Wat zijn koolwaterstoffen?

Koolwaterstoffen zijn organische chemische verbindingen die volledig uit koolstof en waterstof bestaan ​​en variëren van eenvoudige moleculen zoals methaan tot polymeren zoals polystyreen, dat uit duizenden atomen bestaat. Door het vermogen van koolstofatomen om sterk aan elkaar te binden, kunnen ze een bijna onbeperkte verscheidenheid aan ketens, ringen en andere structuren vormen die de ruggengraat vormen van organische moleculen. Omdat elk atoom vier bindingen kan vormen, bevatten deze backbones andere elementen, zoals waterstof. De verbindingen zijn ontvlambaar, omdat de twee elementen die ze bevatten gemakkelijk kunnen worden gecombineerd met zuurstof in de lucht, waardoor energie vrijkomt. Fossiele brandstoffen, zoals olie en aardgas, zijn natuurlijk voorkomende mengsels van koolwaterstoffen; steenkool bevat ook enkele, hoewel het meestal alleen koolstof is.

Structuur- en naamgevingsconventies

De naamgeving van koolwaterstoffen volgt bepaalde conventies, hoewel verbindingen in veel gevallen beter bekend kunnen zijn onder oudere namen. In het moderne systeem vertegenwoordigt het eerste deel van de naam het aantal koolstofatomen in het molecuul: in oplopende volgorde worden de eerste acht voorafgegaan door meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- en oct- . Verbindingen waarin de koolstofatomen allemaal worden verbonden door afzonderlijke bindingen worden gezamenlijk alkanen genoemd en hebben namen die eindigen op –aan. Daarom zijn de eerste acht alkanen methaan, ethaan, propaan, butaan, pentaan, hexaan, heptaan en octaan.

Koolstofatomen kunnen ook dubbele of driedubbele bindingen met elkaar vormen. Moleculen met dubbele bindingen staan ​​bekend als alkenen en hebben namen die eindigen op –ene , terwijl die met drievoudige bindingen alkynen worden genoemd en namen hebben die eindigen op -yne . Moleculen die alleen enkele bindingen hebben, bevatten het maximaal mogelijke aantal waterstofatomen en worden daarom beschreven als verzadigd. Wanneer er dubbele of drievoudige bindingen zijn, zijn er minder plaatsen beschikbaar voor waterstof, dus deze verbindingen worden beschreven als onverzadigd.

Om een ​​eenvoudig voorbeeld te geven, ethaan heeft twee koolstofatomen verbonden door een enkele binding, waardoor elk kan binden aan drie waterstofatomen, dus de chemische formule is C2H6 en het is een alkaan. In etheen is er een dubbele koolstof-koolstofbinding, dus het kan maar vier waterstofatomen hebben, waardoor het een alkeen is met de formule C2H4. Ethyn heeft een drievoudige binding, waardoor het de formule C ₂ H ₂ krijgt en er een alkyn van wordt. Deze verbinding is beter bekend als acetyleen.

De koolstofatomen kunnen ook ringen vormen. Alkanen met ringen hebben namen die beginnen met cyclo- . Daarom is cyclohexaan een alkaan met zes koolstofatomen verbonden door enkele bindingen op een zodanige manier dat een ring wordt gevormd. Een ring met afwisselende enkele en dubbele bindingen is ook mogelijk, en staat bekend als een benzeenring. Koolwaterstoffen die een benzeenring bevatten, staan ​​bekend als aromatisch, omdat veel van hen aangenaam ruiken.

Sommige koolwaterstofmoleculen hebben ketens die vertakken. Butaan, dat normaal uit een enkele keten bestaat, kan bestaan ​​in een vorm waarbij één koolstofatoom is gebonden aan twee andere, waardoor een vertakking wordt gevormd. Deze alternatieve vormen van een molecuul staan ​​bekend als isomeren. Het vertakte isomeer van butaan staat bekend als isobutaan.

Productie

De meeste productie van koolwaterstoffen is afkomstig van fossiele brandstoffen: steenkool, olie en aardgas, die in hoeveelheden van miljoenen tonnen per dag uit de grond worden gewonnen. Ruwe olie is meestal een mengsel van veel verschillende alkanen en cycloalkanen, met enkele aromatische verbindingen. Deze kunnen van elkaar worden gescheiden in olieraffinaderijen door destillatie, vanwege hun verschillende kookpunten. Een ander proces dat wordt gebruikt staat bekend als "kraken": katalysatoren worden gebruikt om enkele van de grotere moleculen in kleinere te breken die nuttiger zijn als brandstoffen.

Eigendommen

In het algemeen geldt dat hoe complexer een koolwaterstof is, des te hoger zijn smelt- en kookpunten. De eenvoudigere typen, zoals methaan, ethaan en propaan, met respectievelijk een, twee en drie koolstofatomen zijn gassen. Veel vormen zijn vloeistoffen: voorbeelden zijn hexaan en octaan. Vaste vormen zijn paraffine - een mengsel van moleculen met tussen de 20 en veertig koolstofatomen - en verschillende polymeren bestaande uit ketens van duizenden atomen, zoals polyethyleen.

De meest opvallende chemische eigenschappen van koolwaterstoffen zijn hun ontvlambaarheid en hun vermogen om polymeren te vormen. Degenen die gassen of vloeistoffen zijn, reageren met zuurstof in de lucht, waarbij koolstofdioxide (CO ₂ ) en water wordt geproduceerd en energie vrijkomt in de vorm van licht en warmte. Er moet wat energie worden geleverd om de reactie te starten, maar eenmaal gestart is het zelfvoorzienend: deze verbindingen zullen branden, zoals wordt geïllustreerd door een gaskookplaat aan te steken met een lucifer of vonk. Vaste vormen zullen ook branden, maar minder gemakkelijk. In sommige gevallen zal niet alle koolstof CO _{2 vormen} ; roet en rook kunnen door sommige typen worden geproduceerd wanneer ze in de lucht branden, en bij onvoldoende zuurstoftoevoer kan elke koolwaterstof het giftige, reukloze gas, koolmonoxide (CO) produceren.

Toepassingen

De brandbaarheid van koolwaterstoffen maakt ze zeer nuttig als brandstoffen, en ze zijn de primaire energiebron voor de hedendaagse beschaving. Wereldwijd wordt de meeste elektriciteit opgewekt door het verbranden van deze verbindingen en ze worden gebruikt om praktisch elke mobiele machine voort te stuwen: auto's, vrachtwagens, treinen, vliegtuigen en schepen. Ze worden ook gebruikt bij de vervaardiging van vele andere chemicaliën en materialen. De meeste kunststoffen zijn bijvoorbeeld koolwaterstofpolymeren. Andere toepassingen omvatten oplosmiddelen, smeermiddelen en drijfgassen voor spuitbussen.

Problemen met fossiele brandstoffen

Koolwaterstoffen zijn de afgelopen tweehonderd jaar een zeer succesvolle brandstofbron geweest, maar er zijn steeds meer oproepen om het gebruik ervan terug te dringen. Hun verbranding produceert rook en roet, waardoor ernstige vervuilingsproblemen in sommige gebieden ontstaan. Het produceert ook grote hoeveelheden CO ₂ . Wetenschappers zijn het erover eens dat steeds meer van dit gas in de atmosfeer helpt warmte vast te houden, de mondiale temperaturen te verhogen en het klimaat op aarde te veranderen.

Bovendien zullen fossiele brandstoffen niet eeuwig meegaan. Brandend met de huidige snelheid, kan olie opraken in minder dan een eeuw en kolen in verschillende eeuwen. Dit alles heeft geleid tot oproepen om hernieuwbare energiebronnen te ontwikkelen, zoals zonne- en windenergie, en de bouw van meer kerncentrales, die nul CO ₂ -emissies produceren. In 2007 werd de Nobelprijs voor de vrede uitgereikt aan de voormalige Amerikaanse vice-president Al Gore en het Intergovernmental Panel on Climate Change van de VN voor hun werk bij het bevestigen en verspreiden van de boodschap dat de verbranding van koolwaterstoffen grotendeels verantwoordelijk is voor de opwarming van de aarde.