Les hydrocarbures sont des composés chimiques organiques qui se composent entièrement de carbone et d’hydrogène, et vont de simples molécules telles que le méthane à des polymères tels que le polystyrène, qui se compose de milliers d’atomes. La capacité des atomes de carbone à se lier fortement les uns aux autres leur permet de former une variété presque illimitée de chaînes, de cycles et d’autres structures qui forment les squelettes des molécules organiques. Étant donné que chaque atome peut former quatre liaisons, ces squelettes comprennent d’autres éléments, tels que l’hydrogène. Les composés sont inflammables, car les deux éléments qu’ils contiennent se combinent facilement avec l’oxygène de l’air, libérant de l’énergie. Les combustibles fossiles, tels que le pétrole et le gaz naturel, sont des mélanges naturels d’hydrocarbures ; le charbon en contient également, bien qu’il ne s’agisse principalement que de carbone.
Structure et conventions de nommage
La dénomination des hydrocarbures suit certaines conventions, bien que dans de nombreux cas, les composés puissent être mieux connus sous des noms plus anciens. Dans le système moderne, la première partie du nom représente le nombre d’atomes de carbone dans la molécule : dans l’ordre croissant, les huit premiers sont préfixés meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- et oct-. Les composés où les carbones sont tous reliés par des liaisons simples sont connus collectivement sous le nom d’alcanes et ont des noms se terminant par -ane. Par conséquent, les huit premiers alcanes sont le méthane, l’éthane, le propane, le butane, le pentane, l’hexane, l’heptane et l’octane.
Les atomes de carbone peuvent également former des doubles ou triples liaisons entre eux. Les molécules qui ont des doubles liaisons sont appelées alcènes et ont des noms se terminant par -ene, tandis que celles qui ont des triples liaisons sont appelées alcynes et ont des noms se terminant par -yne. Les molécules qui n’ont que des liaisons simples contiennent le plus grand nombre possible d’atomes d’hydrogène et sont donc décrites comme saturées. Là où il y a des doubles ou triples liaisons, il y a moins de places disponibles pour l’hydrogène, de sorte que ces composés sont décrits comme insaturés.
Pour donner un exemple simple, l’éthane a deux carbones reliés par une seule liaison, laissant chacun capable de se lier à trois atomes d’hydrogène, sa formule chimique est donc C2H6 et c’est un alcane. Dans l’éthène, il existe une double liaison carbone-carbone, il ne peut donc avoir que quatre hydrogènes, ce qui en fait un alcène de formule C2H4. L’éthylène a une triple liaison, ce qui lui donne la formule C2H2 et en fait un alcyne. Ce composé est mieux connu sous le nom d’acétylène.
Les atomes de carbone peuvent également former des cycles. Les alcanes avec des anneaux ont des noms commençant par cyclo-. Par conséquent, le cyclohexane est un alcane à six atomes de carbone reliés par des liaisons simples de manière à former un cycle. Un cycle avec des liaisons simples et doubles alternées est également possible et est connu sous le nom de cycle benzénique. Les hydrocarbures contenant un cycle benzénique sont dits aromatiques, car nombre d’entre eux ont une odeur agréable.
Certaines molécules d’hydrocarbures ont des chaînes qui se ramifient. Le butane, qui consiste normalement en une seule chaîne, peut exister sous une forme où un atome de carbone est lié à deux autres, formant une branche. Ces formes alternatives d’une molécule sont appelées isomères. L’isomère ramifié du butane est connu sous le nom d’isobutane.
Fabrication
La majeure partie de la production d’hydrocarbures provient de combustibles fossiles : charbon, pétrole et gaz naturel, qui sont extraits du sol en quantités de millions de tonnes par jour. Le pétrole brut est principalement un mélange de nombreux alcanes et cycloalcanes différents, avec quelques composés aromatiques. Ceux-ci peuvent être séparés les uns des autres dans les raffineries de pétrole par distillation, en raison de leurs points d’ébullition différents. Un autre processus utilisé est connu sous le nom de craquage : des catalyseurs sont utilisés pour casser certaines des plus grosses molécules en plus petites qui sont plus utiles comme carburants.
Propriétés
De manière générale, plus un hydrocarbure est complexe, plus ses points de fusion et d’ébullition sont élevés. Par exemple, les types les plus simples, tels que le méthane, l’éthane et le propane, avec respectivement un, deux et trois carbones, sont des gaz. De nombreuses formes sont liquides : des exemples sont l’hexane et l’octane. Les formes solides comprennent la cire de paraffine – un mélange de molécules avec entre 20 et XNUMX atomes de carbone – et divers polymères constitués de chaînes de milliers d’atomes, comme le polyéthylène.
Les propriétés chimiques les plus notables des hydrocarbures sont leur inflammabilité et leur capacité à former des polymères. Ceux qui sont des gaz ou des liquides réagiront avec l’oxygène de l’air, produisant du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau, et libérant de l’énergie sous forme de lumière et de chaleur. Une certaine énergie doit être fournie pour démarrer la réaction, mais une fois démarrée, elle est auto-entretenue : ces composés vont brûler, comme illustré en allumant une plaque de cuisson à gaz avec une allumette ou une étincelle. Les formes solides brûleront également, mais moins facilement. Dans certains cas, tout le carbone ne formera pas de CO2 ; la suie et la fumée peuvent être produites par certains types lorsqu’elles brûlent dans l’air, et dans un approvisionnement insuffisant en oxygène, tout hydrocarbure peut produire le gaz toxique et inodore, le monoxyde de carbone (CO).
Les usages
L’inflammabilité des hydrocarbures les rend très utiles comme carburants, et ils sont la principale source d’énergie pour la civilisation d’aujourd’hui. Dans le monde, la plupart de l’électricité est générée par la combustion de ces composés, et ils sont utilisés pour propulser pratiquement toutes les machines mobiles : voitures, camions, trains, avions et navires. Ils sont également utilisés dans la fabrication de nombreux autres produits chimiques et matériaux. La plupart des plastiques, par exemple, sont des polymères hydrocarbonés. Les autres utilisations comprennent les solvants, les lubrifiants et les propulseurs pour les bombes aérosols.
Problèmes avec les combustibles fossiles
Les hydrocarbures ont été une source de carburant très réussie au cours des deux cents dernières années, mais il y a de plus en plus d’appels pour réduire leur utilisation. Leur combustion produit de la fumée et de la suie, causant de graves problèmes de pollution dans certaines zones. Il produit également de grandes quantités de CO2. Les scientifiques s’accordent généralement à dire que les niveaux croissants de ce gaz dans l’atmosphère contribuent à piéger la chaleur, à augmenter les températures mondiales et à modifier le climat de la Terre.
De plus, les combustibles fossiles ne dureront pas éternellement. Brûlant du fioul au rythme actuel, le pétrole pourrait s’épuiser dans moins d’un siècle et le charbon dans plusieurs siècles. Tout cela a conduit à des appels à développer des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, et à construire davantage de centrales nucléaires, qui ne produisent aucune émission de CO2. En 2007, le prix Nobel de la paix a été décerné à l’ancien vice-président américain Al Gore et au Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat de l’ONU pour leur travail de confirmation et de diffusion du message selon lequel la combustion des hydrocarbures est en grande partie responsable du réchauffement climatique.