Vad är kolväten?
Kolväten är organiska kemiska föreningar som helt består av kol och väte, och sträcker sig från enkla molekyler som metan till polymerer som polystyren, som består av tusentals atomer. Förmågan hos kolatomer att binda starkt till varandra gör att de kan bilda en nästan obegränsad variation av kedjor, ringar och andra strukturer som bildar ryggraden i organiska molekyler. Eftersom varje atom kan bilda fyra bindningar inkluderar dessa ryggraden andra element, såsom väte. Föreningarna är brandfarliga, eftersom de två elementen som de innehåller kommer att kombineras lätt med syre i luften och frigör energi. Fossila bränslen, såsom olja och naturgas, är naturligt förekommande blandningar av kolväten; kol innehåller också några, även om det mestadels bara är kol.
Struktur- och namnkonventioner
Benämningen av kolväten följer vissa konventioner, även om föreningar i många fall kan vara bättre kända under äldre namn. I det moderna systemet representerar den första delen av namnet antalet kolatomer i molekylen: i stigande sekvens är de första åtta prefixerade met-, et-, prop-, men-, pent-, hex-, hept- och okt- Föreningar där kolatomerna alla är förenade med enstaka bindningar kallas kollektivt alkaner och har namn som slutar på –an. Därför är de första åtta alkanerna metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan och oktan.
Kolatomer kan också bilda dubbel- eller trippelbindningar med varandra. Molekyler som har dubbla bindningar kallas alkener och har namn som slutar på –en , medan de som har trippelbindningar kallas alkyner och har namn som slutar på -yne . Molekyler som endast har enstaka bindningar innehåller det största möjliga antalet väteatomer och beskrivs därför som mättade. Där det finns dubbel- eller trippelbindningar finns det färre platser tillgängliga för väte, så dessa föreningar beskrivs som omättade.
För att ge ett enkelt exempel har etan två kolatomer förenade med en enda bindning, vilket lämnar var och en förmåga att binda till tre väteatomer, så dess kemiska formel är C2H6 och det är en alkan. I eten finns det en kol-kol-dubbelbindning, så den kan bara ha fyra väten, vilket gör det till en alken med formeln C2H4. Ethyne har en trippelbindning, vilket ger den formeln C 2 H2 och gör den till en alkyne. Denna förening är bättre känd som acetylen.
Kolatomerna kan också bilda ringar. Alkanes med ringar har namn som börjar med cyklo- . Därför är cyklohexan en alkan med sex kolatomer förenade med enkelbindningar på ett sådant sätt att det bildas en ring. En ring med alternerande enkel- och dubbelbindningar är också möjlig och är känd som en bensenring. Kolväten som innehåller en bensenring är kända som aromatiska, eftersom många av dem är trevlig luktande.
Vissa kolväte-molekyler har kedjor som grenar. Butan, som normalt består av en enda kedja, kan existera i en form där en kolatom är bunden till två andra och bildar en gren. Dessa alternativa former av en molekyl kallas isomerer. Den grenade isomeren av butan är känd som isobutan.
Produktion
Den mesta produktionen av kolväten kommer från fossila bränslen: kol, olja och naturgas, som utvinns från marken i mängder av miljoner ton per dag. Råolja är mestadels en blandning av många olika alkaner och cykloalkaner, med några aromatiska föreningar. Dessa kan separeras från varandra vid oljeraffinaderier genom destillation på grund av deras olika kokpunkter. En annan process som används kallas "krackning": katalysatorer används för att bryta några av de större molekylerna till mindre som är mer användbara som bränslen.
Egenskaper
Generellt sett, ju mer komplex ett kolväte är, desto högre är smält- och kokpunkterna. Till exempel är de enklare typerna, såsom metan, etan och propan, med en, två respektive tre kol, gaser. Många former är vätskor: exempel är hexan och oktan. Fasta former inkluderar paraffinvax - en blandning av molekyler med mellan 20 och fyrtio kolatomer - och olika polymerer bestående av kedjor av tusentals atomer, såsom polyeten.
De mest kända kemiska egenskaperna hos kolväten är deras brandfarlighet och deras förmåga att bilda polymerer. De som är gaser eller vätskor reagerar med syre i luften, producerar koldioxid (CO 2 ) och vatten och släpper energi i form av ljus och värme. Viss energi måste tillföras för att starta reaktionen, men när den väl har startat är den självbärande: dessa föreningar kommer att brinna, vilket illustreras genom att tända en gashäll med en tändsticka eller gnista. Fasta former kommer också att brinna, men mindre lätt. I vissa fall kommer inte allt kol att bilda CO 2 ; sot och rök kan produceras av vissa typer när de bränner i luften, och i otillräcklig mängd syre kan allt kolväte producera den giftiga, luktfria gasen, kolmonoxid (CO).
användningsområden
Brännbarheten hos kolväten gör dem mycket användbara som bränslen, och de är den primära energikällan för dagens civilisation. Över hela världen genereras mest energi genom förbränning av dessa föreningar, och de används för att driva praktiskt taget alla mobila maskiner: bilar, lastbilar, tåg, flygplan och fartyg. De används också för tillverkning av många andra kemikalier och material. De flesta plast är till exempel kolvätepolymerer. Andra användningsområden inkluderar lösningsmedel, smörjmedel och drivmedel för aerosolburkar.
Problem med fossila bränslen
Kolväten har varit en mycket framgångsrik bränslekälla under de senaste tvåhundra åren eller så, men det finns ökande uppmaningar att avskala deras användning. Deras förbränning producerar rök och sot och orsakar allvarliga föroreningsproblem i vissa områden. Det producerar också stora mängder CO 2 . Det finns en bred överenskommelse bland forskare att ökande nivåer av denna gas i atmosfären hjälper till att fånga värme, höja globala temperaturer och förändra jordens klimat.
Dessutom kommer fossila bränslen inte att vara evigt. Genom att bränna bränslet i den nuvarande hastigheten kan olja rinna ut på mindre än ett sekel och kol på flera hundra år. Allt detta har lett till uppmaningar att utveckla förnybara energikällor som sol- och vindkraft och byggandet av fler kärnkraftverk som producerar noll CO 2 -utsläpp. 2007 delades Nobels fredspris ut till den tidigare amerikanska vice presidenten Al Gore och FN: s regeringsklimatpanel för klimatförändringar för deras arbete för att bekräfta och sprida meddelandet om att förbränningen av kolväten till stor del är ansvarig för den globala uppvärmningen.