Kohlenwasserstoffe sind organische chemische Verbindungen, die vollständig aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und von einfachen Molekülen wie Methan bis hin zu Polymeren wie Polystyrol, das aus Tausenden von Atomen besteht, reichen. Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich stark aneinander zu binden, ermöglicht es ihnen, eine fast unbegrenzte Vielfalt von Ketten, Ringen und anderen Strukturen zu bilden, die das Rückgrat organischer Moleküle bilden. Da jedes Atom vier Bindungen eingehen kann, enthalten diese Rückgrate andere Elemente, wie beispielsweise Wasserstoff. Die Verbindungen sind brennbar, da sich die beiden enthaltenen Elemente leicht mit dem Luftsauerstoff verbinden und dabei Energie freisetzen. Fossile Brennstoffe wie Öl und Erdgas sind natürlich vorkommende Gemische von Kohlenwasserstoffen; Kohle enthält auch einige, obwohl es meistens nur Kohlenstoff ist.
Struktur und Namenskonventionen
Die Benennung von Kohlenwasserstoffen folgt bestimmten Konventionen, obwohl Verbindungen in vielen Fällen unter älteren Namen besser bekannt sind. Im modernen System steht der erste Teil des Namens für die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül: In aufsteigender Reihenfolge werden den ersten acht meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- vorangestellt. und Okt-. Verbindungen, bei denen die Kohlenstoffe alle durch Einfachbindungen verbunden sind, werden zusammen als Alkane bezeichnet und haben Namen, die auf –ane enden. Daher sind die ersten acht Alkane Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und Oktan.
Kohlenstoffatome können auch untereinander Doppel- oder Dreifachbindungen bilden. Moleküle mit Doppelbindungen werden als Alkene bezeichnet und haben Namen, die auf –ene enden, während Moleküle mit Dreifachbindungen Alkine genannt werden und Namen haben, die auf –in enden. Moleküle, die nur Einfachbindungen aufweisen, enthalten die maximal mögliche Anzahl von Wasserstoffatomen und werden daher als gesättigt bezeichnet. Bei Doppel- oder Dreifachbindungen stehen weniger Plätze für Wasserstoff zur Verfügung, daher werden diese Verbindungen als ungesättigt bezeichnet.
Um ein einfaches Beispiel zu geben: Ethan hat zwei Kohlenstoffe, die durch eine Einfachbindung verbunden sind, sodass jeder in der Lage ist, sich an drei Wasserstoffatome zu binden, daher ist seine chemische Formel C2H6 und es ist ein Alkan. In Ethen gibt es eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, kann also nur vier Wasserstoffe haben, was es zu einem Alken mit der Formel C2H4 macht. Ethin hat eine Dreifachbindung, die ihm die Formel C2H2 verleiht und es zu einem Alkin macht. Diese Verbindung ist besser bekannt als Acetylen.
Die Kohlenstoffatome können auch Ringe bilden. Alkane mit Ringen haben Namen, die mit cyclo- beginnen. Cyclohexan ist daher ein Alkan mit sechs Kohlenstoffatomen, die durch Einfachbindungen so verbunden sind, dass sie einen Ring bilden. Auch ein Ring mit alternierenden Einfach- und Doppelbindungen ist möglich und wird als Benzolring bezeichnet. Kohlenwasserstoffe mit einem Benzolring werden als aromatisch bezeichnet, da viele von ihnen angenehm riechen.
Einige Kohlenwasserstoffmoleküle haben Ketten, die sich verzweigen. Butan, das normalerweise aus einer einzelnen Kette besteht, kann in einer Form vorliegen, in der ein Kohlenstoffatom an zwei andere gebunden ist und eine Verzweigung bildet. Diese alternativen Formen eines Moleküls werden als Isomere bezeichnet. Das verzweigte Isomer von Butan ist als Isobutan bekannt.
Produktion
Die meisten Kohlenwasserstoffe werden aus fossilen Brennstoffen gewonnen: Kohle, Öl und Erdgas, die in Mengen von Millionen Tonnen pro Tag aus dem Boden gewonnen werden. Rohöl ist meist eine Mischung aus vielen verschiedenen Alkanen und Cycloalkanen, mit einigen aromatischen Verbindungen. Diese können in Ölraffinerien aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte durch Destillation voneinander getrennt werden. Ein anderer Prozess, der verwendet wird, ist als „Cracken“ bekannt: Katalysatoren werden verwendet, um einige der größeren Moleküle in kleinere zu zerlegen, die als Kraftstoffe nützlicher sind.
Immobilien
Generell gilt: Je komplexer ein Kohlenwasserstoff ist, desto höher sind seine Schmelz- und Siedepunkte. Beispielsweise sind die einfacheren Typen wie Methan, Ethan und Propan mit einem, zwei bzw. drei Kohlenstoffen Gase. Viele Formen sind Flüssigkeiten: Beispiele sind Hexan und Oktan. Feste Formen umfassen Paraffin – eine Mischung aus Molekülen mit 20 bis XNUMX Kohlenstoffatomen – und verschiedene Polymere, die aus Ketten von Tausenden von Atomen bestehen, wie Polyethylen.
Die bemerkenswertesten chemischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen sind ihre Entflammbarkeit und ihre Fähigkeit, Polymere zu bilden. Gase oder Flüssigkeiten reagieren mit Sauerstoff in der Luft, produzieren Kohlendioxid (CO2) und Wasser und setzen Energie in Form von Licht und Wärme frei. Um die Reaktion zu starten, muss etwas Energie zugeführt werden, aber wenn sie einmal gestartet ist, ist sie selbsterhaltend: Diese Verbindungen brennen, wie das Anzünden eines Gaskochfelds mit einem Streichholz oder Funken zeigt. Feste Formen brennen auch, aber weniger leicht. In einigen Fällen bildet nicht der gesamte Kohlenstoff CO2; Ruß und Rauch können bei einigen Arten beim Verbrennen in der Luft entstehen, und bei unzureichender Sauerstoffzufuhr kann jeder Kohlenwasserstoff das giftige, geruchlose Gas Kohlenmonoxid (CO) produzieren.
Verwendung
Die Brennbarkeit von Kohlenwasserstoffen macht sie als Brennstoffe sehr nützlich und sie sind die primäre Energiequelle für die heutige Zivilisation. Durch das Verbrennen dieser Verbindungen wird weltweit der meiste Strom erzeugt, und praktisch jede mobile Maschine wird damit angetrieben: Autos, Lastwagen, Züge, Flugzeuge und Schiffe. Sie werden auch bei der Herstellung vieler anderer Chemikalien und Materialien verwendet. Die meisten Kunststoffe sind beispielsweise Kohlenwasserstoffpolymere. Andere Verwendungen umfassen Lösungsmittel, Schmiermittel und Treibmittel für Aerosoldosen.
Probleme mit fossilen Brennstoffen
Kohlenwasserstoffe waren in den letzten 2 Jahren eine sehr erfolgreiche Brennstoffquelle, aber es wird immer mehr gefordert, ihren Einsatz zu reduzieren. Bei ihrer Verbrennung entstehen Rauch und Ruß, was in einigen Bereichen zu ernsthaften Verschmutzungsproblemen führt. Dabei entstehen auch große Mengen COXNUMX. Unter Wissenschaftlern herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass steigende Konzentrationen dieses Gases in der Atmosphäre dazu beitragen, Wärme einzufangen, die globalen Temperaturen zu erhöhen und das Erdklima zu verändern.
Außerdem werden fossile Brennstoffe nicht ewig halten. Bei der Verbrennung von Brennstoff mit der gegenwärtigen Geschwindigkeit könnte Öl in weniger als einem Jahrhundert und Kohle in mehreren Jahrhunderten zur Neige gehen. All dies hat zu Forderungen nach der Entwicklung erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windkraft und zum Bau weiterer Atomkraftwerke geführt, die keine CO2-Emissionen verursachen. 2007 wurde der Friedensnobelpreis an den ehemaligen US-Vizepräsidenten Al Gore und den Weltklimarat der Vereinten Nationen für ihre Arbeit zur Bestätigung und Verbreitung der Botschaft verliehen, dass die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen maßgeblich für die globale Erwärmung verantwortlich ist.