Wat zijn koolwaterstoffen?

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

structuur en naamgevingsconventies

De naamgeving van koolwaterstoffen volgt bepaalde conventies, hoewel in veel gevallen verbindingen beter bekend kunnen zijn onder oudere namen. In het moderne systeem, het eerste deel van deNaam vertegenwoordigt het aantal koolstofatomen in het molecuul: in oplopende sequentie zijn de eerste acht voorvoegsel meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- en oct-. Verbindingen waar de koolstofatomen allemaal worden vergezeld door enkele bindingen staan ​​gezamenlijk bekend als alkanes en hebben namen die eindigen in –An. Daarom zijn de eerste acht alkanen methaan, ethaan, propaan, butaan, pentaan, hexaan, heptaan en octaan.

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

Om een ​​eenvoudig voorbeeld te geven, heeft ethaan twee koolstofatomen samengevoegd door een enkele binding, waardoor elk in staat is om te binden aan drie waterstofatomen, dus de chemische formule is c ₂ h ₆ en het is een alkaan. In Ethene is er een dubbele binding van koolstof koolstofarme, dus het kan slechts vier hydrogenen hebben, waardoor het een alkeen is met de formule C ₂ H ₄ . Ethyne heeft een drievoudige binding, waardoor het de formule C ₂ h ₂ krijgt en het een alkyne maakt. Deze verbinding is beter bekend als acetyleen.

De koolstofatomen kunnen ook ringen vormen. Alkanes met ringen hebben namen die beginnen met cyclo-. Daarom is cyclohexaan een alkaan met zes koolstofatomen samengevoegd 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 velen van hen aangename ruiken zijn.

Sommige koolwaterstof MOLecules hebben ketens die tak. Butane, die normaal uit een enkele keten bestaat, kan bestaan ​​in een vorm waarbij een koolstofatoom wordt gebonden aan twee andere, waardoor een tak wordt gevormd. Deze alternatieve vormen van een molecuul staan ​​bekend als isomeren. Het vertakte isomeer van Butane staat bekend als Isobutane.

productie

De meeste productie van koolwaterstoffen is afkomstig van fossiele brandstoffen: kolen, olie en aardgas, die in hoeveelheden miljoenen ton per dag uit de grond worden geëxtraheerd. Ruwe olie is meestal een mengsel van veel verschillende alkanen en cycloalkanen, met enkele aromatische verbindingen. Deze kunnen van elkaar worden gescheiden bij 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 te breken in kleinere moleculen die nuttiger zijn als brandstoffen.

eigenschappen

Over het algemeen is hoe complexer een koolwaterstof is, hoe hoger zijn smelt- en kookpunten. Bijvoorbeeld de sTypes, zoals methaan, ethaan en propaan, met respectievelijk één, twee en drie koolstofatomen, zijn gassen. Vele vormen zijn vloeistoffen: voorbeelden zijn hexaan en octaan. Vaste vormen omvatten paraffinewas - een mengsel van moleculen met tussen 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, zullen reageren met zuurstof in de lucht, die koolstofdioxide produceren (CO ₂ ) en water en energie vrijgeven in de vorm van licht en warmte. Er moet enige energie worden geleverd om de reactie te starten, maar eenmaal begonnen, is het zelfvoorzienend: deze verbindingen zullen branden, zoals geïllustreerd door een gaskobs te verlichten met een match of vonk. Vaste vormen zullen ook branden, maar minder gemakkelijk. In sommige gevallen vormt niet alle koolstof CO ₂ ; roet en rook kunnen door sommige soorten worden geproduceerd wanneer ze burgersn in lucht, en in een onvoldoende zuurstofvoorraad, kan elke koolwaterstof het giftige, geurloze gas, koolmonoxide (CO) produceren.

gebruikt

De ontvlambaarheid van koolwaterstoffen maakt ze zeer nuttig als brandstoffen, en ze zijn de primaire energiebron voor de huidige beschaving. Wereldwijd wordt de meeste elektriciteit gegenereerd door het verbranden van deze verbindingen, en ze worden gebruikt om vrijwel 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 zijn oplosmiddelen, smeermiddelen en drijfgassen voor aerosolblikjes.

Problemen met fossiele brandstoffen

Hydrocarbons zijn de afgelopen tweehonderd jaar een zeer succesvolle brandstofbron geweest, maar er zijn toenemende oproepen om het gebruik ervan terug te schalen. Hun verbranding veroorzaakt rook en roet, waardoor in sommige gebieden ernstige vervuilingsproblemen veroorzaken. Het produceert ook grote hoeveelheden CO ₂ . DeRe is een wijdverbreide overeenkomst tussen wetenschappers dat het verhogen van de niveaus van dit gas in de atmosfeer helpt bij het vangen van warmte, het verhogen van de wereldwijde temperaturen en het veranderen van het klimaat van de aarde.

Bovendien zullen fossiele brandstoffen niet eeuwig duren. Het verbranden van brandstof tegen de huidige snelheid, olie kan in minder dan een eeuw op zijn en kolen in verschillende eeuwen. Dit alles heeft geleid tot oproepen om hernieuwbare energiebronnen te ontwikkelen, zoals zonne- en windenergie, en de constructie van meer kerncentrales, die nul CO ₂ emissies produceren. In 2007 werd de Nobelprijs voor de vrede toegekend aan de voormalige Amerikaanse vice -president Al Gore en het intergovernmentale panel van de VN voor klimaatverandering 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.