Hidrokarbon

Hidrokarbon
بعضی از ترکیبات آلی ، فقط شامل دو عنصر هیدروژن و کربن هستند و بنابراین به عنوان "هیدروکربن" (Hydrocabons) شناخته می‌شوند.

تقسیم‌بندی هیدروکربنها
بسته به ساختمان ، هیدروکربنها به دو دسته اصلی آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می‌شوند. هیدروکربنهای آلیفاتیک خود به گروههای وسیع‌تری تقسیم می‌شوند: آلکانها ، آلکنها ، آلکینها و ترکیبات حلقوی مشابه (سیکلوآلکانها و غیره).

آلکانها
ساده ترین عضو خانواده آلکانها و در واقع ، یکی از ساده ترین ترکیبات آلی ، متان CH4 است. تمام آنچه که در مورد CH4 وجود دارد، می‌توان با اختلافات کمی در مورد سایر آلکانها نیز بکاربرد.

ساختمان متان
در متان ، هر یک از چهار اتم هیدروژن بوسیله یک پیوند کووالانسی به اتم کربن متصلند که این عمل ، با به اشتراک یک زوج الکترون انجام می‌شود. هنگامی که کربن به چهار اتم دیگر متصل شود، اوربیتالهای پیوندی (اوربیتالهای SP3 که از همپوشانی یک اوربیتال S و سه اوربیتال P تشکیل می‌شوند) به گوشه های یک چهار وجهی هدایت می‌شوند.

این آرایش چهار وجهی ، آرایشی است که اجازه می‌دهد اوربیتالها تا حد امکان از یکدیگر فاصله بگیرند. برای اینکه هر کدام از این اوبیتالها بتوانند به نحو موثری با اوربیتال کروی 5 اتم هیدروژن همپوشانی نمایند و بنابراین قویترین پیوند را بوجود آورند، هسته هر کدام از هیدروژنها ، بایستی در گوشه این چهار وجهی قرار بگیرد.

منبع متان
متان ، محصولی متلاشی شدن ناهوازی (بدون هوا) گیاهان یعنی شکستن بعضی از مولکولهای خیلی پیچجیده می باشد. همچنین تشکیل دهنده قسمت اعظم (حدود 79%) گاز طبیعی است. متان ، گاز آتشگیر خطرناک معادن زغال سنگ و به صورت جبابهای گاز از سطح مرداب‌ها خارج می‌شود.

آلکنها
آلکنها ، دسته وسیعی از هیدروکربنها را شامل می‌شوند که به هیدروکربنهای غیر اشباع (Unsaturated) موسومند. تعداد هیدروژنهای این ترکیبات ، کمتر از آلکانهای هم کربن می‌باشد. آلکنها ممکن است یک یا چند پیوند دو گانه مجزا و دور از هم و یا مزدوج داشته باشند.

ساختمان پیوند دو گانه کربن- کربن در آلکنها
اتیلن ، کوچکترن عضو خانواده آلکنها و به فرمول C2H4 می‌باشد که دو اتم هیدروژن کمتر از آلکان هم‌کربن (اتان) دارد. بررسی ساختمان اتیلن به طریقه 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 ، سه اوربیتال 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 در کنار هم مرتب کنیم، شکلی ایجاد می‌شود که در آن ، هر اتم کربن ، در سه پیوند 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 کرین ایجاد می‌شود، از نظر شکل و انرژی با پیوند سیگما متفاوت می شود و به پیوند π موسوم است که از دو قسمت تشکیل شده است.

یک ابر الکترونی در بالای سطح مولکول و ابر الکترونی دیگر در پایین سطح قرار می‌گیرد. وقتی این ساختمان میتواند ایجاد شود که تمام اتمهای شرکت کننده در ساختمان اتیلن ، در یک سطح قرار بگیرند. پس مولکول اتیلن لازم است یک مولکول مسطح باشد. مسطح بودن مولکول اتیلن بوسیله روشهای طیف‌سنجی و پراش الکترونی مورد تائید قرار گرفته است.

آلکینها
هرگاه ترکیب آلی ، حاوی پیوند سه‌گانه کربن به کربن باشد، آلکین نامیده می‌شود. استیلن با فرمول C2H2 کوچکترین عضو این خانواده می‌باشد و به همین دلیل ، آلکنها را ترکیبات استیلنی یا استیلن‌های استخلاف دار می‌گویند. برای اینکه دو اتم و دو اتم هیدروژن به هم وصل شوند و مولکول کاملی تولید نمایند، لازم است که کربنها با هیبرید SP و از طریق پیوند سه‌گانه (یک پیوند سیگما و دو تا پیوند π) به یکدیگر وصل شوند: H−C≡C−H

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 استیلن های حقیقی می‌باشند.
•استیلن های داخلی (Internal acetylenes):
هرگاه پیوند سه‌گانه کربن به کربن در جایی از مولکول قرار گرفته باشد که کربنهای با هیبرید SP به استخلاف متصل باشند، استیلن را داخلی می‌نامند. مثل دی‌متیل استیلن ، دی فنیل استیلن، دی ترسیوبوتیل استیلن.

ساختمان استیلن
اتین یا استیلن ، کوچکترین عضو خانواده بزرگ آلکینها می‌باشد. به طریق کوانتوم مکانیکی ، اگر بخواهیم با دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن ، مولکولی را ایجاد کینم، لازم است که کربنها با یک پیوند سه‌گانه به یکدیگر متصل شوند. برای ایجاد چنین مولکولی ، اتمهای کربن باید هیبرید SP داشته باشند. یکی از این اوربیتالهای هیبریدی به کربن و دیگری به هیدروژن متصل و اوربیتالهای Py و Pz نیز دو پیوند π را ایجاد کنند.

با شناختی که از دو پیوند دوگانه کربن به کربن و کربن به هیدروژن آلکنها داریم، انتظار داریم که طول پیوند سه‌گانه کربن- کربن و کربن- هیدروژن در استیلنها کوتاه باشد. طول پیوند سه گانه کربن- کربن 1,20انگستروم و کربن به هیدروژن 1,06 انگستروم اندازه گیری شده است.

هیدروکربنهای آروماتیک
آروماتیک‌ها ، دسته وسیعی از ترکیبات را تشکیل می‌دهند که شامل بنزن و ترکیباتی باشند که از نظر رفتار شیمیایی مشابه بنزن می‌باشند. برخی از این مواد ، حتی به‌ظاهر شباهتی به بنزن ندارند. برخلاف آلکنها و آلکینها ، بنزن و سایر ترکیبات آروماتیک ، تمایلی برای انجام واکنشهای افزایش از خود نشان نمی‌دهند، ولی در واکنشهای جانشینی شرکت می‌کنند که یکی از صفات شاخص این دسته از مواد می‌باشد.

اگر گروههای عاملی روی حلقه قرار بگیرند، بر واکنش پذیری حلقه اثر خواهند گذاشت. واکنش پذیری عوامل متصل به حلقه نیز بوسیله بخش آروماتیک تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد.

خصلت آروماتیکی و قاعده 4n+2 هوکل (Huckel)
افزون بر بنزن و ترکیبات هم خانواده آن مثل نفتالین و آنتراسین و... ، مواد دیگری نیز وجود دارند که به‌ظاهر هیچ شباهتی به بنزن ندارند، ولی رفتاری مشابه بنزن دارند و به‌عبارت ساده‌تر ، آروماتیک هستند. از ویژگیهای این مواد می‌توان به نکات زیر اشاره نمود:

1.گرمای هیدروژن دار شدن و گرمای سوختن آنها پایین است.
2.برای انجام واکنشهای افزایشی ، تمایل زیادی نشان نمی‌دهند
3.در واکنشهای جانشینی الکترونخواهی شرکت می‌کنند.
بررسی‌های تجربی مثل مطالعه خواص فیزیکی و انرژی هیدروژن‌دار شدن سیستمها با تعداد الکترونهای π مختلف به این نتایج منجر شده است که:

مولکولهایی آروماتیک هستند و خصلت آروماتیکی از خود نشان می دهند که تعداد الکترونهای سیستم π آنها ، 2 و 4 و 6و 10و... باشد. این ضرورت ، قاعده هوکل یا 4n+2 نامیده می‌شود. سپس ترکیباتی که برای آنها n=0, 1 , 2 ,… می‌باشد، آروماتیک خواهند بود.
1.مولکول باید ساختمان مسطح داشته باشد. تمام ترکیباتی که این دو شرط اساسی در آنها رعات شده باشد، زوایای پیوندی در آنها طبیعی ، همپوشانی اوربیتالهای π مناسب و غیر مستقر شدن الکترونها بخوبی میسر باشد، پایداری مولکول بیشتر خواهد بود.
یک مثال
واکنش 3- کلرو سیکلوپروپن با SbCl5 ، ماده پایداری به فرمول C3H3SbCl6 ایجاد می‌کند که در حلالهای دی‌اکسید گوگرد مایع بخوبی حل نشده ، ولی در حلالهای غیرقطبی نامحلول است. مطالعه طیفNMR این ماده ، سه پروتون هم‌ارزش را به نمایش می‌گذارد. این نتایج ، با تشکیل کاتیون سیکلوپروپن که کوچکترین مولکول آروماتیک می‌باشد، مطابقت دارد.
ترکیبهای آروماتیک ، هتروآروماتیک و انرژی رزونانس
نتایج تجربی حاصل از واکنشهای هیدروژن دار شدن هیدروکربنهای جوش خورده دو حلقه‌ای و سه حلقه‌ای و... نشان می‌دهد که هر چه تعداد الکترونهای بیشتری در رزونانس شرکت کرده باشند، انرزژی آزاد شده بیشتر و پایداری نسبی نیز بیشتر خواهد بود.

نامگذاری مشتقات بنزن و ترکیبات آروماتیک جوش خورده
برخی از مشتقات بنزن ، نام مخصوص به خود دارند، مثلا هیدروکسی بنزن را فنل (C6H5OH) ، متوکسی بنزن را آنیزول (C6H5OCH3)، متیل بنزن را تولوئن (C6H5CH3) ، ایزوپروپیل بنزن را کیومن و آمینوبنزن را آنیلین می‌گویند.

برای نامگذاری خیلی از مشتقات بنزن ، نام گروه یا استخلاف به صورت پیشوند بر کلمه بنزن افزوده می‌شود. مثلا فلوئورو بنزن ، ترسیوبوتیل بنزن ، نیتروبنزن ، سیکلوپروپیل بنزن نمونه هایی از این نوع هستند. جهت نامگذاری مشتقات دو استخلافی بنزن. لازم است که محل استخلافها از پیشوند اورتو ، متا یا پارا استفاده شود؛ به عنوان مثال ، اورتو دی‌متیل بنزن ، متا دی‌متیل بنزن ، پارا دی‌متیل بنزن.

در مواردیکه دو استخلاف متفاوت روی حلقه بنزن قرار گرفته باشد و هیچکدام از گروهها نام ویژه ای به مولکول نداده باشند، پس از ذکر موقعیت گروهها با پیشوند اورتو و... ، نام گروهها را ذکر نموده ، در پایان ، کلمه بنزن بر آنها افزوده می‌شود. اگر وجود یک گروه ، نام ویژه ای به مولکول بدهد، در آن صورت مولکول به عنوان مشتق آن ترکیب ویژه محسوب می‌شود.

هیدروکربن‌های آروماتیک چند هسته‌ای
بطور کلی هیدرو کربنهایی که خواص بنزن مانند از خودشان نشان می‌دهند، هیدروکربنهای آروماتیک نامیده می‌شوند و آنهایی که حلقه‌های جوش خورده بنزن دارند، هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقه‌ای یا پلی‌سیکلیک نامیده می‌شوند. بسیاری از PAH ها مانند بنزن پایداری بالا و ساختار هندسی مسطح دارند. از میان هیدروکربنها فقط نفتالین بصورت تجاری تولید می‌شود. برخی از PAH ها در مشتقات قطران زغال‌سنگ یافت می‌شوند.

ساختار PAH ها
PAH ها از دو یا چند حلقه شش عضوی تشکیل شده‌اند که این حلقه‌ها بوسیله اشتراک یک جفت اتمهای کربن مجاور بین حلقه‌ها جوش خورده و بهم متصل شده‌اند. ساده‌ترین عضو این گروه ، نفتالین C10H8 است. به کربنهای مشترک بین دو حلقه ، اتم هیدروژن متصل نیست. نفتالین ، جامد فراری است که بخار آن برای برخی حشرات ، سمی است و به‌عنوان ضد بید بکار می‌رود.

آنتراسن (دارای سه حلقه بنزن بصورت خطی) و فنانترن (دارای سه حلقه ولی بصورت انشعابی) ، هر دو جزو آلاینده‌های مربوط به احتراق ناقص چوب و زغال سنگ هستند و از پالایشگاه‌های نفت و کوره‌های زغال‌سنگ به محیط زیست وارد می‌شوند.
مکانیسم تشکیل PAH در جریان احتراق
مکانیسم تشکیل PAH در جریان احتراق پیچیده است، اما ظاهرا بطور عمده به علت بسپارش (پلیمریزاسیون) مجدد قطعه‌های هیدروکربنی است که به هنگام کراکینگ یعنی شکسته شدن مولکولهای بزرگتر سوخت در اثر گرما به چندین قسمت تبدیل می‌شوند. این قطعات هیدروکربنی با کاهش نسبت اکسیژن به سوخت ، دوباره با یکدیگر ترکیب می‌شوند و با از دست دادن هیدروژن ، قطعه‌های غنی از کربن به یکدیگر جوش خورده ، ترکیبات هیدروکربنی آروماتیک چند هسته‌ای را تشکیل می‌دهند که مولکولهای بسیار پایداری بشمار می‌روند.
PAH ها به عنوان آلاینده‌های هوا
این ترکیبات از آلاینده‌های متداول هوا هستند و در شهرهای بزرگ و صنعتی ، غلظت آنها در هوا روز به روز بیشتر می‌شود. PAH هایی که تعداد حلقه‌هایشان 4 یا کمتر از آن است وقتی رها می‌شوند در هوا بصورت گاز باقی مانده و معمولا کمتر از یک روز توسط واکنشهای رادیکالی تخریب می‌شوند. اما PAH های با بیش از 4 حلقه بنزن بر خلاف همرده‌های کوچکتر خود برای مدت طولانی در هوا به صورت مولکولهای گازی دوام نمی‌آورند و بعلت کم بودن فشار بخار به سرعت متراکم شده ، جذب سطحی دوده و خاکستر می‌شوند و بعلت ریز بودن برخی ذرات دوده ، ممکن است از راه تنفس وارد ششها شوند.
PAH ها به عنوان آلاینده‌های آب
هیدروکربنهای آروماتیک پلی‌سیکلیک همچنین از آلاینده‌های جدی آب بشمار می‌روند. PAH ها به مقدار قابل ملاحظه‌ای در تولید مشتقات قطران زغال‌سنگ مانند کرئوزوت که محافظ چوب است، بوجود می‌آید. استفاده از کرئوزوت برای محافظت الوارهای غوطه‌ور در آب لنگرها باعث نفوذ PAH ها به آب و باعث آلودگی سخت‌پوستان می‌شود. این ترکیبات همچنین از ریخته شدن نفت از نفتکش‌ها و پالایشگاه‌ها و محلهای حفر چاه واقع در فلات قاره ، وارد محیط زیست آبی می‌شوند. PAH های بزرگتر در بافتهای چربی برخی موجودات دریایی تجمع زیستی دارند.

منبع مهم PAH
گازهای خروجی از موتورهای بنزین سوز و دیزلی ، قطران دود سیگار ، سطح غذای سوخته ، دود ناشی از سوختن چوب یا زغال ‌سنگ یا سایر فراورده‌های احتراق که در آنها کربن موجود در سوخت بطور کامل به CO یا CO2 تبدیل نمی‌شود، از منابع PAHها هستند. اگر چه این مواد تنها حدود 0.1 % مواد معلق موجود در هوا را تشکیل می‌دهند، وجود آنها به‌عنوان آلاینده‌های جوی موجب نگرانی است.، زیرا شواهدی از سرطانزایی آنها دست‌کم در حیوانات آزمایشگاهی در دست است.
دوده
دوده بطور عمده ، کربن گرافیت مانند است و از خرده بلورهایی که هر کدام از آنها از لایه‌های روی هم انباشته اتمهای کربن است، تشکیل یافته است که تمام آنها در حلقه‌های جوش خورده بنزن شرکت دارند. گرافیت ، PAH نهایی است. هر کدام از صفحه‌های موازی حلقه‌های جوش خورده بنزن دارای تعداد بی‌شماری اتمهای کربن است. در گرافیت هیچ اتم هیدروژنی بجز در پیرامون لایه‌ها وجود ندارد. سطوح ذره‌های دوده ، جاذبه‌های مناسبی برای مولکولهای گازی است.