هیدروکربن: مولکولهای سازنده سوخت و پلاستیک
شناسنامه هیدروکربن: از سوخت تا پلاستیک
همانطور که از نامش پیداست، هیدروکربن مادهای است که از دو عنصر هیدروژن (Hydro) و کربن (Carbon) ساخته شده است. کربن یک عنصر شگفتانگیز است زیرا اتمهای آن میتوانند مانند حلقههای یک زنجیر، به یکدیگر متصل شوند و زنجیرههای بلند یا حلقههای مختلفی را تشکیل دهند. هیدروژن هم به این اتمهای کربن میپیوندد تا ساختار تکمیل شود. بیشتر هیدروکربنهایی که ما استفاده میکنیم، از سوختهای فسیلی مانند نفت خام، گاز طبیعی و زغال سنگ به دست میآیند که در اعماق زمین و طی میلیونها سال تشکیل شدهاند.
دستهبندی هیدروکربنها: از متان ساده تا بنزن حلقهای
هیدروکربنها را بر اساس نوع پیوند بین اتمهای کربن و شکل ساختارشان دستهبندی میکنیم. این طبقهبندی کمک میکند خواص و کاربردهای مختلف آنها را بهتر بشناسیم.
| نوع هیدروکربن | ویژگی کلیدی | مثال معروف و کاربرد | فرمول کلی |
|---|---|---|---|
| آلکان اشباع |
فقط پیوند یگانه بین اتمهای کربن | متان(CH₄): جز اصلی گاز طبیعی | $C_nH_{2n+2}$ |
| آلکن غیراشباع |
حداقل یک پیوند دوگانه کربن-کربن | اتن (اتیلن)(C₂H₄): ماده اولیه ساخت پلاستیک پلیاتیلن | $C_nH_{2n}$ |
| آلکین غیراشباع |
حداقل یک پیوند سهگانه کربن-کربن | اتین (استیلن)(C₂H₂): گاز مورد استفاده در جوشکاری با شعله دمای بالا | $C_nH_{2n-2}$ |
| هیدروکربن آروماتیک | دارای حلقههای ششضلعی خاص (مانند بنزن) | بنزن(C₆H₆): ماده اولیه در صنایع شیمیایی و ساخت مواد | فرمول کلی ثابتی ندارد |
یک رابطه جالب در هیدروکربنهای زنجیری ساده وجود دارد: هرچه تعداد اتمهای کربن در مولکول بیشتر باشد، نقطه جوش آن بالاتر میرود. به همین دلیل است که متان و پروپان در دمای اتاق گاز هستند (اتم کربن کم)، بنزین مایع است (بین 5 تا 12 اتم کربن) و پارافین شمع جامد است (اتم کربن زیاد).
سفر مولکول نفت: از چاه نفت تا باک خودرو و اسباببازی
نفت خام مخلوطی پیچیده از صدها هیدروکربن مختلف است. برای تبدیل این ماده خام به محصولات مفید، آن را در پالایشگاهها گرم میکنند. بر اساس نقطه جوش متفاوت هر هیدروکربن، آنها از یکدیگر جدا میشوند. به این فرآیند تقطیر جزء به جزء[1] میگویند.
| محصول | تعداد تقریبی اتم کربن | مصارف اصلی |
|---|---|---|
| گازهای سوختی (متان، پروپان) | 1 تا 4 | گرمایش خانهها، پختوپز، ماده اولیه پلاستیک |
| بنزین | 5 تا 12 | سوخت خودروها |
| نفت سفید (کروسین) | 12 تا 16 | سوخت چراغها، سوخت جت |
| روغنهای روانساز (موتور) | 16 تا 20 | روغن موتور ماشین، گریس |
| بقایای سنگین (قیر) | بیش از 20 | آسفالت خیابانها، عایقکاری |
اما هیدروکربنها فقط سوخت نیستند. یکی از شگفتانگیزترین تبدیلهای شیمیایی، ساختن پلاستیک از هیدروکربنهای گازی است. برای مثال، مولکولهای گاز اتن (آلکن) تحت شرایط خاصی به هم متصل میشوند و زنجیرههای بسیار بلندی به نام پلیاتیلن را میسازند. این پلیمر، ماده اولیه ساخت کیسههای پلاستیکی، بطریها و اسباببازیهای پلاستیکی است. بنابراین، از یک گاز ساده، محصولی کاملاً متفاوت و جامد ساخته میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. اگرچه مهمترین کاربرد هیدروکربنها به عنوان سوخت است و آنها در واکنش سوختن با اکسیژن، انرژی (گرما و نور) آزاد میکنند، اما بسیاری از هیدروکربنها به عنوان ماده اولیه برای ساخت محصولات دیگر به کار میروند. مانند اتن که برای ساخت پلاستیک استفاده میشود و هدف از استفاده از آن، سوزاندنش نیست.
خیر. با اینکه منبع اصلی و صنعتی هیدروکربنها امروزه سوختهای فسیلی (نفت، گاز، زغال سنگ) است، اما آنها در طبیعت نیز به طور مستقیم ساخته میشوند. برای مثال، گاز متان در تجزیه مواد آلی در مردابها تولید میشود. همچنین بعضی گیاهان و حتی برخی حشرات ترکیبات هیدروکربنی خاصی تولید میکنند.
این اتفاق به دو خاصیت هیدروکربنها مربوط میشود: اول اینکه چگالی آنها معمولاً از آب کمتر است، پس روی آب شناور میمانند. دوم و مهمتر، اینکه هیدروکربنها غیرقطبی هستند و در آب قطبی حل نمیشوند. بنابراین به جای مخلوط شدن، روی سطح آب پخش میشوند. همین ویژگی، پاکسازی لکههای نفتی را بسیار سخت میکند.
پاورقی
[1]تقطیر جزء به جزء (Fractional Distillation): یک روش جداسازی بر اساس اختلاف نقطه جوش. در پالایشگاه نفت، برج تقطیر وجود دارد که نفت خام در پایین آن گرم میشود. بخارهای حاصل بالا میروند و در سطوح مختلف با دمای متفاوت، هیدروکربنهای با تعداد کربن یکسان، مایع شده و جمعآوری میشوند.
[2]آلکان (Alkane): به هیدروکربنهای اشباعشدهای گفته میشود که در آنها همه پیوندهای بین اتمهای کربن، از نوع یگانه است. به آنها پارافین نیز میگویند.
[3]آلکن (Alkene): به هیدروکربنهای غیراشباعی گفته میشود که حداقل یک پیوند دوگانه بین اتمهای کربن دارند. به آنها اولفین نیز میگویند.
[4]آلکین (Alkyne): به هیدروکربنهای غیراشباعی گفته میشود که حداقل یک پیوند سهگانه بین اتمهای کربن دارند.
[5]آروماتیک (Aromatic): دستهای از هیدروکربنها که ساختاری حلقوی و خاص دارند و سادهترین عضو آنها بنزن است. نام آنها از رایحه (Aroma) برخی از این ترکیبات در گذشته گرفته شده است.
[6]پلیمر (Polymer): مولکول بسیار بزرگی که از اتصال تعداد زیادی مولکول کوچک و یکسان (مونومر) ساخته میشود. پلیاتیلن یک پلیمر است که از اتصال مولکولهای اتن (اتیلن) به وجود میآید.
