Gli idrocarburi sono composti chimici organici costituiti interamente da carbonio e idrogeno e vanno da semplici molecole come il metano, a polimeri come il polistirene, che consiste di migliaia di atomi. La capacità degli atomi di carbonio di legarsi fortemente l’uno all’altro consente loro di formare una varietà quasi illimitata di catene, anelli e altre strutture che formano la spina dorsale delle molecole organiche. Poiché ogni atomo può formare quattro legami, queste spine dorsali includono altri elementi, come l’idrogeno. I composti sono infiammabili, poiché i due elementi che contengono si combinano facilmente con l’ossigeno nell’aria, liberando energia. I combustibili fossili, come petrolio e gas naturale, sono miscele naturali di idrocarburi; anche il carbone ne contiene un po’, sebbene sia per lo più solo carbonio.
Struttura e convenzioni di denominazione
La denominazione degli idrocarburi segue determinate convenzioni, sebbene in molti casi i composti possano essere meglio conosciuti con nomi più antichi. Nel sistema moderno, la prima parte del nome rappresenta il numero di atomi di carbonio nella molecola: in sequenza ascendente, i primi otto sono prefissati meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- e ott-. I composti in cui i carboni sono tutti uniti da singoli legami sono noti collettivamente come alcani e hanno nomi che terminano in -ano. Pertanto, i primi otto alcani sono metano, etano, propano, butano, pentano, esano, eptano e ottano.
Gli atomi di carbonio possono anche formare legami doppi o tripli tra loro. Le molecole che hanno doppi legami sono note come alcheni e hanno nomi che terminano in -ene, mentre quelle che hanno tripli legami sono chiamate alchini e hanno nomi che terminano in -yne. Le molecole che hanno solo legami singoli contengono il numero massimo possibile di atomi di idrogeno, e sono quindi descritte come sature. Dove ci sono doppi o tripli legami, ci sono meno posti disponibili per l’idrogeno, quindi questi composti sono descritti come insaturi.
Per fare un semplice esempio, l’etano ha due atomi di carbonio uniti da un unico legame, lasciando ciascuno in grado di legarsi a tre atomi di idrogeno, quindi la sua formula chimica è C2H6 ed è un alcano. Nell’etene c’è un doppio legame carbonio-carbonio, quindi può avere solo quattro idrogeni, rendendolo un alchene con la formula C2H4. L’etino ha un triplo legame, che gli conferisce la formula C2H2 e lo rende un alchino. Questo composto è meglio conosciuto come acetilene.
Gli atomi di carbonio possono anche formare anelli. Gli alcani con anelli hanno nomi che iniziano con ciclo-. Il cicloesano è quindi un alcano con sei atomi di carbonio uniti da singoli legami in modo da formare un anello. È anche possibile un anello con legami singoli e doppi alternati ed è noto come anello benzenico. Gli idrocarburi contenenti un anello benzenico sono conosciuti come aromatici, perché molti di loro hanno un odore gradevole.
Alcune molecole di idrocarburi hanno catene che si ramificano. Il butano, che normalmente consiste in una singola catena, può esistere in una forma in cui un atomo di carbonio è legato ad altri due, formando un ramo. Queste forme alternative di una molecola sono note come isomeri. L’isomero ramificato del butano è noto come isobutano.
Produzione
La maggior parte della produzione di idrocarburi proviene da combustibili fossili: carbone, petrolio e gas naturale, che vengono estratti dal suolo in quantità di milioni di tonnellate al giorno. Il petrolio greggio è principalmente una miscela di molti diversi alcani e cicloalcani, con alcuni composti aromatici. Questi possono essere separati l’uno dall’altro nelle raffinerie di petrolio mediante distillazione, a causa dei loro diversi punti di ebollizione. Un altro processo che viene utilizzato è noto come “cracking”: i catalizzatori sono impiegati per rompere alcune delle molecole più grandi in quelle più piccole che sono più utili come combustibili.
Proprietà
In generale, più un idrocarburo è complesso, più alti sono i suoi punti di fusione e di ebollizione. Ad esempio, i tipi più semplici, come metano, etano e propano, con uno, due e tre atomi di carbonio, rispettivamente, sono gas. Molte forme sono liquide: esempi sono esano e ottano. Le forme solide includono la cera di paraffina – una miscela di molecole con tra 20 e quaranta atomi di carbonio – e vari polimeri costituiti da catene di migliaia di atomi, come il polietilene.
Le proprietà chimiche più importanti degli idrocarburi sono la loro infiammabilità e la loro capacità di formare polimeri. Quelli che sono gas o liquidi reagiranno con l’ossigeno nell’aria, producendo anidride carbonica (CO2) e acqua e rilasciando energia sotto forma di luce e calore. È necessario fornire energia per avviare la reazione, ma una volta avviata, è autosufficiente: questi composti bruceranno, come illustrato accendendo un piano cottura a gas con un fiammifero o una scintilla. Anche le forme solide bruceranno, ma meno facilmente. In alcuni casi, non tutto il carbonio formerà CO2; la fuliggine e il fumo possono essere prodotti da alcuni tipi quando bruciano nell’aria e, con un apporto insufficiente di ossigeno, qualsiasi idrocarburo può produrre il gas tossico e inodore, il monossido di carbonio (CO).
si utilizza
L’infiammabilità degli idrocarburi li rende molto utili come combustibili e sono la fonte di energia primaria per la civiltà odierna. In tutto il mondo, la maggior parte dell’elettricità viene generata dalla combustione di questi composti e vengono utilizzati per azionare praticamente ogni macchina mobile: automobili, camion, treni, aerei e navi. Sono anche utilizzati nella produzione di molti altri prodotti chimici e materiali. La maggior parte delle materie plastiche, ad esempio, sono polimeri di idrocarburi. Altri usi includono solventi, lubrificanti e propellenti per bombolette spray.
Problemi con i combustibili fossili
Gli idrocarburi sono stati una fonte di carburante di grande successo negli ultimi duecento anni circa, ma ci sono crescenti richieste di ridimensionarne l’uso. La loro combustione produce fumo e fuliggine, causando gravi problemi di inquinamento in alcune zone. Produce anche grandi quantità di CO2. C’è un ampio consenso tra gli scienziati che l’aumento dei livelli di questo gas nell’atmosfera sta aiutando a intrappolare il calore, aumentando le temperature globali e cambiando il clima della Terra.
Inoltre, i combustibili fossili non dureranno per sempre. Bruciando carburante al ritmo attuale, il petrolio potrebbe esaurirsi in meno di un secolo e il carbone in diversi secoli. Tutto ciò ha portato a sollecitare lo sviluppo di fonti energetiche rinnovabili come l’energia solare ed eolica e la costruzione di più centrali nucleari, che producono zero emissioni di CO2. Nel 2007, il Premio Nobel per la pace è stato assegnato all’ex vicepresidente degli Stati Uniti Al Gore e all’Intergovernmental Panel on Climate Change delle Nazioni Unite per il loro lavoro nel confermare e diffondere il messaggio che la combustione degli idrocarburi è in gran parte responsabile del riscaldamento globale.