Węglowodory właściwe

WĘGLOWODORY - są to związki organiczne o cząsteczkach zbudowanych wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Ogólnie dzieli się je na węglowodory acykliczne — łańcuchowe, zwane też alifatycznymi, i cykliczne — pierścieniowe, wśród których rozróżnia się alicykliczne i aromatyczne.

Węglowodory acykliczne to takie węglowodory, w których cząsteczkach atomy węgla są ze sobą połączone w otwarte łańcuchy proste lub rozgałęzione; mogą być nasycone, czyli zawierać tylko wiązania pojedyncze (® alkany), lub nienasycone, np. mogą zawierać jedno wiązanie podwójne (® alkeny), jedno wiązanie potrójne (® alkiny) lub kilka wiązań nienasyconych (np. ® polieny). W cząsteczkach węglowodorów alicyklicznych atomy węgla tworzą jeden lub więcej pierścieni nie będących pierścieniami związków aromatycznych (® alicykliczne związki); podobnie jak węglowodory acykliczne mogą być nasycone (cykloalkany) lub nienasycone (np. cykloalkeny lub cykloalkiny), mogą zawierać związane z pierścieniem otwarte łańcuchy węglowodorowe zarówno nasycone, jak i nienasycone. Cząsteczki węglowodorów aromatycznych (arenów) mają co najmniej jeden 6-członowy pierścień zawierający układ formalnie sprzężonych 3 wiązań podwójnych; najprostszym węglowodorem aromatycznym jest ® benzen; z pierścieniem mogą być związane podstawniki acykliczne lub alicykliczne. Pierścienie w cząsteczkach węglowodorów policyklicznych mogą się łączyć w rozmaity sposób (® cykliczne związki).

Węglowodory stanowią jedną z największych grup związków organicznych. W warunkach normalnych występują jako gazy (np. początkowe węglowodory szeregu alkanów), ciecze (np. niższe węglowodory aromatyczne) lub ciała stałe (np. wyższe węglowodory aromatyczne); wszystkie węglowodory są palne, mają duże ciepło spalania. Węglowodory nasycone acykliczne i alicykliczne wykazują małą aktywność chem. i reakcje z ich udziałem (np. utlenianie, fluorowcowanie, nitrowanie, sulfonowanie) zachodzą na ogół w wysokich temperaturach. Bardziej czynne chemicznie są alkeny, które wykazują zdolność do reakcji przyłączania (np. fluorowców, wody, wodoru) oraz do polimeryzacji. Jeszcze większą aktywność chem. wykazują alkiny, które oprócz reakcji przyłączania ulegają reakcji podstawiania. Dla węglowodorów aromatycznych najbardziej typowe są reakcje podstawiania (np. fluorowcowanie, nitrowanie, sulfonowanie, alkilowanie i acylowanie).

Źródłem węglowodorów jest przede wszystkim ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny oraz węgiel brunatny, a także łupki bitumiczne i inne. Węglowodory są stosowane m.in. jako paliwa silnikowe (benzyna, olej napędowy), do celów opałowych oraz jako podstawowy surowiec w przemyśle org. (do produkcji tworzyw sztucznych, kauczuku, środków ochrony roślin, leków, barwników i in.).

ALKANY (parafiny)
• nasycone węglowodory acykliczne, o wzorze ogólnym CnH2n+2
• stanowią szereg homologiczny najprostszego alkanu – metanu CH4
• alkany, których cząsteczki zawierają co najmniej 4 atomy węgla, mogą mieć łańcuch prosty lub rozgałęziony (izomery konstrukcyjne)
• pierwsze 4 proste alkany mają nazwy zwyczajowe (metan, etan, propan, butan); systematyczne nazwy pozostałych tworzy się od liczebników greckich lub łacińskich określających liczbę atomów węgla w cząsteczce z dodatkiem końcówki –an
• nierozpuszczalne w wodzie i bierne chemicznie
• zawierające 1-4 atomów węgla w cząsteczce są gazami, 5-6 atomów węgla w łańcuchu prostym – cieczami, pozostałe – ciałami stałymi.
• występują w gazie ziemnym, ropie naftowej, wosku ziemnym
• tworzą się w wyniku przeróbki węgli
• otrzymuje się je głównie w wyniku krakingu ropy naftowej
• są stosowane jako składniki paliw oraz surowce w wielu syntezach organicznych

Tabela 1. Nazwy i wzory niektórych wybranych alkanów.

ALKENY (olefiny)
• nienasycone węglowodory acykliczne z jednym wiązaniem podwójnym w łańcuchu węglowym, o wzorze ogólnym CnH2n
• stanowią szereg homologiczny najprostszego alkenu – etenu C2H4
• nazwy alkenów tworzy się zmieniając przedrostek –an odpowiedniego węglowodoru nasyconego (alkanu) na –en, np. eten (zwany też etylenem) od etanu
• alkeny, których cząsteczki zawierają 2-4 atomów węgla są gazami, 5-18 – cieczami, pozostałe – ciałami stałymi
• są związkami nierozpuszczalnymi w wodzie
• łatwo ulegają reakcjom przyłączania w miejscu podwójnego wiązania
• w obecności katalizatorów ulegają polimeryzacji (np. eten polimeryzuje na polieten)
• dzięki występowaniu izomerii związanej z położeniem podwójnego wiązania oraz izomerii konstytucyjnej i geometrycznej, alkeny tworzą wiele odmian izomerycznych
• alkeny w niewielkich ilościach występują w niektórych ropach naftowych
• w przemyśle otrzymuje się je z wodoru i tlenku węgla, przez katalityczne odwodnienie alkanów, kraking frakcji ropy naftowej, odwodnienie alkoholi
• alkeny są stosowane w syntezach organicznych

ALKINY (acetyleny)
• nienasycone węglowodory acykliczne z 1 wiązaniem potrójnym, o wzorze ogólnym CnH2n-2
• tworzą szereg homologiczny najprostszego alkinu – acetylenu CH3≡CH3
• nazwy systematyczne alkinów tworzy się od nazwy odpowiednich węglowodorów nasyconych z użyciem końcówki –in (lub –yn)
• łatwo ulegają reakcjom przyłączania i polimeryzacji

POLIMERY
• przeważnie organiczne związki wielocząsteczkowe zbudowane z regularnie lub nieregularnie powtarzających się ugrupowań atomów o jednakowej budowie, zwanych merami, połączonych kowalencyjnymi wiązaniami chemicznymi
• wiele polimerów występuje w organizmach żywych; odgrywają one ważną rolę w procesach przemiany materii (np. białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe)
• niektóre z nich mogą być wykorzystywane do celów technicznych, np. cis-1,4-poliizopropen (kauczuk naturalny)
• obecnie produkuje się na dużą skalę polimery syntetyczne, które przetwarza się głównie na tworzywa sztuczne, włókna syntetyczne, gumę, kleje, lakiery
• stanowią ważny surowiec współczesnego przemysłu, wiele z nich odznacza się bowiem m.in. dużą wytrzymałością mechaniczną (dorównującą wytrzymałości stali), lekkością (kilkakrotnie lżejsze od metali), odpornością chemiczną, dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi i elektroizolacyjnymi
• duże znaczenie w medycynie
• zastosowanie w ochronie środowiska (oczyszczanie wód i powietrza)
• najczęściej stosowanymi syntetycznymi polimerami organicznymi są np. polichlorek winylu, polietylen, polipropylen, poliamidy, poliestry, fenoplasty, silikony oraz żywice mocznikowe
• są też znane polimery nieorganiczne, np. polikrzemiany, polifosforany

Węglowodory aromatyczne to substancje, której cząst maja budowę pierścieniową i zawierają wiazanie zdelokalizowane łączące wszystkie atomy łaczące pierścień

Benzen C6H6
Właściwości fizyczne:
- bezbarwna, przezroczysta ciecz o charakterystycznym zapachu
- subtancja toksyczna
- łatwo palna, kopci się
- nie rozpuszcza się w wodzie
- lżejsza od wody
- jest dobrym rozpuszczalnikiem tłuszczy

Właściwości chemiczne:
- mało aktywne chemicznie, nie odbarwiają KMnO4 i Br3
- dają reakcje podstawienia z Br2 w obecności katalizatora np. FeBr2
- ulega nitrowaniu
- reaguje z wodorem

Najbardziej użytecznymi węglowodorami w przyrodzie są ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

Ropa naftowa jest skomplikowaną mieszaniną węglowodorów (lotnych ciekłych i stałych) zawierających także niewielkie ilości (do 1%) związków organicznych tlenu (kwasy karboksylowe, fenole) siarki (tioalkohole i pochodne tiofenu) oraz azotu (azotowe związki heterocykliczne).
W temperaturze pokojowej ropa naftowa jest cieczą oleistą łatwo palną, najczęściej lżejszą od wody, źle przewodzącą prąd elektryczny. Barwa, zapach, lepkość, ciężar właściwy itp. zależą od pochodzenia ropy (sklasyfikowano kilka tysięcy gatunków).

Wydzielenie czystych węglowodorów z ropy naftowej odbywa się najczęściej za pomocą destylacji frakcyjnej; stosuje się także ekstrakcję za pomocą selektywnych rozpuszczalników oraz krystalizację.

W skład ropy naftowej wchodzą trzy grupy węglowodorów:
- alkany
- cykloalkany
- areny

Ropa naftowa nie zawiera w zasadzie alkenów i alkinów. W zależności od jej pochodzenia procentowy udział poszczególnych składników jest zróżnicowany.

W wyniku destylacji ropy naftowej uzyskuje się szereg frakcji wrzących w różnych zakresach temperatury. W miarę podwyższania temperatury ropy destylują z niej coraz to trudniej lotne składniki. Produktami są:
- eter naftowy C5 - C6 o temperaturze wrzenia 20 - 90C stosowany jako rozpuszczalnik
- benzyna lekka C6 - C7 o temperaturze wrzenia 90 - 120C stosowana także jako rozpuszczalnik
- benzyna ciężka C7 - C12 o temperaturze wrzenia 100 - 200C stosowana jako paliwo w silnikach spalinowych
- nafta C12 - C18 o temperaturze wrzenia 170 - 270C stosowana jako paliwo
- olej gazowy lekki >C18 o temperaturze wrzenia 230 - 300C stosowany jako paliwo
- olej smarowy >C18 o temperaturze wrzenia powyżej 300C i stosowany jako smar
- mazut czyli pozostałość jest surowcem do produkcji smaru, parafiny i asfaltu oraz surowcem w procesach krakowania stosowanych do otrzymywania benzyny.

Benzyna jest substancją ciekłą, bardzo lotną i łatwopalną o charakterystycznym zapachu. Pary benzyny z powietrzem tworzą mieszanki wybuchowe. Nierozpuszczalna w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalna w bezwodnym alkoholu - eterze, chloroformie, itp. Stosuje się ją głównie jako paliwo do silników, jako środek piorący i odtłuszczający, jako rozpuszczalnik tłuszczów farb i lakierów. Ponieważ rozwój motoryzacji pociąga za sobą coraz większe zapotrzebowanie na benzynę, wyższe frakcje ropy naftowej takie jak oleje i mazut, przerabiane są na benzynę w procesie krakingu. Proces ten polega na termicznej lub katalitycznej degradacji węglowodorów, pozwalającej na uzyskanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej. Benzyny krakowe różnią się od benzyn otrzymywanych na drodze zwykłej destylacji ropy naftowej większą zawartością alkenów i węglowodorów aromatycznych.

Kraking
Jeśli produkty destylacji ropy naftowej zawierające kilkanaście atomów węgla w cząsteczce, a wiec frakcje olejową, zostaną podgrzane do temperatury około 500C to następuje rozerwanie wiązania pomiędzy atomami węgla. Długi łańcuch węglowodoru pęka, przy czym tworzą się niższe węglowodory. W praktyce możemy powiedzieć, że z oleju otrzymujemy benzynę. Z udziałem katalizatora kraking można przeprowadzić w temperaturach od 400 do 500C.
Jako katalizatory w metodzie krakingu stosowane są krzemiany glinu, magnezu lub cyrkonu. Gazy krakowe stanowiące produkt uboczny krakingu stosuje się do produkcji paliw lotniczych i jako surowce chemiczne.

Reforming
Zmiany składu frakcji benzynowych w celu uszlachetnienia benzyn uzyskiwanych metodą destylacji ropy naftowej można uzyskać metoda reformingu, która polega na izomeryzacji i dehydrocyklizacji n-alkanów oraz odwodornieniu cykloalkanów do węglowodorów aromatycznych pod wpływem katalizatora platynowego. W ten sposób podnosi się liczbę oktanową benzyny nawet o 40 jednostek, a także uzyskuje się alkeny i areny.
Liczba oktanowa jest to wielkość określająca jakość benzyny (im wyższa liczba oktanowa tym benzyna jest lepsza). Benzyny uzyskane bezpośrednio przez destylację ropy naftowej mają liczbę oktanową od 50 do 76, benzyny z krakowania - 90, powstałe z reformingu - około 100. Liczbę oktanową benzyn można podnieść o 15 - 16 jednostek przez dodanie czteroetyloołowiu (powstaje etylina używana tylko jako paliwo - bardzo trująca) Następną frakcją po benzynie jest nafta, czyli przezroczysta, żółta ciecz niebieskawym połyskiem i charakterystycznym zapachem. Stosowana dawniej głównie do oświetlania (lampa naftowa), obecnie używana jako paliwo do silników wysokoprężnych lub odrzutowych i jako surowiec do otrzymywania benzyny metodą krakingu lub reformingu. Kolejna frakcja po nafcie to olej gazowy lekki (solarowy). Jest używany jako paliwo do silników wysokoprężnych Diesla - tańsze od benzyny, ponieważ nie wymaga przeróbki chemicznej. Cięższe frakcje olejowe (olej smarowy) służą do smarowania mechanizmów.

Drugim węglowodorem w przyrodzie jest Gaz Ziemny inaczej gaz mineralny. Występuje obok ropy naftowej jako tak zwany gaz mokry lub osobno w złożach jako gaz suchy. Głównym składnikiem gazu ziemnego mokrego jest metan, poza tym etan i kilka wyższych węglowodorów dających łatwo się skroplić. Podczas przeróbki "mokrych" gazów poddaje się tzw. Odbenzynowaniu - oddziela się benzynę od zawartych w nich węglowodorów niższych. W wyniku tego procesu otrzymuje się gazolinę oraz gaz suchy składający się głównie z metanu a oprócz tego zawierający etan, propan, i niewielkie ilości butanu. Gazolinę poddaj się stabilizacji i destylacji pod ciśnieniem oddzielając węglowodory lekkie - powstaje gaz płynny (propan-butan) i gazolina stabilizowana (pentany, heksany, heptany).

Gaz płynny przechowywany jest w czerwonych butlach stalowych. Jest stosowany jako materiał opałowy w gospodarstwie domowym (tam gdzie nie ma jeszcze normalnej instalacji gazowej), w kuchenkach turystycznych i zapalniczkach, ponadto do cięcia, topnienie i spawania metali kolorowych oraz topienia szkła. Jest też nieocenionym oraz podstawowym surowcem w wielu zakładach chemicznych. Gaz suchy stosuje się jako paliwo, ale głównie jako surowiec w przemyśle chemicznym. Gazolina stabilizowana stosowana jest jako składnik podnoszący prężność par benzyny, a także jako rozpuszczalnik tłuszczów.

Węgiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do dziś używa się go do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny uzyskiwano go z węgla. Węgiel Kamienny zawdzięcza swoją popularność temu, iż w przeciwieństwie do innych skał pali się wydzielając dużo ciepła i dużo energii. Przerabia się go w procesie koksowania (suchej destylacji węgla) czyli wysokotemperaturowego (około 1000C) odgazowywania w piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły pogazowej.

KOKS - Substancja stała - tworzy szaroczarne, nieregularne bryły o budowie gąbczastej, składające się w 90% z węgla. Stosowany jako paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym (otrzymywanie stali z rud żelaza) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania.

WODA POGAZOWA - Stanowi mieszaninę zawierającą amoniak, sole amonowe ((NH4)CO3, NH4Cl, (NH4)2S, (NH4)2SO4, (NH4)2S2O3, NH4SCN), pirydynę, fenole i inne związki. Jest surowcem do otrzymywania amoniaku i siarczanu amonu.
smoła węglowa, smoła pogazowa - gęsta ciecz barwy czarnej o mazistej konsystencji. W skład smoły węglowej wchodzą głównie węglowodory aromatyczne, fenole, zasady pirydynowe i chinolinowe. Jest surowcem do otrzymywania paku oraz wielu związków organicznych (np. benzenu, toluenu, fenolu, acenaftenu. Gaz koksowniczy - zawiera m.in. H2, O2, N2, CO2, NH3, H2S, węglowodory nasycone (głównie metan a także etan, propan i butan), nienasycone (etylen, acetylen), aromatyczne (benzen, toluen). Jest on cennym surowcem chemicznym. Stosowany jest także jako paliwo - po uprzednim usunięciu z niego amoniaku, smoły pogazowej i węglowodorów aromatycznych. Podczas wstępnego chłodzenia gazu wraz ze smołą wykrapla się woda pogazowa, w której rozpuszcza się ok. 75% amoniaku, dlatego nazywa się ją wodą amoniakalną. Amoniak odzyskiwany z wody amoniakalnej ze względu na zanieczyszczenia używa się tylko do produkcji siarczanu (VI) amonu stosowanego jako nawóz sztuczny.

Pojęcia

Szereg homologiczny- szereg tego samego typu związków organicznych, których cząsteczki różnią się między sobą o stałą grupę metylenową (-CH2-) *i należą do jednego szeregu homologicznego.

Homologi - człony tego szeregu, czyli poszczególne związki:
(metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan, oktan, nonan, dekan)

Grupy alkilowe - jednowartościowe grupy węglowodorowe utworzone z alkanów. Oznaczamy je literą R CnH2n+1 grupy Alkilowej.

Izomer - związki chemiczne, których cząsteczki zawierają tę samą liczbę tych samych atomów, lecz inaczej uporządkowanych, czyli związki, które mają ten sam wzór sumaryczny, a różnią się wzorem strukturalnym.

Izomeria - zjawisko występowania dwóch lub więcej związków chemicznych o takim samym wzorze sumarycznym a różnych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Izomeria łańcuchowa- typ izomerii polegającej na różnicy w budowie łańcucha obu izomerów

Polimeryzacja- proces chemiczny tworzenia związku wielkocząsteczkowego (polimeru) z pojedynczych cząsteczek związku małocząsteczkowego (monomeru) bez wydzielania produktów ubocznych.

Sekstet elektronowy - tworzy chmurę elektronową wspólną dla wszystkich atomów węgla w cząsteczce benzenu Dzięki obecności sekstetu pierścień benzenowy jest trwalszy.

Związki aromatyczne - związki o budowie pierścieniowej, w których występuje wiązanie zdelokalizowane łączące atomy w pierścieniu

Wiązanie zdelokalizowane - nie ma określonego położenia