시클로 알칸의 혼합물이며 일부 방향족 화합물입니다. 이들은 상이한 비점 때문에 증류에 의해 정유 공장에서 서로 분리 될 수있다. 사용되는 또 다른 공정은 "크래킹 (cracking)"으로 알려져있다 : 촉매는 더 큰 분자 중 일부를 연료로 더 유용한 작은 분자로 분해하기 위해 사용된다.
속성
일반적으로, 탄화수소가 복잡할수록 융점 및 비점이 높아진다. 예를 들어, 각각 1, 2 및 3 개의 탄소를 갖는 메탄, 에탄 및 프로판과 같은 더 단순한 유형은 가스이다. 많은 형태가 액체입니다. 예는 헥산과 옥탄입니다. 고체 형태는 파라핀 왁스 (20 내지 40 개의 탄소 원자를 갖는 분자의 혼합물) 및 폴리에틸렌과 같은 수천 개의 원자 사슬로 구성된 다양한 중합체를 포함한다.
탄화수소의 가장 주목할만한 화학적 특성은 가연성 및 중합체 형성 능력이다. 가스 또는 액체는 공기 중의 산소와 반응하여 이산화탄소 (CO 2 )와 물을 생성하며 빛과 열의 형태로 에너지를 방출합니다. 반응을 시작하기 위해 일부 에너지가 공급되어야하지만 일단 시작되면 자체 유지됩니다. 이러한 화합물은 성냥이나 불꽃으로 가스 호브를 비추는 것처럼 연소됩니다. 단단한 형태도 타지 만 쉽게 덜어집니다. 어떤 경우에는 모든 탄소가 CO 2 를 형성하지는 않습니다. 그을음과 연기는 공기 중에 태울 때 일부 유형에 의해 생성 될 수 있으며, 불충분 한 산소 공급에서 모든 탄화수소는 유독성의 무취 가스 인 일산화탄소 (CO)를 생성 할 수 있습니다.
용도
탄화수소의 가연성은 연료로 매우 유용하며 오늘날 문명의 주요 에너지 원입니다. 전 세계적으로 대부분의 전기는 이러한 화합물의 연소에 의해 생성되며 자동차, 트럭, 기차, 비행기 및 선박과 같은 거의 모든 모바일 기계를 추진하는 데 사용됩니다. 그들은 또한 많은 다른 화학 물질 및 재료의 제조에 사용됩니다. 예를 들어, 대부분의 플라스틱은 탄화수소 폴리머입니다. 다른 용도로는 에어로졸 캔용 용제, 윤활제 및 추진 제가 있습니다.
화석 연료 문제
탄화수소는 지난 200여 년 동안 매우 성공적인 연료 공급원 이었지만 사용을 축소하려는 요구가 증가하고 있습니다. 연소시 연기와 그을음이 발생하여 일부 지역에서 심각한 오염 문제가 발생합니다. 또한 다량의 CO 2를 생성합니다. 과학자들은 대기 중이 가스의 수준이 높아지면 열을 가두어 지구 온도를 높이고 지구 기후를 변화시키는 데 일조한다는 의견이 널리 퍼져 있습니다.
또한 화석 연료는 영원히 지속되지 않습니다. 현재 속도로 연료를 태우면 1 세기 이내에 석유가 고갈되고 몇 세기 안에 석탄이 떨어질 수 있습니다. 이 모든 것이 태양 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지 원을 개발하고 더 많은 CO2 배출량을 생산하는 더 많은 원자력 발전소 건설을 요구했습니다. 2007 년 노벨 평화상은 전 미국 부통령 알 고어와 유엔 기후 변화 정부 간 패널에게 탄화수소 연소가 지구 온난화에 큰 영향을 미친다는 메시지를 확인하고 퍼뜨리는 작업에 수여되었습니다.