هیدروکربن: دنیای شگفت‌انگیز ترکیب‌های کربن و هیدروژن
هیدروکربن چیست و چگونه شکل می‌گیرد؟
هیدروکربن‌ها ساده‌ترین ترکیب‌های شیمی آلی2 هستند. همان‌طور که از نام آن‌ها پیداست، تنها از دو عنصر تشکیل شده‌اند: اتم‌های کربن ($C$) و اتم‌های هیدروژن ($H$). اتم کربن این ویژگی منحصر به فرد را دارد که می‌تواند با اتم‌های کربن دیگر پیوندهای قوی تشکیل دهد و زنجیره‌ها یا حلقه‌های بلندی بسازد. اتم هیدروژن نیز برای تکمیل این ساختارها به کربن متصل می‌شود. برای مثال، ساده‌ترین هیدروکربن، متان3 است که فرمول شیمیایی آن $CH_4$ است. این مولکول از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است.
انواع اصلی هیدروکربن‌ها
هیدروکربن‌ها را بر اساس نوع پیوند بین اتم‌های کربن و شکل ساختار مولکولی به دسته‌های اصلی تقسیم می‌کنند. این دسته‌بندی به درک خواص و رفتار آن‌ها کمک می‌کند.
| نوع هیدروکربن | ویژگی پیوندها | ساده‌ترین مثال (فرمول) | حالت فیزیکی متداول |
|---|---|---|---|
| آلکان4 | همه پیوندها یگانه ($C-C$) | متان ($CH_4$) | گاز |
| آلکن5 | دارای یک پیوند دوگانه ($C=C$) | اتن (اتیلن) ($C_2H_4$) | گاز |
| آلکین6 | دارای یک پیوند سه‌گانه ($C \equiv C$) | اتین (استیلن) ($C_2H_2$) | گاز |
| هیدروکربن‌های آروماتیک7 | ساختار حلقه‌ای با پیوندهای مزدوج (مثل بنزن) | بنزن ($C_6H_6$) | مایع |
هر چه تعداد اتم‌های کربن در یک مولکول هیدروکربن بیشتر شود، اندازه‌ی مولکول بزرگ‌تر و جرم آن بیشتر می‌شود. این افزایش اندازه، بر حالت فیزیکی آن تأثیر می‌گذارد. هیدروکربن‌های با 1 تا 4 اتم کربن معمولاً گاز هستند (مانند متان در گاز شهری). با افزایش اتم کربن به 5 تا 17 اتم، به مایع تبدیل می‌شوند (مانند بنزین). و هیدروکربن‌های با بیش از 17 اتم کربن، جامد هستند (مانند قیر).
هیدروکربن‌ها در زندگی روزمره ما
شاید جالب باشد که بدانید هیدروکربن‌ها تقریباً در همه جنبه‌های زندگی مدرن ما حضور دارند. مهم‌ترین کاربرد آن‌ها به عنوان سوخت است. بنزین، گازوئیل و نفت‌چراغ که همگی مخلوطی از هیدروکربن‌های مایع هستند، برای به حرکت درآوردن خودروها، کامیون‌ها و هواپیماها استفاده می‌شوند. گاز طبیعی که عمدتاً از متان تشکیل شده، برای پخت‌وپز و گرمایش خانه‌ها به کار می‌رود.
اما کاربرد هیدروکربن‌ها فقط به سوخت ختم نمی‌شود. از آن‌ها برای ساخت هزاران محصول دیگر استفاده می‌شود. برای مثال، از اتن ($C_2H_4$) برای تولید پلاستیک پلی‌اتن که در ساخت بطری‌ها و کیسه‌های پلاستیکی کاربرد دارد، استفاده می‌شود. از استیلن ($C_2H_2$) در جوشکاری با شعله‌ی بسیار داغ استفاده می‌کنند. حتی بسیاری از حلال‌ها، رنگ‌ها، چسب‌ها و آفت‌کش‌ها نیز از هیدروکربن‌ها ساخته می‌شوند.
واکنش سوختن: مهم‌ترین واکنش هیدروکربن‌ها
وقتی یک هیدروکربن می‌سوزد، با اکسیژن هوا واکنش می‌دهد. به این فرآیند سوختن کامل می‌گویند. در این واکنش، انرژی گرمایی و نورانی زیادی آزاد می‌شود (همان انرژی که برای حرکت خودرو یا گرم کردن خانه از آن استفاده می‌کنیم) و دو محصول اصلی تولید می‌شوند: دی‌اکسید کربن ($CO_2$) و آب ($H_2O$).
$هیدروکربن + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + Energy$
مثال برای متان: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
اگر اکسیژن به اندازه‌ی کافی موجود نباشد، سوختن ناقص رخ می‌دهد که علاوه بر دی‌اکسید کربن، مونوکسید کربن ($CO$) سمی یا حتی دوده (کربن خالص) تولید می‌کند. دوده همان دوده‌ای است که در دیواره‌ی بعضی از بخاری‌های قدیمی می‌بینید.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. در حالی که بسیاری از هیدروکربن‌ها قابل اشتعال و به عنوان سوخت استفاده می‌شوند، اما همه‌ی آن‌ها این ویژگی را ندارند یا کاربرد اصلی آن‌ها سوخت نیست. برای مثال، از بعضی هیدروکربن‌های بزرگ و سنگین به عنوان روان‌ساز (روغن موتور) یا عایق استفاده می‌شود که هدف اصلی آن‌ها سوختن نیست.
نفت خام مخلوط پیچیده‌ای از صدها هیدروکربن مختلف است که مستقیماً قابل استفاده نیست. در پالایشگاه، این مخلوط بر اساس نقطه جوش اجزای آن، از هم جدا می‌شود. این فرآیند که تقطیر جزء به جزء8 نام دارد، محصولات مفیدی مانند گاز مایع، بنزین، نفتا، نفت‌گاز و قیر را تولید می‌کند.
سوختن هیدروکربن‌ها، دی‌اکسید کربن تولید می‌کند که یک گاز گلخانه‌ای است و به تغییرات آب‌وهوایی کمک می‌کند. همچنین، نشت نفت خام در دریاها (مثلاً از نفتکش‌ها) می‌تواند فاجعه‌ای برای حیات دریایی باشد. به همین دلیل، یافتن منابع انرژی جایگزین و پاک، مانند انرژی خورشیدی و بادی، بسیار مهم است.
پاورقی
1 هیدروکربن (Hydrocarbon)
2 شیمی آلی (Organic Chemistry)
3 متان (Methane)
4 آلکان (Alkane)
5 آلکن (Alkene)
6 آلکین (Alkyne)
7 هیدروکربن آروماتیک (Aromatic Hydrocarbon)
8 تقطیر جزء به جزء (Fractional Distillation)