Hva er hydrokarboner?
Hydrokarboner er organiske kjemiske forbindelser som utelukkende består av karbon og hydrogen, og spenner fra enkle molekyler som metan, til polymerer som polystyren, som består av tusenvis av atomer. Evnen til karbonatomer til å binde seg sterkt til hverandre gjør at de kan danne et nesten ubegrenset utvalg av kjeder, ringer og andre strukturer som danner ryggradene til organiske molekyler. Siden hvert atom kan danne fire bindinger, inkluderer disse ryggradene andre elementer, for eksempel hydrogen. Forbindelsene er brannfarlige, siden de to elementene de inneholder lett vil kombinere med oksygen i luften og frigjøre energi. Fossilt brensel, for eksempel olje og naturgass, er naturlig forekommende blandinger av hydrokarboner; kull inneholder også noen, selv om det stort sett bare er karbon.
Struktur og navnekonvensjoner
Navngivningen av hydrokarboner følger visse konvensjoner, selv om forbindelser i mange tilfeller kan være bedre kjent under eldre navn. I det moderne systemet representerer den første delen av navnet antall karbonatomer i molekylet: i stigende sekvens er de første åtte prefiksede meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- og okt . Forbindelser hvor alle karbonatene er forbundet med enkeltbindinger, er kjent som alkaner , og har navn som slutter på –an. Derfor er de første åtte alkanene metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan og oktan.
Karbonatomer kan også danne dobbelt- eller trippelbindinger med hverandre. Molekyler som har dobbeltbindinger er kjent som alkener, og har navn som slutter på –ene , mens de som har trippelbindinger kalles alkyner, og har navn som slutter på -yne . Molekyler som bare har enkeltbindinger inneholder maksimalt antall hydrogenatomer, og beskrives derfor som mettede. Der det er dobbelt- eller trippelbindinger, er det færre steder tilgjengelig for hydrogen, så disse forbindelsene blir beskrevet som umettede.
For å gi et enkelt eksempel har etan to karbonatomer forbundet med en enkeltbinding, og lar hver enkelt binde seg til tre hydrogenatomer, så dens kjemiske formel er C2H6 og det er en alkan. I eten er det en karbon-karbon dobbeltbinding, så den kan bare ha fire hydrogener, noe som gjør det til et alken med formelen C 2 H4. Ethyne har en trippelbinding, og gir den formelen C 2 H 2 , og gjør den til en alkyne. Denne forbindelsen er bedre kjent som acetylen.
Karbonatomene kan også danne ringer. Alkanes med ringer har navn som begynner med cyclo- . Derfor er cykloheksan en alkan med seks karbonatomer forbundet med enkeltbindinger på en slik måte at det dannes en ring. En ring med vekslende enkelt- og dobbeltbindinger er også mulig, og er kjent som en benzenring. Hydrokarboner som inneholder en benzenring er kjent som aromatiske, fordi mange av dem er behagelig luktende.
Noen hydrokarbonmolekyler har kjeder som forgrener seg. Butan, som normalt består av en enkelt kjede, kan eksistere i en form der ett karbonatom er bundet til to andre, og danner en gren. Disse alternative formene for et molekyl er kjent som isomerer. Den forgrenede isomeren av butan er kjent som isobutan.
Produksjon
Mesteparten av produksjonen av hydrokarboner kommer fra fossile brensler: kull, olje og naturgass, som blir utvunnet fra bakken i mengder på millioner av tonn per dag. Råolje er stort sett en blanding av mange forskjellige alkaner og cykloalkaner, med noen aromatiske forbindelser. Disse kan skilles fra hverandre ved oljeraffinerier ved destillasjon på grunn av deres forskjellige kokepunkter. En annen prosess som brukes er kjent som "sprekker": katalysatorer brukes til å bryte noen av de større molekylene til mindre som er mer nyttige som brensel.
Eiendommer
Generelt sett, jo mer komplekst et hydrokarbon er, jo høyere er smelte- og kokepunktene. For eksempel er de enklere typene, for eksempel metan, etan og propan, med henholdsvis en, to og tre karbon, gasser. Mange former er væsker: eksempler er heksan og oktan. Faste former inkluderer parafinvoks - en blanding av molekyler med mellom 20 og førti karbonatomer - og forskjellige polymerer som består av kjeder med tusenvis av atomer, for eksempel polyetylen.
De viktigste kjemiske egenskapene til hydrokarboner er deres brennbarhet og deres evne til å danne polymerer. De som er gasser eller væsker, vil reagere med oksygen i luften, produsere karbondioksid (CO 2 ) og vann, og frigjøre energi i form av lys og varme. Noe energi må tilføres for å starte reaksjonen, men når den først er startet, er den selvopprettholdende: Disse forbindelsene vil brenne, som illustrert ved å tenne på en gasstopp med en fyrstikk eller gnist. Solide former vil også brenne, men mindre lett. I noen tilfeller vil ikke alt karbon danne CO 2 ; sot og røyk kan produseres av noen typer når de brenner i luft, og ved mangelfull tilførsel av oksygen kan ethvert hydrokarbon produsere giftig, luktfri gass, karbonmonoksid (CO).
Bruker
Brennbarheten til hydrokarboner gjør dem veldig nyttige som drivstoff, og de er den primære energikilden for dagens sivilisasjon. Over hele verden genereres mest strøm ved forbrenning av disse forbindelsene, og de brukes til å drive praktisk talt alle mobile maskiner: biler, lastebiler, tog, fly og skip. De brukes også til fremstilling av mange andre kjemikalier og materialer. De fleste plast er for eksempel hydrokarbonpolymerer. Andre bruksområder inkluderer løsemidler, smøremidler og drivmidler til aerosolbokser.
Problemer med fossile brensler
Hydrokarboner har vært en meget vellykket drivstoffkilde i løpet av de siste to hundre årene eller så, men det er økende oppfordringer til å avskaffe bruken. Forbrenningen deres produserer røyk og sot, og forårsaker alvorlige forurensningsproblemer i noen områder. Den produserer også store mengder CO 2 . Det er utbredt enighet blant forskere om at økende nivåer av denne gassen i atmosfæren er med på å fange varme, heve globale temperaturer og endre jordens klima.
I tillegg vil ikke fossile brensler vare evig. Ved å brenne drivstoff med dagens hastighet, kan oljen renne ut på mindre enn et århundre og kull på flere hundre år. Alt dette har ført til anløp om å utvikle fornybare energikilder som sol- og vindkraft, og bygging av flere atomkraftverk, som produserer null CO 2 -utslipp. I 2007 ble Nobels fredspris tildelt den tidligere amerikanske visepresidenten Al Gore og FNs klimapanel for deres arbeid med å bekrefte og spre beskjeden om at forbrenning av hydrokarboner i stor grad er ansvarlig for global oppvarming.