Co to są węglowodory?

Węglowodory są organicznymi związkami chemicznymi, które składają się całkowicie 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 tworzyć prawie nieograniczoną różnorodność łańcuchów, pierścieni i innych struktur, które tworzą szkielety cząsteczek organicznych. Ponieważ każdy atom może tworzyć cztery wiązania, szkielety te zawierają inne pierwiastki, takie jak wodór. Związki są łatwopalne, ponieważ dwa zawarte w nich pierwiastki łatwo łączą się z tlenem w powietrzu, uwalniając energię. Paliwa kopalne, takie jak ropa naftowa i gaz ziemny, są naturalnie występującymi mieszaninami węglowodorów; węgiel zawiera także trochę, chociaż w większości jest to po prostu węgiel.

Struktura i konwencje nazewnictwa

Nazwy węglowodorów są zgodne z pewnymi konwencjami, chociaż w wielu przypadkach związki mogą być lepiej znane pod starszymi nazwami. W nowoczesnym systemie pierwsza część nazwy reprezentuje liczbę atomów węgla w cząsteczce: w kolejności rosnącej pierwsze osiem jest poprzedzone met-, et-, prop-, ale-, pent-, heks-, hept- i oct- . Związki, w których wszystkie węgle są połączone pojedynczymi wiązaniami, są znane łącznie jako alkany i mają nazwy kończące się na –ane. 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 na –ene , natomiast te, które mają potrójne wiązania, nazywane są alkinami i mają nazwy kończące się na -yn . Cząsteczki, które mają tylko pojedyncze wiązania, zawierają maksymalną możliwą liczbę atomów wodoru i dlatego są opisane jako nasycone. Tam, gdzie występują wiązania podwójne lub potrójne, jest mniej dostępnych miejsc na wodór, więc związki te są opisane jako nienasycone.

Aby dać prosty przykład, etan ma dwa węgle połączone pojedynczym wiązaniem, pozostawiając każdy zdolny do wiązania się z trzema atomami wodoru, więc jego wzór chemiczny to C2H6 i jest to alkan. W etenie występuje podwójne wiązanie węgiel-węgiel, więc może mieć tylko cztery atomy wodoru, co czyni go alkenem o wzorze C2H4. Etyny ma potrójne wiązanie, co daje mu wzór C2H2 i czyni go alkinem. Ten związek jest lepiej znany jako acetylen.

Atomy węgla mogą również tworzyć pierścienie. Alkany z pierścieniami mają nazwy zaczynające się od cyklo . Dlatego cykloheksan jest alkanem z sześcioma atomami węgla połączonymi pojedynczymi wiązaniami w taki sposób, aby utworzyć pierścień. Możliwy jest również pierścień z naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi, znany jako pierścień benzenowy. Węglowodory zawierające pierścień benzenowy są znane jako aromatyczne, ponieważ wiele z nich ma przyjemny zapach.

Niektóre cząsteczki węglowodorów mają rozgałęzione łańcuchy. Butan, który zwykle składa się z jednego łańcucha, może istnieć w formie, 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: węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego, które są wydobywane z ziemi w ilości milionów ton dziennie. Ropa naftowa jest głównie mieszaniną wielu różnych alkanów i cykloalkanów z niektórymi związkami aromatycznymi. Można je oddzielić od siebie w rafineriach poprzez destylację ze względu na ich różne temperatury wrzenia. Inny stosowany proces znany jest jako „kraking”: katalizatory są stosowane do rozbijania niektórych większych cząsteczek na mniejsze, które są bardziej przydatne jako paliwa.

Nieruchomości

Mówiąc ogólnie, im bardziej złożony jest węglowodór, tym wyższa jest jego temperatura topnienia i wrzenia. Na przykład prostszymi typami, takimi jak metan, etan i propan, odpowiednio z jednym, dwoma i trzema atomami węgla, są gazy. Wiele form to ciecze: przykładami są heksan i oktan. Stałe postacie obejmują wosk parafinowy - mieszaninę cząsteczek o 20–40 atomach węgla - i różne polimery składające się z łańcuchów tysięcy atomów, takie 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. Część energii musi zostać dostarczona, aby rozpocząć reakcję, ale po rozpoczęciu jest samowystarczalna: związki te będą się palić, co ilustruje zapalanie płyty gazowej zapałką lub iskrą. Stałe formy również się palą, ale trudniej. W niektórych przypadkach nie cały węgiel będzie tworzyć CO ₂ ; niektóre rodzaje sadzy i dymu mogą wytwarzać, gdy spalają się w powietrzu, a przy niewystarczającej ilości tlenu każdy węglowodór może wytwarzać toksyczny, bezwonny gaz, tlenek węgla (CO).

Używa

Łatwopalność węglowodorów sprawia, że ​​są one bardzo przydatne jako paliwa i są głównym źródłem energii dla dzisiejszej cywilizacji. Na całym świecie większość energii elektrycznej powstaje w wyniku spalania tych związków i są one wykorzystywane do napędzania praktycznie każdej maszyny mobilnej: samochodów, ciężarówek, pociągów, samolotów i statków. Są również wykorzystywane do produkcji wielu innych chemikaliów i materiałów. Na przykład większość tworzyw sztucznych to polimery węglowodorowe. Inne zastosowania obejmują rozpuszczalniki, smary i propelenty do puszek aerozolowych.

Problemy z paliwami kopalnymi

Węglowodory są bardzo popularnym źródłem paliwa przez ostatnie dwieście lat, ale pojawiają się rosnące wezwania do ograniczenia ich zużycia. Ich spalanie wytwarza dym i sadzę, powodując poważne problemy z zanieczyszczeniem w niektórych obszarach. Wytwarza również duże ilości CO ₂ . Wśród naukowców panuje powszechna zgoda co do tego, że wzrost poziomu tego gazu w atmosferze pomaga zatrzymać ciepło, podnosząc globalne temperatury i zmieniając klimat Ziemi.

Ponadto paliwa kopalne nie będą trwać wiecznie. Spalając paliwo w obecnym tempie, ropa może skończyć się za mniej niż sto lat, a węgiel za kilka stuleci. Wszystko to doprowadziło do wezwań do opracowania odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, oraz budowy większej liczby elektrowni jądrowych, które wytwarzają zerową emisję CO ₂ . W 2007 r. Pokojową Nagrodę Nobla przyznano byłemu wiceprezydentowi USA Alowi Gore'owi oraz Międzyrządowemu Panelowi ONZ ds. Zmian Klimatu za ich pracę w zakresie potwierdzenia i rozpowszechnienia przesłania, że ​​spalanie węglowodorów jest w dużej mierze odpowiedzialne za globalne ocieplenie.