همه چیز درباره ی هیدروکربن ها

آلکانها

بعضی از ترکیبهای آلی ، فقط شامل دو عنصر هیدروژن و کربن می‌باشند و در نتیجه آنها را هیدروکربنمی‌نامند. با تکیه بر ساختار ، هیدروکربنها را به دو گروه و طبقه اصلی یعنی آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می‌کنند. هیدروکربنهای آلیفاتیک خود به چند خانواده: آلکانها ، آکینها و همانندهای حلقوی آنها (سیکلوآلکانها و…) تقسیم می‌شوند.

متان ، ساده ترین عضو خانواده آلکانها

متان ، CH₄ ، ساده ترین عضو خانواده آلکانها و همچنین یکی از ساده ترین ترکیبهای آلی است.

ساختار متان

  هر یک از چهار اتم هیدروژن بوسیله پیوند کووالانسی ، یعنی با یک جفت الکترون اشتراکی به اتم کربن متصل شده است. وقتی کربن به چهار اتم دیگر متصل باشد، اوربیتالهای پیوندی آن (اوربیتالهای sp³ که از اختلاط یک اوربیتال s و سه اوربیتال p تشکیل شده‌اند) ، به سوی گوشه‌های چهار وجهی جهت گیری کرده‌اند.
این آرایش چهار وجهی ، آرایشی است که به اوربیتالها اجازه می‌دهد تا سر حد امکان از یکدیگر فاصله بگیرند. برای اینکه همپوشانی این اوربیتالها با اوربیتال کروی اتم هیدروژن به گونه ای موثر صورت پذیرد و در نتیجه ، پیوند محکم‌تری تشکیل شود، هر هسته هیدروژن باید در یک گوشه این چهار وجهی قرار بگیرد.

ساختار چهار وجهی متان بوسیله پراش الکترونی که آرایش اتمها را در این نوع مولکولهای ساده به روشنی نشان می‌دهد، تایید شده است. بعد شواهدی که شیمیدانها را خیلی پیش از پیدایش مکانیک کوانتومیREDIRECT (نام صفحه) یا پراش الکترونی d ، به پذیرش این ساختار چهار وجهی رهنمون شد، بررسی خواهیم کرد.
ما به طور معمول ، متان را با یک خط کوتاه برای نمایش هر جفت الکترون مشترک بین کربن و هیدروژن نشان خواهیم داد. برای آنکه توجه خود را بر روی الکترونها بطور انفرادی متمرکز کنیم، گاهی ممکن است یک جفت الکترون را بوسیله یک جفت نقطه نشان دهیم. سرانجام ، وقتی بخواهیم شکل واقعی مولکول را نمایش دهیم، از فرمولهای سه بعدی استفاده می‌کنیم.

خواص فیزیکی آلکانها

واحد ساختار این ترکیب غیر یونی ، مولکول است، چه جامد باشد، چه مایع و چه گاز. به علت اینکه مولکول متان بسیار متقارن است، قطبیتهای انفرادی پیوندهای کربن – هیدروژن ، یکدیگر را خنثی می‌کنند، در نتیجه کل مولکول غیر قطبی است. نیروهای جاذبه موجود میان این مولکولها غیر قطبی، به نیروهای واندروالسی محدود می‌شوند؛
این نیروهای جاذبه ، در مورد این مولکولهای کوچک ، باید در مقایه با نیروهای قدرتمند موجود بین مثلا یونهای سدیم و کلرید ضعیف باشند. بنابراین ، از اینکه به آسانی می‌توان بوسیله انرژی گرمایی ، بر این نیروهای جاذبه فایق آمد، بطوری‌که ذوب شدن و جوشیدن در دمای پایین صورت بگیرد، تعجب نخواهیم کرد: دمای ذوب در 183- درجه سانتی‌گراد و دمای جوش در 161,5- درجه سانتی‌گراد قرار دارد. (این مقادیر را با مقادیر مربوط در مورد سدیم کلرید: یعنی دمای ذوب 801 درجه سانتی‌گراد و دمای جوش 1413درجه سانتی‌گراد مقایسه کنید.) در نتیجه ، متان در دماهای معمولی یک گاز است.

متان ، بی‌رنگ است و وقتی مایع شود، سبکتر از آب است (چگالی نسبی آن 0,4 است). موافق با قاعده تجربی که می‌گوید: «هم‌جنس در هم‌جنس حل می‌شود» ، متان فقط کمی در آب انحلال پذیر است، ولی در مایعات آلی مانند بنزین ، اتر و الکل بسیار حل می‌شود. از نظر خواص فیزیکی ، متان الگویی برای سایر اعضا خانواده آلکانهاست.

منبع متان

متان ، فرآورده پایانی تجزیه غیر هوازی (بدون هوا) گیاهان ، یعنی شکستن بعضی از مولکولهای بسیار پیچیده است. همچنین یکی از اجزاء اصلی (بیش از 97%) گاز طبیعی است. متان همان گاز قابل احتراق و منفجر شونده معادن زغال سنگ است و می‌توان خروج حبابهای آن را به عنوان گاز مرداب در سطح مردابها مشاهده کرد. اگر متان بسیار خالص لازم داشته باشیم، می‌توان آن را بوسیله تقطیر جزء به جزء از سایر اجزاء تشکیل دهنده گاز طبیعی (که بیشتر آلکانها هستند) جدا کرد.
البته بیشتر گاز طبیعی ، بدون خالص سازی ، به عنوان سوخت مصرف می‌شود.

ساختار اتان

از نظر اندازه C₂H₆ بعد از متان قرار می‌گیرد. اگر اتمهای این مولکول را با رعایت قاعده ای که می‌گوید برای هیدروژن یک پیوند (یک جفت الکترون) و برای کربن ، چهار پیوند (چهاز جفت الکترون) ، بوسیله پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل کنیم، به ساختار زیر دست می‌یابیم CH₃-CH₃.

هر کربن به سه هیدروژن و یک کربن دیگر متصل است و چون هر اتم به چهار اتم دیگر متصل است، اوربیتالهای پیوندی ان (اوربیتالهای sp³) بهسوی گوشه‌های چهار وجهی جهت گرفته‌اند. در اینجا نیز مانند مورد متان ، پیوندهای کربن- هیدروژن از همپوشانی این اوربیتالهای sp³ با اوربیتالهای s هیدروژنها بوجود آمده‌اند. پیوند کربن- کربن از همپوشانی دو اوربیتال sp₃ نتیجه شده است.

توزیع الکترونها در پیوندهای کربن- هیدروژن و کربن- کربن بطور کلی یکسان است، یعنی در حول خط متصل‌کننده هسته‌ها به هم ، حالتی استوانه‌ای و متقارن دارد: این پیوندها را به علت شکل مشابهی که دارند، پیوند σ پیوند سیگمامینامند
بنابراین ، زوایای پیوندی و طول پیوندهای کربن- هیدروژن باید خیلی شبیه به متان ، یعنی به ترتیب در حدود 109,5درجه و 1,1 آنگستروم باشند.

پراش الکترونی و بررسی‌های طیف‌بینی از هر نظر این ساختار را تایید کرده و برای مولکول اتان این اندازه‌ها را بدست داده‌اند. زوایای پیوندی 109,5 ، طول 1,1 برای C-H ، طول 1,53 برای C-C . بررسیهای مشابه نشان داده‌اند که این مقادیر ، با کمی انحراف ، از ویژگیهلی اختصاصی پیوندهای کربن- هیدروژن و کربن- کربن و زوایای پیوندی در آلکانها بشمار می‌روند.

خواص فیزیکی متان

خواص فیزیکی آلکانها از همان الگوی خواص فیزیکی متان پیروی می‌کند و با ساختار آلکانها سازگار است. یک مولکول آلکان فقط بوسیله پیوندهای کووالانسی برپا نگه داشته شده است. این پیوندها یا دو اتم از یک نوع را بهم متصل می‌کنند و در نتیجه ، غیر قطبی‌اند، یا دو اتم را که تفاوت الکترونگاتیوی آنها بسیار کم است، به یکدیگر ربط می‌دهند و در نتیجه قطبیت آنها کم است. به علاوه ، این پیوندها به طریقی بسیار متقارن جهت گرفته‌اند، بطوری که این قطبیهای پیوندی نیز یکدیگر را خنثی می‌کنند.
در نتیجه یک مولکول آلکان یا غیر قطبی است یا قطبیت بسیار ضعیفی دارد. نیروهایی که مولکولهای غیر قطبی را گرد هم نگه می‌دارند (نیروهای واندروالسی) ضعیف هستند و گستره بسیار محدودی دارند. این نیروها فقط بین بخشهایی از مولکولهای مختلف که با یکدیگر در تماس نزدیک باشند، یعنی بین سطوح مولکولها ، عمل می‌کنند. بنابراین در یک خانوده معین ، انتظار داریم که هر اندازه مولکول بزرگتر باشد و در نتیجه سطح تماس آنها بیشتر باشد، نیروهای بین مولکولی نیز قوی‌تر باشند.
دمای جوش و ذوب با افزایش شمار اتمهای کربن ، زیاد می‌شود. فرایند جوشیدن و ذوب شدن ، مستلزم فایق آمدن بر نیروهای بین مولکولی در یک مایع و یک جامد است. دمای جوش و دمای ذوب بالا می‌رود، زیرا این نیروهای بین مولکولی با بزرگ شدن مولکولها افزایش می‌یابند.

منبع صنعتی آلکانها

منبع صنعتی آلکانها ، نفت و گاز طبیعی همراه آن است. ترکیبهای آلی پیچیده که روزگاری سیستمهای زنده گیاهان و جانوران را تشکیل می‌دادند، در اثر فضارهای زمین شناختی ، طی میلیونها سال ، به مخلوطی از آلکانها که از نظر اندازه ، شامل یک کربن تا 30 تا 40 کربن هستند، تبدیل شده‌اند. سیکلوآلکانها نیز که در صنعت نفت به نفتنها شهرت دارند و به ویژه در نفت کالیفرنیا فراوان یافت می‌شوند، همراه با آلکانها بوجود آمده‌اند.

سوخت فسیلی دیگر ، یعنی زغال سنگ ، منبع بالقوه دیگر آلکانهاست. روشهایی برای تبدیل زغال سنگ از راه هیدروژن دار کردن به بنزین و سوخت کوره و همچنین تبدیل به گاز سنتز به منظور جبران کمبود گاز طبیعی ابداع شده است.

آلکنها

آلکنها ، دسته بزرگی از هیدروکربنها را شامل می شوند که به هیدروکربنهای غیر اشباع (unsaturated) موسومند. تعداد هیدروژنهای این ترکیبات ، کمتر از آلکنهای هم کربن است. آلکنها ممکن است یک یا چند پیوند دوگانه مجزا و دور از هم و یا مزدوج داشته باشند.

ساختمان پیوند دوگانه کربن- کربن در آلکنها

اتیلن

اتیلن کوچکترین عضو خانوده آلکنها و به فرمول C₂H₄ می‌باشد که دو اتم هیدروژن کمتر از آلکان هم‌کربن (اتان) دارد. ما در اینجا به بررسی ساختمان اتیلن می‌پردازیم تا با ساختار ترکیبات اشباع نشده آشنا شویم. بررسی ساختمان اتیلن به طریق کوانتوم مکانیکی نشان داده است که کربن ، برای اینکه در ساختمان اتیلن شرکت نماید، لازم است که با استفاده از اوربیتالهای 2s و دو اوربیتال 2p خود ، سهاوربیتال هیبریدی یکسان بوجود آورد که این اوربیتالهای هیبریدی ، در یک سطح قرار می‌گیرند، بنحوی که اتم کربن ، در مرکز یک مثلث قرار گرفته و زوایای بین اوربیتالهای هیبریدی ، 120 درجه تخمین زده شده است.

هرگاه ما چهار اتم هیدروژن و دو اتم کربن sp² را کنار هم مرتب کنیم، شکلی ایجاد می‌شود که در آن ، هر اتم کربن در سه پیوند σ (سیگما) شرکت دارد. برای رسیدن به کربن به حالت اکتت ، لازم است که سومین اوربیتال 2p اتمهای کربن همپوشانی کرده ، پیوند ایجاد کنند. این پیوند که از همپوشانی اوربیتالهای p کربن ایجاد می‌شود، از نظر شکل و انرژی ، با پیوند σ متفاوت می‌باشد و به پیوند π موسوم است که از دو قسمت تشکیل شده است.

یک ابرالکترونی در بالای سطح مولکول و ابر الکترونی دیگر ، در پایین سطح قرار می‌گیرد. وقتی این ساختمان می‌تواند انجام شود که تمام اتمهای شرکت کننده در ساختمان اتیلن در یک سطح قرار گیرند. پس مولکول اتیلن لازم است یک مولکول مسطح باشد. مسطح بودن مولکول اتیلن بوسیله روشهای طیف سنجی و پراش الکترونی مورد تایید قرار گرفته است.

پروپن

پروپن به فرمول C₃H₆ ، CH₃-CH=CH₂ ، دومین عضو خانواده آلکنها می‌باشد که سه اتم کربن با 6 اتم هیدروژن به هم متصل شده‌اند.

بوتن

بوتن به فرمول C₄H₈ عضو بعدی این خانوده است که برای آن ، چند نوع آرایش می‌توان در نظر گرفت که در آنها ، چهار اتم کربن با هشت اتم هیدروژن طوری قرار بگیرند که قانون اکتت رعایت شده باشد. بوتن به ظاهر دارای سه ایزومر می‌باشد، ولی مطالعات تجربی نشان داده است که برای آلکنی به فرمول C₄H₈چهار ساختمان فیزیکی کاملا متفاوت وجود دارد.

 روش آیوپاک برای نامگذاری آلکنها

در روش آیوپاک ، نامگذاری آلکنها با رعایت نکات زیر انجام می‌شود:

1.  بلندترین زنجیری را که پیوند دوگانه کربن- کربن در آن قرار گرفته باشد، انتخاب می‌کنیم.

2.  زنجیر اصلی را به نحوی شماره گذاری می‌کنیم که اولین کربن روی پیوند دوگانه ، کوچکترین شماره را به خود بگیرد. (این روش تنها در مورد مشتقات کربن و هیدروژن صادق است. در نامگذاری الکل های اتیلنی و اسیدها و استرهای اتیلنی و برخی مشتقات دیگر ، اولویت با عوامل الکل ، اسید و استر می‌باشد.)

3.  شماره کربنهایی را که استخلافها در روی آنها قرار گرفته‌اند، مشخص می‌کنیم.

4.  اگر قرار باشد ایزومرهای هندسی ماده مشخص گردد، در اول نام ماده از پیشوند cis و trans یا E و Z استفاده می‌کنیم.

خواص فیزیکی آلکنها

بطور کلی ، خواص فیزیکی آلکنها مشابه آلکانهاست. آلکنها در حلالهای غیرقطبی مانند اتر ، کلروفرم و دی‌کلرو متان محلول ولی در آب نامحلول می‌باشند و سبکتر از آب نیز می‌باشند. نقطه جوش آلکنها با افزایش تعداد کربنها افزایش می‌یابد. بجز آلکنهای کوچک ، نقطه جوش آلکنها به ازای افزایش یک اتم کربن بین 20 تا 30 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. همانند آلکانها ، شاخه‌دار شدن آلکنها موجب کاهش نقطه جوش می‌شود.

آلکنها اندکی قطبی‌تر از آلکانها هستند این قطبیت اندک در اثر خصلت الکترون دهی و الکترون گیری گروهها ایجاد می‌گردد. وقتی روی آلکنها ، گروههای القایی با قدرت بیشتر قرار می‌گیرد، ممان دو قطبی اندکی افزایش می‌یابد.

تهیه آلکنها

از طریق هیدروهالوژن زدایی از هالیدهای آلکیل

هیدروهالوژن زدایی ، واکنشی است که طی آن ، از یک مولکول هالید آلکیل یک مولکول هالید هیدروژن (یک اتم هیدروژن از یک کربن و یک اتم هالوژن از کربن مجاور) برداشته می‌شود. این واکنش بسته به ساختمان و شرایط محلول می‌تواند از طریق دو مکانیسم متفاوت E₂ و E₁ انجام بگیرد.

تهیه آلکنها از طریق هالوژن ردایی از α- دی بروموآلکان

اگر دو اتم هالوژن در روی یک اتم کربن قرار گرفته باشند، ماده را دی‌هالوژنه دوقلو geminal می‌نامند و اگر دو هالوژن در روی دو اتم کربن مجاور قرار گرفته باشند، vicinal خوانده می‌شود. از واکنش مشتقات α- دی برومو با پودر روی در اسید استیک و طی یک واکنش هالوژن زدایی ، آلکن مربوطه تولید می‌شود. در این واکنش ، هر دو اتم برم آزاد می‌شود و آلکن تشکیل می‌گردد. روی در اسید استیک نقش احیا کننده را بازی می‌کند. روی اکسید می‌شود و هالید الکیل احیا می‌شود.

تهیه آلکنها از طریق آبگیری از الکلها

یکی از بهترین روشهای تهیه آلکنها ، آبگیری از الکلهاست. واکنش آبگیری از الکل در حضور کاتالیزورهای اسیدی ، معمولا برگشت پذیر بوده ، سرعت کمتری دارد. لذا جهت جلوگیری از واکنش برگشتی و برای تکمیل واکنش ، آلکن تولید شده را از محیط واکنش خارج می‌کنند. با توجه به این که نقطه جوش آلکنها ، پایین‌تر از نقطه جوش الکلهای مربوطه می‌باشد، لذا این عمل بسهولت انجام می‌گیرد. در واکنشهای آبگیری از الکلها ، معمولا از اسید سولفوریک یا اسید فسفریک غلیظ استفاده می‌شود.

واکنشهای شیمیایی آلکنها

اگر بخواهیم واکنشهای شیمیایی آلکنها را پیش‌بینی نماییم، لازم است ابتدا فعالیت پیوند π در آلکنها را مورد مطالعه قرار دهیم و تاثیر پیوند دوگانه روی گروههای آلکیل مجاور و برعکس را خوب بدانیم. با مطالعه واکنشهای اختصاصی پیوند دوگانه ، قادر خواهیم بود تا واکنشهای اختصاصی خیلی از آلکنها و واکنشگرهای دیگر را پیش‌بینی نماییم.

بطور کلی دو نوع واکنش در روی آلکنها انجام پذیر می‌باشد. دسته اول آنهایی هستند که در روی پیوند π انجام می‌گیرند و لذا پیوند π از بین می‌رود و پیوندهای جدید تشکیل می‌گردد. واکنشهای دسته دوم ، واکنشهایی هستند که در محلولهای دیگری که ارتباط خاصی با پیوند دوگانه دارند، اتفاق می‌افتند. مثل گروههای آلکیل و یا عوامل دیگری که به کربنهای sp² متصل می‌باشند.

آلکینها

هرگاه ترکیب آلی حاوی پیوند سه گانه کربن به کربن باشد، آلکین نامیده می‌شود. استیلن با فرمول C₂H₂کوچکترین عضو این خانوده می‌باشد و به همین دلیل آلکینها را ترکیبات استیلنی یا استیلن‌های استخلاف‌دار می‌گویند. همانطوریکه ساختمان استیلن نشان می‌دهد، برای این که دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن بهم وصل شوند و مولکول کاملی را تولید نماید، لازم است که کربن‌ها با هیبرید sp و از طریق پیوند سه‌گانه (یک پیوند سیگما و دو تا پیوند پی) به یکدیگر وصل شوند.

تقسیم بندی استیلن‌ها

استیلن‌های حقیقی یا انتهایی (terminal acetylenes)

به ترکیباتی از این گروه اطلاق می‌شود که حداقل یک اتم هیدروژن متصل به کربن sp در آنها وجود داشته باشد. مثلا پروپن (متیل استیلن) یک استیلن حقیقی است. به همین ترتیب ، فنیل استیلن و ترسیوبوتیل استیلن از استیلن‌های حقیقی می‌باشند.

استیلن‌های داخلی (internal acetylenes)

هرگاه پیوند سه گانه کربن به کربن درجایی از مولکول قرار گرفته باشد که کربنهای با هیبرید sp به استخلاف متصل باشند، استیلنی را داخلی می‌نامند، مثل دی‌متیل استیلن ، دی‌فنیل استیلن و دی‌ترسیوبوتیل استیلن.

نامگذاری آلکینها

آلکینها با چند روش نامگذاری می‌شوند:

نامگذاری معمولی

در نامگذاری معمولی ، آلکینها به عنوان مشتقات استیلنی نامگذاری می‌شوند. معمولا برای نامگذاری استیلن‌های کوچک از این روش استفاده می‌شود. روش جامع برای نامگذاری آلکین‌ها روش (IUPAC) است و اصول آن ، مشابه نامگذاری آلکنهاست و با رعایت نکات زیر انجام می‌شود:

1.  طولانی ترین زنجیری را که پیوند سه گانه در آن قرار دارد، مشخص و کربنهای زنجیر اصلی را از طرفی شماره گذاری می‌کنیم که اولین کربن پیوند سه‌گانه شماره کوچکتری را داشته باشد.

2.  نام گروهها و شماره کربن محل آنها را معین و به ترتیب الفبای انگلیسی مرتب می‌کنیم.

3.  با ذکر شماره کربن محل پیوند سه‌گانه و تغییر نام آخر زنجیر از ane به yne نامگذاری به پایان می‌رسد.

ساختمان استیلن

اتین یا استیلن ، کوچکترین عضو خانوده بزرگ آلکینها (استیلنی‌ها) می‌باشد. به طریق کوانتوم مکانیکی ، اگر بخواهیم با دو اتم هیدروژن ، مولکولی را ایجاد کنیم، لازم است کربن‌ها با یک پیوند سه‌گانه به یکدیگر متصل شوند. برای ایجاد مولکولی اتمهای کربن باید هیبرید sp داشته باشند. یکی از این اوربیتالهای هیبریدی به کربن و دیگری به هیدروژن متصل و اوربیتالهای p_y و P_z نیز دو پیوند π را ایجاد می‌کنند.

با شناختی که از دو پیوند دوگانه کربن به کربن و کربن به هیدروژن آلکنها داریم، انتظار می‌رود که طول پیوند سه گانه کربن- کربن و کربن- هیدروژن در استیلنی‌ها کوتاهتر باشد. طول پیوند سه گانه کربن- کربن 1,20 آنگستروم و کربن- هیدروژن 1,60 آنگستروم اندازه گیری شده است.

خواص فیزیکی آلکینها

خواص فیزیکی آلکینها ، مشابه آلکنهای هم کربن است. آلکینها ، ترکیباتی با قطبیت کمتر می‌باشند که در حلالهای با قطبیت کمتر مثل تتراکلرید کربن ، بنزن و اترها بخوبی حل می‌شوند، ولی در آب نامحلولند. همانند سایر هیدروکربنها سبکتر از آب هستند. بررسی و مقایسه نقطه ذوب و جوش این مواد نشان می‌دهد که با افزایش تعداد کربن نقطه جوش افزایش می‌یابد و با شاخه‌دار شدن کاهش می‌یابد.

روشهای آزمایشگاهی تهیه آلکینها

دو روش کلی برای تهیه آلکینها وجود دارد:

1.  تبدیل یک آلکین به آلکینهای دیگر است که با تغییر و بزرگ کردن آلکینهای کوچک امکان‌پذیر می‌باشد.

2.  ایجاد پیوند سه گانه کربن- کربن در مولکول می‌باشد که با انجام واکنشهای شیمیایی مناسب انجام پذیر می‌باشد.

روشهای صنعتی تهیه استیلن

استیلن ، کوچکترین عضو خانوده استیلنی‌هاست و در صنعت از اهمیت ویژه‌ ای برخوردار است. به عنوان ماده اولیه و پیش ماده در سنتز و تهیه مواد شیمیایی مختلف مورد نیاز می‌باشد. از این رو ، روشهای صنعتی زیادی برای تولید انبوه این ماده ابداع شده است

• کاربید کلسیم از واکنش آهک و زغال کک و در دمای بالا (با استفاده از کوره های الکتریکی) تهیه می‌شود. حسن این ماده در این است که قابل نگهداری و به سهولت قابل حمل می‌باشد و لذا در هر جا و مکانی تهیه استیلن امکان‌پذیر می‌باشد.  

CaO + 3C → C₂Ca + H₂O → H-C≡C-H                

• از اکسید شدن جزئی و محدود متان در دمای بالا نیز استیلن در اشل صنعتی تولید می‌شود. با این روش صنعتی ، ضمن این که استیلن سنتز می‌شود، گازهای با ارزش هیدروژن و منوکسید کربن نیز تولید می‌شود که اهمیت سنتزی فراوان دارد (به عنوان مثال در سنتز متانول مورد استفاده قرار می‌گیرند).

6CH₄ + O₂ → 2CO + 10H₂ + 2H-C≡C-H                 

• از اکسید شدن متان در دمای حدود 1500 درجه سانتی‌گراد و در مدت زمان بسیار کوتاه 0.1 ثانیه نیز استیلن و هیدرژن تولید می‌گردد.

2CH₄ → H-C≡C-H + 3H₂                                    

کاربرد هیدرو کربن ها در زندگی

پس از آب ، نفت فراوان ترین مایع در بخش های بالایی پوسته زمین است . نفت یک منبع غنی از مواد شیمیایی است . حدود 87% هر بشکه نفت برای سوزاندن و 13% برای ساخت بکار می رود . بی توجهی در مصرف نفت باعث ورود مقادیر زیادی Co₂  در هوا و آلودگی هوا می شود .

 به زغال سنگ ، نفت خام و گاز طبیعی ، سوخت های فسیلی می گویند . سوخت های فسیلی منابعی تجدید ناپذیرند زیرا تشکیل آنها بسیار آهسته است و سرانجام روزی تمام خواهد شد .

  پالایش نفت خام

نفتی که از چاه بیرون آورده می شود نفت خام نام دارد . پس از جداکردن نمک ها و اسید ها ،هیدروکربن های باقی مانده را پالایش می کنند . عمل پالایش با تقطیر جزء به جزء نفت خام انجام می شود . در آغاز نفت خام را در کوره تا Cْ 400 گرم می کنند سپس آن را با پمپ به پائین برج تقطیر که بیش از 30 متر ارتفاع دارد می فرستند . مولکول های کوچکتر و سبکتر و زود جوش تر به سوی بالا ستون تقطیر می روند و مولکول ها یسنگین تر و دیر جوش تر به سمت پائین برج می روند

برش گازی نفت شامل ترکیبهایی با نقطه جوش پائین است . مولکول های این گازها از ۱ تا ۴ اتم کربن دارند . برش های مایع نفت که شامل بنزین ، نفت و روغن های سنگین تر هستند شامل مولکول های ۵ تا 20 کربن هستند . برش جامد و روغنی که حتی در دماهای بالا بخار نمی شوند مولکول هایی با بیش از 20 اتم کربن هستند.

سوختن هیدروکربن ها

انرژی نورانی و گرمایی + آب + گازکربن دی اکسید = گاز اکسیژن + هیدروژن

معادله بالا ، سوختن کامل یک هیدروکربن را نشان می دهد . انرژی آزاد شده را می توان بر حسب KG/mol بیان کرد .

 اگر مقدار اکسیژن کافی نباشد ، سوختن ناقص خواهد بود .

در سوختن ناقص ، افزون بر کربن د یاکسید آب ، مقداری کربن مونوکسید (Co) نیز تشکیل می شود و در صورتی که اکسیژن باز هم کمتر شود ، مقداری دوده به عنوان فرآورده های مرغی تولید می شود .

 بهبود کیفیت سوخت

در سال ۱۹۱۳ ، شیمیدان ها فرآیند کراکینگ را برای شکستن مولکول های نفت چراغ به مولکول های کوچک تر طراح یمی کردند . در این فرآیند ، نفت چراغ تا حدود Cْ 700 گرم می شود . برا ینمونه ممکن است یک مولکول با 16 اتم کربن شکسته شود و دو مولکول  با ۸ اتم کربن به وجود آید . در عمل می توان مولکول هایی را که از ۱ تا 14 یا تعداد بیش تری اتم کربن دارند ، از راه کراکینگ مولکول های بزرگ تر بدست آورد . مولکول های ۵ تا ۱۲ کربنه برای استفاده در بنزین سودمند هستند . به طور معمول بیش از یک سوم نفت خام کراکینگ می شود . بازده این فرآیند را با افزودن کاتالیز گرمای مناسب مانند آلومینیوم اکسید (AL₂O₃ ) بالا برده اند . فرایند کراکینگ کاتالیزی از نظر مصرف انرژی کارایی بهتری دارد زیرا به جای Cْ700 رد دمای Cْ 500 انجام می شود .

عدد اوکتان و روش های بالا بردن آن

بنزینی که بیشتر از آلکان های راست زنجیر مانند هگزان ، هپتان ، و اوکتان تشکیل شده است ، به آسانی می سوزد و موجب کوبش (تق تق کردن ) موتور می شود .

آلکانهای شاخ دار در موتور خودروها بهتر از آلکان های راست زنجیر می شوند . مثلاً ایزواوکتان که یکی از همپارهای اوکتان است . بسیار خوش سوز می باشد .

عدد اوکتان ، عددی برای بیان کردن میزان خوش سوزی یک هیدروکربن است .هرچی عدد اوکتان بزرگتر باشد خواص ضد کوبش بنزین بیشتر است و بنزین مرغوب تر است . یک راه نسبتاً ارزان برای بالا بردن عدد اوکتان افزودن تترا اتیل سرب pb  ₄(C₂H₅) به بنزین است .

فرآورده های پتروشیمیایی

امروزه بسیاری از اشیاء و مواد متداول ساختنی هستند که به وسیله صنایع شیمیایی از نفت یا گاز طبیعی به دست می آیند . این ترکیب ها را فرآورده های پتروشیمیایی می نامند .برخی از این مواد مثل پاک کننده ، حشره کش ها و مواد دارویی و آرایشی به طور مستقیم استفاده می شوند و ل یبیشتر این مواد به عنوان ماده اولیه در تولید ترکیب های دیگر به ویژه پلاستیک ها بکار می روند .

کاربرد اتن در پتروشیمی

یکی از آلکن های مهم صنعتی اتن است . واکنش پذیری پیوند ده گانه در اتن بسیار زیاد است . از این رو به آسانی می توان آن را به بسیاری از فرآورده ها یسودمند تبدیل کرد . برای مثل وقتی که یک مولکول آب با پیوند دوگانه ی یک مولکول اتن واکنش می دهد اتانول که یک ترکیب سیرشده است و کاربردهای بسیار زیادی دارد تشکیل می شود .

اتانول (اتین الکل )آباتن (اتیلن )

همچنین از اتن برای تهیه پلاستیک ، پل یتن (پلی اتیلن ) استفاده می شود که از آن در ساخت کیسه های پلاستیکی و ورقه ها یبسته بندی استفاده می کنند .

پلی تن یکی از بسپارهای (پلیمرهای ) مهم صنعتی است

هیدروکربنهای هالوژن دار

     هیدروکربنهای دارای کلرفلوئر برم و ید(هالوژنها) باهیدروکربنهای نفتی تفاوت دارند چراکه اکثر انها براحتی طی اکسیداسیون شیمیایی یا فعالیت باکتریایی تجزیه نمی گردند.مشابه فلزات الاینده های پایدار بوده واضافات دائمی در محیط زیست دریایی هستند.برخلاف فلزات بیشتر انها ساخته دست انسان بوده وبصودژرت طبیعی وجود ندارندو درضمن در رسوبات وبدن جانوران مجتمع میشوند.اکثریت بزرگی از انها حاوی کلر هستند وتحت عنوان هیدروکربنهای کلردارشناخته می شوند.

  ترکیبات باوزن مولکولی کم

    هیدروکربنهای هالوژن دار شامل محدوده وسیعی از ترکیبات هستند.هیدروکربنهای با وزن مولکولی کم خصوصتا متان توسط جلبکهای دریایی واحتمالا بوسیله تعداد کمی از بیمهرگان ساخته شده و معمولا حاوی کار برم یا ندرتا ید می باشند.بنابراین شاید افزایش غلظت این ترکیبات ناشی از منابع طبیعی و نه نتیجه فعالیتهای انسانی باشد.

     حتی هیدرو کربنهای هالوژن دار فرار با وزن مولکولی کم درمقادیر بسیار زیاد ساخته شده و تقریبا تمامی این تولیدات به محیط زیست راه میابند.گروه دیگری از هیدروکربن های هالوژن دار با وزن مولکولی پایین فرئونها یا کلرو فلورکربنها هستند.این ترکیبات شدیدا پایدار غیر قابل اشتعال یا سمی وبا تولید ارزان میباشند.انها اساسا به عنوان سردکننده در یخچالها و دستگاههای خنک کننده هوا به میان امدهاند اما بعدها در مقیاس وسیع بصورت محرکهای آئروسل و در فومهای پلاستیکی بکار گرفته شدند.

     برخی از هیدروکربن های هالوژنه با وزن مولکولی پایین بخصوص س ف س ها عامل تخریب لایه ازن در بالای اتمسفر هستند.تاسال 1986 تولید جهانی س ف س ها به بیش از یک میلیون تن در سال رسید امادر نشست بین المللی سال بعد براساس پروتکل مونترال قرار شد که کاربرد س ف س ها تا سال 1996 به نصف تقلیل یافته و تا سال 2000 تمامی انها کنار گذاشته شود.در حقیقت تولید جهانی س ف س ها بین سالهای 1988 و 1992_ 40 درصد کاهش یافته واتحادیه اروپا و ایالات متحده امریکا تولید واستفاده از انها را تا پایان سال 1995 متوقف نمودند.

     هیدروکربن های هالوژنه با وزن مولکولی پایین به عنوان یک تهدید جدی در دریا بشمار نمی روند اما اکثر انها شامل تتراکلرید کربن کلروفورم تری کلرو اتان همانند س ف س ها در حال کنار گذاشتن میباشند.

     هیدروکربن های مولکولی کلر دار با وزن مولکولی بیشتر موضوعی مورد توجه خاص میباشند چرا که برخلاف ترکیبات سبک به اکوسیستمهای دریایی راه یافته ودر بافتهای حیوانی خصوصا در بافتهای چربی تجمع می یابند.این هیدروکربن های کلردار در برگیرنده چندین گروه از افت کشها و بی فنیلهای پلی کلرینه می باشند.

     کاربردهایی که منحصر به ایجاد آفت کشها و اکثر ترکیبات پ س ب شدند توضیع گسترده انان در محیط زیست را به دنبال داشت.اما منبع اصلی پراکندگی الودگی آفت کشی استفاده کشاورزی انان است.انتقال هوایی مهمترین مسیر انها برای رسیدن به دریاست.

     هیدروکربنهای کلردار با وزن مولکولی کم فرار هستند. تمام آفت کشهای کلردار آلی فرار اند وخصوصا در مناطق گرمسیر که همچنان در مقادیر زیادی استفاده میشوند شرایط اب و هوایی برای آزاد سازی انها به اتمسفر مناسب است.و صریعا در حضور بخار اب به جو راه می یابند.

     در برخی از اعمال کشاورزی پاشیدن هوایی آفت کشها مطلوب و مدنظر است.

    *اسپری هوایی. در مناطق پرورش میوه و سبزیجات کالیفرنیا جایی که استفاده زیادی از آفت کش ها میشود تخمین زده شده که 50 درصد از افت کشهای ناشی از هواپیمای اسپری محصول هرگز به زمین نرسیده و با تشکیل آئروسل ها و مانند انها مسافت های زیادی را طی می کنند.

     *کشت و زرع در مناطق خشک.احتمال دارد که مناطق بایر باکمک  سیستم ابیاری تحت کشت قرار بگیرند اما خاک خشک با ذخیره فراوان از آفت کشها جذب شده توسط طوفانهای خاک انتقال می یابند.

     انتقال هوایی موجب گسترش همه جانبه آفت کشهای کلردار آلی می گردد. د د ت یک ترکیب ساخته دست بشر بوده و بطور طبیعی یافت نمی شود و تنها از سال 1940 مورد استفاده فرار گرفته است. با این حال طی 20 سال د د ت وبقایای ان به کل بیوسفر نفوذ کرده اند. حتی در پنگوئن های امپراتور در قطب جنوب چند هزار کیلومتر دورتر از مکانهای استفاده از د د ت مقادیر قابل ردیابی از این ترکیب یافت می شود.

     هیدروکربن های کلردار کاملا غیر محلول در اب با یک غلظت اشباع کمتر از پ پ ب هستند اما در چربی ها حل شده و شدیدا بر روی ذرات و قطعات جذب می گردند بنابراین توزیع انها در دریا یک نواخت نیست.

     لایه سطحی دریا یک فیلم باضخامت متفاوت از چند میکرومتر تا یک میلی متر است.مطالعه این منطقه بسیار مشکل است و هم چنان توجهی به ان نمی شود اما معلوم شده دارای اسید های چرب استتر کیبات الی کلر دار به دلیل حلالیت درچربیاحتمالا در این ناحیه تجمع می یابند.در حالی که باید در مقدار کلی زیاد نباشند غنا وپر باری فیلم سطحی از ترکیبات آلی کلردار اهمیت زیادی برای موجودات زنده سطح زی یا پرندگانی مانند مرغ طوفان که چربی را از سطح دریا جدا می کنند خواهند داشت.از انجا که سطح دریا جایگاه تبادل با اتمسفر است ترکیبات آلی کلردار توسط قطرات آئروسل به هوا انتقال می یابند.

     در جایی که توده های آب با ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متفاوت با هم برخورد می کنند یک جبهه شکل می گیرد جبهه های اقیانوسی و ساحل مواد شناور مانند نفت سطحی را جمع می کنند.جبه ها دارای تولید گسترده ای بوده و تعداد زیادی از ماهیان پرندگان و پستانداران دریایی را بسوی خود جلب می کنند که در نتیجه رژیم غذایی پر بار از ترکیبات آلی کلردار دریافت می کنند.یک مقدار قابل ملاحظه از ترکیبات آلی کلردار برسی ذرات مطلق یا روی میروارگانیسم ها است. این مسئله مشکلاتی رابرای آنالیز فراهم می کند چرا که جدا از مشکل تشخیص هیدروکربن های هالوژن دار مختلف تصمیم گیری در مورد اینکه چه موادی در داخل موجودات و چه موادی به سطح خارجی انها جذب شده اند دشوار است.مورد اول روی موجودات اثری می گذارد در حالی که  مورد دوم نمی تواند اما از نظر بیولوژیک برای موجودات تغذیه کننده از ارگانیسم های آلوده در دسترس خواهد بود.

     هیدروکربن های کلردار جذب شده بر روی قطعات و ذرات غیر آلی در نهایت به بستر دریا حل شده و به عنوان یک جایگاه برای این ترکیبات عمل می کنند. با این حال قطعات معلق یا دوباره معلق شده اگر دارای اندازه یا دانسیته مناسب باشند توسط حیوانات فیلتر کننده هضم شده و هیدروکربن های کلردار طی این مسیر وارد زنجیره های غذایی می گردند.

     هیدروکربن های هالوژن دار به ویژه د د ت و مشتقات ان در تمام موجودات زنده ودر همه محیطهای زیست وجود دارند و مقدار قابل ملاحظه ای از کل ترکیبات هالوژن دار در دریا در بدن موجودات زنده دریایی است و به چرخش در داخل شبکه های غذایی ادامه خواهند داد.

  تاثیر سوء هیدروکربن های کلردار

    کاربرد زیاد آفت کشها وبیش از حد د د ت عواقب بدی برای محیط زیست در پی دارد مثال هایی از وقوع چنین عواقب بدی:

1- ماهیان مرده در مناطق اطراف خروجی یک کارخانه دانمارکی تولید کننده آفت کش .

2- درهای در کالیفرنیا که یکی از غنی ترین مناطق کشاورزی در مورد سبزیجات سالادی است . رودخانه ای که دره را شستشو می دهد به دلیل اینکه یک مانع شنی دهانه ان را مسدود می کند در تابستان جریان نمی یابد طی فصل بارانی رودخانه از سدی عبور کرده به داخل خلیج جاری می شود گر چه این خلیج به اقیانوس آرام راه دارد جریان چرخشی بی قاعده گستردهای داشته و هرگونه آلودگی برای مدت زمانی در ان باقی می ماند طی فصول بارانی رودخانه طقیان نموده و مناطق وسیعی از زمین های کشاورزی را می پوشاند در سال 1969 زمانی که رودخانه سد شنی را در هم شکسته و مقدار زیادی از خاک را به داخل خلیج وارد کرده وبه همراه سیلاب بقایای آفت کش به داخل خلیج حمل گشت.این واقعه با مرگ و میر استثنایی تعداد زیادی پرنده دریایی درمان های بعد ادامه یافت که همه انها دارای کبدهایی باغلظت هایی بسیار بالااز بقایای د د ت بود