هیدروکربن روسیه

هیدروکربن، هر یک از دسته ای از ترکیبات شیمیایی آلی که فقط از عناصر کربن (C) و هیدروژن (H) تشکیل شده است. اتم‌های کربن به یکدیگر می‌پیوندند تا چارچوب ترکیب را تشکیل دهند و اتم‌های هیدروژن در پیکربندی‌های مختلف به آن‌ها متصل می‌شوند. هیدروکربن ها اجزای اصلی نفت و گاز طبیعی هستند. آنها به عنوان سوخت و روان کننده و همچنین مواد خام برای تولید پلاستیک، الیاف، لاستیک، حلال ها، مواد منفجره، و مواد شیمیایی صنعتی کاربرد دارند.

بسیاری از هیدروکربن ها در طبیعت وجود دارند. آنها علاوه بر ساختن سوخت های فسیلی، در درختان و گیاهان نیز وجود دارند، به عنوان مثال، به شکل رنگدانه هایی به نام کاروتن که در هویج و برگ های سبز وجود دارد. بیش از 98 درصد از لاستیک خام طبیعی یک پلیمر هیدروکربنی است، یک مولکول زنجیره مانند که از واحدهای زیادی به هم متصل شده اند. ساختار و شیمی هیدروکربن‌های مجزا تا حد زیادی به انواع پیوندهای شیمیایی که اتم‌های مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها را به هم متصل می‌کنند، بستگی دارد.

شیمیدانان قرن نوزدهم هیدروکربن ها را بر اساس منابع و خواص آنها به دو دسته آلیفاتیک یا معطر طبقه بندی کردند. آلیفاتیک (از یونانی aleiphar، "چربی") هیدروکربن هایی را توصیف می کند که از تجزیه شیمیایی چربی ها یا روغن ها به دست می آیند. هیدروکربن‌های معطر گروهی از مواد مرتبط را تشکیل می‌دهند که از تجزیه شیمیایی برخی عصاره‌های گیاهی خوشبو به دست می‌آیند. اصطلاحات آلیفاتیک و آروماتیک در اصطلاحات مدرن حفظ شده اند، اما ترکیباتی که آنها توصیف می کنند بر اساس ساختار و نه منشأ متمایز می شوند.

هیدروکربن های آلیفاتیک با توجه به نوع پیوندی که دارند به سه گروه اصلی تقسیم می شوند: آلکان ها، آلکن ها و آلکین ها. آلکان ها فقط پیوندهای منفرد دارند، آلکن ها حاوی پیوند دوگانه کربن- کربن و آلکین ها حاوی پیوند سه گانه کربن- کربن هستند. هیدروکربن های آروماتیک آنهایی هستند که به طور قابل توجهی پایدارتر از ساختار لوئیس آنها هستند. یعنی آنها دارای "ثبات ویژه" هستند. آنها به عنوان آرن ها که شامل یک حلقه بنزن به عنوان یک واحد ساختاری هستند یا هیدروکربن های آروماتیک غیربنزنوئیدی که دارای پایداری ویژه هستند اما فاقد حلقه بنزن به عنوان یک واحد ساختاری هستند طبقه بندی می شوند.

این طبقه‌بندی هیدروکربن‌ها به عنوان کمکی در ارتباط دادن ویژگی‌های ساختاری با ویژگی‌ها عمل می‌کند، اما نیازی به انتساب یک ماده خاص به یک کلاس ندارد. در واقع، برای یک مولکول معمول است که واحدهای ساختاری مشخصه دو یا چند خانواده هیدروکربنی را ترکیب کند. به عنوان مثال، مولکولی که دارای پیوند سه گانه کربن-کربن و حلقه بنزن است، برخی از خواص را نشان می دهد که مشخصه آلکین ها و برخی دیگر از ویژگی های آرن ها هستند.

هیدروکربن های آلیفاتیک

آلکان ها

آلکان ها، هیدروکربن هایی که در آنها همه پیوندها منفرد هستند، دارای فرمول های مولکولی هستند که عبارت کلی CnH2n + 2 را برآورده می کند (که در آن n یک عدد صحیح است). کربن با sp3 هیبرید می شود (سه جفت الکترون در پیوند نقش دارند و یک کمپلکس چهار وجهی را تشکیل می دهند)، و هر پیوند C-C و C-H یک پیوند سیگما (σ) است (به پیوند شیمیایی مراجعه کنید). به ترتیب افزایش تعداد اتم‌های کربن، متان (CH4)، اتان (C2H6) و پروپان (C3H8) سه عضو اول این سری هستند.

متان، اتان و پروپان تنها آلکان هایی هستند که با فرمول مولکولی خود به طور منحصر به فردی تعریف شده اند. برای C4H10 دو آلکان مختلف قوانین پیوند شیمیایی را برآورده می کنند (یعنی کربن دارای چهار پیوند و هیدروژن دارای یک پیوند در مولکول های خنثی است). یک ترکیب به نام n-بوتان، که در آن پیشوند n- نشان دهنده نرمال است، دارای چهار اتم کربن آن در یک زنجیره پیوسته است. دیگری که ایزوبوتان نام دارد دارای یک زنجیره منشعب است.

ترکیبات مختلفی که فرمول مولکولی یکسانی دارند ایزومر نامیده می شوند. گفته می شود که ایزومرهایی که در ترتیب اتصال اتم ها با هم متفاوت هستند، ساختارهای متفاوتی دارند و به آنها ایزومرهای اساسی می گویند. (نام قدیمی تر ایزومرهای ساختاری است.) ترکیبات n-بوتان و ایزوبوتان ایزومرهای اساسی هستند و تنها ترکیبات ممکن برای فرمول C4H10 هستند. از آنجایی که ایزومرها ترکیبات متفاوتی هستند، می توانند خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی داشته باشند. به عنوان مثال، n-بوتان دارای نقطه جوش بالاتر (-0.5 درجه سانتی گراد [31.1 درجه فارنهایت]) نسبت به ایزوبوتان (-11.7 درجه سانتی گراد [10.9 درجه فارنهایت]) است.

هیچ رابطه محاسباتی ساده ای بین تعداد اتم های کربن در یک فرمول و تعداد ایزومرها وجود ندارد. تئوری نمودار برای محاسبه تعداد آلکان‌های ایزومری که ممکن است برای مقادیر n در CnH2n + 2 از 1 تا 400 استفاده شود. تعداد ایزومرهای اساسی با افزایش تعداد اتم‌های کربن به شدت افزایش می‌یابد. احتمالاً هیچ حد بالایی برای تعداد اتم‌های کربن ممکن در هیدروکربن‌ها وجود ندارد. آلکان CH3(CH2)388CH3 که در آن 390 اتم کربن در یک زنجیره پیوسته به هم متصل شده اند، به عنوان نمونه ای از یک آلکان به اصطلاح فوق طولانی سنتز شده است. چندین هزار اتم کربن در مولکول های پلیمرهای هیدروکربنی مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی استایرن به یکدیگر متصل می شوند.

انواع هیدروکربن

هیدروکربن های اشباع: در این ترکیبات، اتم های کربن-کربن و اتم های کربن-هیدروژن توسط پیوندهای منفرد در کنار هم نگه داشته می شوند. این ترکیبات تک پیوندی ساده ترین هیدروکربن ها هستند. این نوع هیدروکربن ها پیوند دو یا سه گانه ندارند. از نظر هیبریداسیون، آنها دارای اتم های کربن هیبرید شده Sp3 بدون اتم های کربن هیبرید شده Sp2 یا Sp هستند. آنها با هم آلکان نامیده می شوند که فرمول کلی CnH2n+2 دارند. به عنوان مثال، CH4C3H6.

هیدروکربن های غیر اشباع: این ترکیبات از یک پیوند منفرد، دو یا سه گانه بین اتم های کربن-کربن تشکیل شده اند. ترکیبات با پیوند دوگانه آلکن و ترکیبات با پیوند سه گانه آلکین نامیده می شوند. فرمول کلی آلکن ها CnH2n و برای آلکین ها فرمول کلی CnH2n-2 است.

سیکلوآلکان ها: این هیدروکربن ها دارای یک یا چند حلقه کربنی هستند. اتم هیدروژن به حلقه کربن متصل است.

هیدروکربن های معطر: به آنها آرن نیز می گویند. آرن ها ترکیباتی هستند که حداقل از یک حلقه معطر تشکیل شده اند.

هیدروکربن های آلیفاتیک: ساختارهای زنجیره ای مستقیم هستند که هیچ حلقه ای در آنها وجود ندارد.

هیدروکربن های آلی حلقوی: هیدروکربن هایی هستند که ساختار حلقه ای در خود دارند. اتم های کربن می توانند ترکیبی از Sp، Sp2 یا Sp3 باشند.

خواص هیدروکربن ها

فرمول تجربی هیدروکربن ها به دلیل ساختار مولکولی متفاوت آنها نیز با یکدیگر متفاوت است. به عنوان مثال، در آلکان ها، آلکین ها یا آلکن ها، مقدار هیدروژن پیوندی در آلکن ها و آلکین ها کاهش می یابد. این عمدتا به دلیل "خود پیوند" یا کاتناسیون کربن است که از اشباع کامل هیدروکربن با تشکیل پیوندهای دو یا سه گانه جلوگیری می کند. توانایی هیدروکربن ها برای اتصال به خود به عنوان کاتناسیون شناخته می شود. با چنین قابلیت هایی، آنها می توانند مولکول های پیچیده تری مانند سیکلوهگزان و در موارد نادر، هیدروکربن های معطر مانند بنزن را تشکیل دهند.

شکستن هیدروکربن ها فرآیندی است که در آن مولکول های آلی سنگین به مولکول های سبک تر تجزیه می شوند. این امر با تامین گرما و فشار کافی انجام می شود. گاهی از کاتالیزورها برای تسریع واکنش استفاده می شود. این فرآیند نقش بسیار مهمی در تولید تجاری سوخت دیزل و بنزین دارد.

⇒ بررسی: احتراق هیدروکربن ها

مشخصات فیزیکی

آلکان هایی با 10 اتم C یا کمتر معمولا گازهایی در دمای اتاق بیش از 10 اتم C هستند و مولکول ها گاز یا مایع هستند. آلکان ها معمولاً به دلیل برهمکنش ضعیف واندروال دارای نقطه جوش و ذوب پایینی هستند.

نقطه جوش به عوامل زیر بستگی دارد:

جرم مولکولی

آلکان ها جرم مولکولی بالا و نقطه جوش بالایی دارند. مثلا C2H6 نقطه جوش بیشتری نسبت به CH4 دارد.

آلکان هایی که جرم مولکولی یکسان دارند اما تعداد شاخه های متفاوتی دارند، آنهایی که انشعاب کمتری دارند نقطه جوش بیشتری دارند. این به این دلیل است که با افزایش منطقه، نیروی واندروال ضعیف می شود.

برای مثال CH3-CH2-CH2-CH3 نقطه جوش بیشتری دارد. آلکان ها در آب بسیار ضعیف حل می شوند، اما در حلال های غیر قطبی مانند بنزن، CCl4 و غیره محلول هستند.

موارد استفاده از هیدروکربن ها

هیدروکربن ها به طور گسترده ای به عنوان سوخت استفاده می شوند. به عنوان مثال، LPG (گاز نفت مایع)، و CNG (گاز طبیعی مایع).

از آنها در ساخت پلیمرهایی مانند پلی اتن، پلی استایرن و غیره استفاده می شود.

این ترکیبات آلی کاربرد خود را در ساخت داروها و رنگ ها به عنوان ماده اولیه پیدا می کنند.

آنها به عنوان روغن روان کننده و گریس عمل می کنند.