Co to są węglowodory?
Węglowodory są organicznymi związkami chemicznymi, które składają się w całości z węgla i wodoru, i wahają się od prostych cząsteczek, takich jak metan, po polimery, takie jak polistyren, który składa się z tysięcy atomów. Zdolność atomów węgla do silnego wiązania się ze sobą pozwala im utworzyć prawie nieograniczoną różnorodność łańcuchów, pierścieni i innych struktur, które tworzą kręgosłup cząsteczek organicznych. Ponieważ każdy atom może tworzyć cztery wiązania, kręgosłupa te obejmują inne pierwiastki, takie jak wodór. Związki są łatwopalne, ponieważ zawierane przez nich dwa elementy będą łatwo połączyć się z tlenem w powietrzu, uwalniając energię. Paliwa kopalne, takie jak olej i gaz ziemny, są naturalnie występującymi mieszaninami węglowodorów; Węgiel zawiera również niektóre, chociaż jest to w większości tylko węgiel.
konwencje struktury i nazewnictwa
Nazwanie węglowodorów jest zgodne z pewnymi konwencjami, chociaż w wielu przypadkach związki mogą być lepiej znane pod starszymi nazwami. W nowoczesnym systemie pierwsza częśćNazwa reprezentuje liczbę atomów węgla w cząsteczce: W sekwencji rosnącej pierwsze osiem jest prefiksowane met-, eth-, prop-, ale, pent-, hex-, hept i okup-. Związki, w których węgle łączą się pojedyncze wiązania, są znane wspólnie jako alkanami i mają nazwy kończące się na –AM. Dlatego pierwsze osiem alkanów to metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan i oktan.
Atomy węgla mogą również tworzyć ze sobą podwójne lub potrójne wiązania. Cząsteczki, które mają podwójne wiązania, są znane jako alkeny i mają nazwy kończące się w –ene , podczas gdy te, które mają potrójne wiązania, nazywane są alkinami i mają nazwy kończące się w -yne . Cząsteczki, które mają tylko pojedyncze wiązania, zawierają maksymalną możliwą liczbę atomów wodoru, a zatem są opisywane jako nasycone. Gdzie są wiązania podwójne lub potrójne, jest mniej miejsc dostępnych dla wodoru, więc tZwiązki HESE są opisane jako nienasycone.
Aby podać prosty przykład, etan ma dwa węgle połączone przez pojedyncze wiązanie, pozostawiając każdy z trzech atomów wodoru, więc jego wzór chemiczny to C 2 H 6 i jest to alkan. W ETENE znajduje się podwójne wiązanie węglowe, więc może mieć tylko cztery hydrogeny, co czyni go alkenem o wzorze C 2 H 4 . Etyny ma potrójne wiązanie, co daje wzór C 2 H 2 i czyniąc go alkinem. Ten związek jest lepiej znany jako acetylen.
Atomy węgla mogą również tworzyć pierścienie. Alkan z pierścieniami mają nazwy zaczynające się od Cyclo-. Dlatego cykloheksan jest alkanem z sześcioma atomami węgla połączonymi pojedynczymi wiązaniami w taki sposób, aby utworzyć pierścień. Możliwy jest również pierścień z naprzemiennymi pojedynczymi i podwójnymi wiązaniami i jest znany jako pierścień benzenowy. Węglowodory zawierające pierścień benzenu są znane jako aromatyczne, ponieważ wiele z nich jest miły.
Niektóre węglowodory moLekarale mają łańcuchy, które gałąź. Butan, który zwykle składa się z pojedynczego łańcucha, może istnieć w postaci, w której jeden atom węgla jest związany z dwoma innymi, tworząc gałąź. Te alternatywne formy cząsteczki są znane jako izomery. Rozgałęziony izomer butanu jest znany jako izobutan.
Produkcja
Większość produkcji węglowodorów pochodzi z paliw kopalnych: węgiel, ropa i gaz ziemny, które są ekstrahowane z ziemi w ilościach milionów ton dziennie. Ropa naftowa jest głównie mieszanką wielu różnych alkanów i cykloalanów, z niektórymi związkami aromatycznymi. Można je oddzielić od siebie w rafineriach olejowych przez destylację z powodu ich różnych punktów wrzenia. Kolejny stosowany proces jest znany jako „pękanie”: katalizatory są stosowane do rozbicia niektórych większych cząsteczek na mniejsze, które są bardziej przydatne jako paliwa.
Właściwości
Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej złożony jest węglowodór, tym wyższe jego temperatury topnienia i wrzenia. Na przykład S.Typy implera, takie jak metan, etan i propan, z jednym, dwoma i trzema węgliami, odpowiednio, to gazy. Wiele postaci to płyny: Przykładami są heksan i oktan. Formy stałe obejmują wosk parafinowy - mieszaninę cząsteczek z 20 a czterdziestoma atomami węgla - oraz różne polimery składające się z łańcuchów tysięcy atomów, takich jak polietylen.
Najbardziej znaczącymi właściwościami chemicznymi węglowodorów są ich łatwopalność i zdolność do tworzenia polimerów. Te, które są gazami lub cieczami, będą reagować z tlenem w powietrzu, wytwarzając dwutlenek węgla (Co 2 ) i wodę oraz uwalniając energię w postaci światła i ciepła. Należy dostarczyć pewne energię, aby rozpocząć reakcję, ale po rozpoczęciu jest samowystarczalna: związki te będą płonąć, jak pokazano przez oświetlenie płyty gazowej z dopasowaniem lub iskrą. Solidne formy również się spłoną, ale mniej łatwo. W niektórych przypadkach nie cały węgiel tworzy Co 2 ; Soot i dym mogą być wytwarzane przez niektóre typyn W powietrzu i niewystarczającym zaopatrzeniu tlenu, każdy węglowodór może wytwarzać toksyczny, bezwonny gaz, tlenek węgla (CO).
używa
Łowalność węglowodorów sprawia, że są one bardzo przydatne jako paliwa i są głównym źródłem energii dla dzisiejszej cywilizacji. Na całym świecie większość energii elektrycznej jest wytwarzana przez spalanie tych związków i są one wykorzystywane do produkowania praktycznie każdej maszyny mobilnej: samochodów, ciężarówek, pociągów, samolotów i statków. Są one również stosowane do produkcji wielu innych chemikaliów i materiałów. Na przykład większość tworzyw sztucznych to polimery węglowodorowe. Inne zastosowania obejmują rozpuszczalniki, smary i paliwo do puszek aerozolowych.
Problemy z paliwami kopalnymi
Węglowodory były bardzo udanym źródłem paliwa w ciągu ostatnich dwóch setek lat, ale rośnie połączenia, aby zmniejszyć ich użycie. Ich spalanie powoduje dym i sadzę, powodując poważne problemy z zanieczyszczeniem w niektórych obszarach. Produkuje również duże ilości CO