درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی
نفت، هدیه‌ای شگفت انگیز
نفت، هدیه‌ای شگفت انگیز
در اواخر سدۀ 18 میلادی شیمی‌دان‌ها با ماده‌ای روبه‌رو شدند که رفتار آن به مواد شناخته شده تا آن زمان شبیه نبود. ماده‌ای که بعدها نفت خام نامیده شد. این ماده یکی از سوخت‌های فسیلی است که به شکل مایع غلیظ سیاه رنگ یا قهوه‌ای متمایل به سبز از دل زمین بیرون کشیده می‌شود (شکل 12).
شیمی‌دان‌ها در آن زمان نمی‌دانستند که در این مخلوط سیاه رنگ چه موادی وجود دارد، این مواد چه خواصی دارند و هنگام انجام آزمایش و بررسی آن، چه اتفاقاتی ممکن است رخ دهد.
دیری نپایید که برخی شیمی‌دان‌ها با بررسی نفت خام، موفق به شناسایی برخی مواد سازندۀ آن، ساختار و رفتار آنها شدند. این ویژگی‌ها و رفتارها، چنان جذاب و غیرمنتظره بود که سبب افزایش چشمگیر پژوهش‌ها در مورد نفت خام در سراسر جهان شد. پژوهش‌هایی که با یافتن کاربردهای جدید و مناسب برای مواد موجود در نفت خام، خبرهای خوشی را نوید می‌داد. حل مشکل حمل و نقل از شهری به شهر دیگر یا از کشوری به کشور دیگر و ساخت داروهای تازه برای درمان بیماری‌های گوناگون از جملۀ آنها بود. بدین ترتیب آن مایع سیاه، نه تنها ترسناک و ناشناخته نماند بلکه به کیمیایی شگفت‌انگیز تبدیل شد. کیمیایی که از دل زمین بیرون کشیده می‌شد و به دلیل رفتارهایش، نظر همۀ جهانیان را به خود جلب کرد. امروزه این هدیۀ زمینی ارزشمند را طلای سیاه می‌نامند.
امروزه نفت خام در دنیای کنونی دو نقش اساسی ایفا می‌کند. نقش نخست آن، منبع تأمین انرژی بوده و در نقش دوم، مادۀ اولیه برای تهیۀ بسیاری از مواد و کالاهایی است که در صنایع گوناگون از آنها استفاده می‌شود (شکل 13).
- حدود نیمی از نفتی که از چاه‌های نفت بیرون کشیده می‌شود به عنوان سوخت در وسایل نقلیه استفاده می‌شود.
- بخش اعظم نیم دیگر آن برای تأمین گرما و انرژی الکتریکی مورد نیاز ما به کار می‌رود.
- کمتر از ده درصد از نفت خام مصرفی در دنیا برای تولید الیاف و پارچه، شوینده‌ها، مواد آرایشی و بهداشتی، رنگ، پلاستیک، مواد منفجره و لاستیک به کار می‌رود.
- روزانه بیش از 80 میلیون بشکه نفت خام در دنیا به شکل‌های گوناگون مصرف می‌شود.
پژوهش‌ها و یافته‌های تجربی نشان می‌د‌هد که نفت خام، مخلوطی از هزاران ترکیب شیمیایی است که بخش عمدۀ آن را هیدروکربن‌های گوناگون تشکیل می‌دهند. ترکیب‌ها‌یی که شامل هیدروژن و کربن هستند. از آنجا که عنصر اصلی سازندۀ نفت خام کربن است، برای پی بردن به ویژگی‌ها و خواص مواد سازندۀ نفت خام، نخست باید با رفتارها و ویژگی‌های اتم کربن آشنا شد.
کربن، اساس استخوان‌بندی هیدروکربن‌ها
عنصر کربن در خانۀ شمارۀ 6 جدول دوره‌ا‌ی جای داشته و اتم آن در لایۀ ظرفیت خود چهار الکترون دارد. این اتم رفتارهای منحصر به فردی دارد که آن را از اتم دیگر عنصرهای جدول متمایز می‌سازد. به طوری که ترکیب‌ها‌ی شناخته شده از اتم کربن، از مجموع ترکیب‌ها‌ی شناخته شده از دیگر عنصرهای جدول دوره‌ا‌ی بیشتر است. دلیل این رفتار ویژه چیست؟
خود را بیازمایید (صفحهٔ 31 کتاب درسی)
الف) آرایش الکترونی اتم کربن را بنویسید.
$_{6}C:1{{S}^{2}}/2{{S}^{2}}2{{P}^{2}}\begin{matrix}
{} & {} & OR\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix} \\
\end{matrix}\left[ He \right]2{{S}^{2}}2{{P}^{2}}$
ب) آرایش الکترون نقطه‌ای اتم کربن را رسم کنید.
کربن در لایه ظرفیت خود دارای 4 الکترون است، بنابراین: 
پ) اتم کربن برای رسیدن به آرایش هشت‌تایی چند پیوند اشتراکی یگانه، دوگانه یا سه گانه می‌تواند تشکیل دهد؟
حالات مختلف به منظور رسیدن به 8 تایی پایدار:
1) چهار پیوند یگانه: 
2) دو پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه: 
3) دو پیوند دوگانه: $=C=$
4) یک پیوند سه گانه و یک پیوند یگانه: $-C=$
دیدید که اتم کربن می‌تواند الکترو‌ن‌هایش را با اتم‌های دیگر به اشتراک بگذارد و با رسیدن به آرایش هشت‌تایی، پایدار شود (شکل 14).
این رفتار کربن مشابه رفتار دیگر نافلزها (نیتروژن، فسفر، گوگرد و...) است. برای مثال اتم نیتروژن ${{(}_{7}}N)$ سه پیوند اشتراکی تشکیل می‌د‌هد تا به آرایش هشت‌تایی برسد. اما تعداد ترکیب‌ها‌ی شناخته شده از آن محدود است. اینک می‌پرسید چه چیزی سبب شده است تا اتم‌های کربن بتوانند میلیون‌ها ترکیب تشکیل دهند؟
اتم کربن افزون بر تشکیل پیوند اشتراکی یگانه، توانایی تشکیل پیوندهای اشتراکی دوگانه و سه گانه را با خود و برخی اتم‌های دیگر دارد (شکل 15).
کربن همچنین توانایی تشکیل زنجیر و حلقه‌های کربنی را دارد، به دیگر سخن اتم‌های کربن می‌توانند با پیوند اشتراکی به یکدیگر متصل شوند و زنجیرها و حلقه‌هایی در اندازه‌های گوناگون بسازند (شکل 16).
نفت خام مخلوطی شامل شمار زیادی از انواع هیدروکربن‌هااست (شکل 17). در این شکل پنج نوع از هیدروکربن‌ها نشان داده شده است. در برخی از آنها، بین اتم‌های کربن فقط پیوندهای یگانه وجود دارد، درحالی که برخی دیگر دارای یک پیوند سه گانه یا دارای یک یا چند پیوند دوگانه هستند. با توجه به ساختار متفاوت این هیدروکربن‌ها انتظار می‌رود که رفتار آنها نیز با هم تفاوت داشته باشد. در ادامه این فصل با بررسی ساختار و رفتار برخی هیدروکربن‌ها بیشتر آشنا می‌شوید.
البته اتم کربن می‌تواند با اتم عنصرهای هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و... به شیوه‌های گوناگون متصل شده و مولکول شمار زیادی از مواد مانند کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها، آمینواسیدها، آنزیم‌ها، پروتئین‌ها و... را بسازد. این ویژگی‌های کربن سبب شده تا از این عنصر ترکیب‌ها‌ی گوناگون و بسیار زیادی پدید آید. افزون بر این، اتم‌های کربن می‌توانند با یکدیگر به روش‌های گوناگون متصل شده و دگر شکل‌های متفاوتی مانند گرافیت، الماس و... ایجاد کنند. با این دگر شکل‌ها که ساختارها و خواص متفاوتی دارند، در سال آینده آشنا می‌شوید.