Οι υδρογονάνθρακες ⛽

1.1 Γενικά

Ο άνθρακας είναι ένα στοιχείο όλο εκπλήξεις. Ένας ολόκληρος κλάδος της Χημείας, η Οργανική Χημεία, μελετά τις ενώσεις του άνθρακα, εκτός από τα οξείδια του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα. Η Χημεία των οργανικών ενώσεων έχει τεράστιο ενδιαφέρον, όχι μόνο γιατί οι ζωντανοί οργανισμοί σχηματίζονται από ενώσεις που περιέχουν άνθρακα, αλλά και γιατί ένα μεγάλο μέρος του κόσμου που μας περιβάλλει είναι κατασκευασμένο από αυτές. Οι άνθρωποι τρέφονται, κινούνται, ντύνονται και θεραπεύονται χρησιμοποιώντας οργανικές ενώσεις.

Ο μοριακός τύπος μιας ένωσης μας πληροφορεί για το είδος και τον αριθμό των ατόμων κάθε στοιχείου στο μόριό της.

Ο συντακτικός τύπος μιας ένωσης μας πληροφορεί:

α. για το είδος και τον αριθμό των ατόμων κάθε στοιχείου στο μόριο της ένωσης, και

β. για τον τρόπο σύνδεσής τους στο επίπεδο.

Γιατί ο άνθρακας σχηματίζει τόσες πολλές ενώσεις; Ο κυριότερος λόγος είναι η ιδιαίτερη ικανότητα που έχουν τα άτομα του άνθρακα να συνδέονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν ανοικτές αλυσίδες και κλειστές αλυσίδες, που ονομάζονται δακτύλιοι.

Οι υδρογονάνθρακες είναι μια μεγάλη ομάδα ενώσεων που, όπως δηλώνει και το όνομά τους, αποτελούνται μόνον από άτομα άνθρακα και υδρογόνου. Ο αριθμός τους είναι μεγαλύτερος από 7 εκατομμύρια. Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο είναι η κύρια πηγή παραγωγής υδρογονανθράκων.

Ο μεγάλος αριθμός τους και η ανάγκη για ουσιαστική μελέτη των ιδιοτήτων και των μεθόδων παρασκευής τους υποχρέωσε τους χημικούς να τους ταξινομήσουν σε ομάδες, είτε με βάση τη μορφή της ανθρακικής αλυσίδας είτε με βάση τον τρόπο σύνδεσης των ατόμων άνθρακα μεταξύ τους.

1.2 Ταξινόμηση υδρογονανθράκων

Ο σκελετός των υδρογονανθράκων είναι η ανθρακική αλυσίδα και, με βάση τη μορφή της, οι υδρογονάνθρακες διακρίνονται σε:

• άκυκλους, στους οποίους τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν ανοικτές αλυσίδες. Σε αυτές τα άτομα του άνθρακα είτε είναι διατεταγμένα στη σειρά (ευθεία αλυσίδα) είτε διακλαδίζονται (διακλαδισμένη αλυσίδα), και
• κυκλικούς, στους οποίους τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν κλειστές αλυσίδες, δηλαδή δακτυλίους.

Στο μόριο του μεθανίου, το άτομο του άνθρακα συνδέεται με 4 άτομα υδρογόνου· λέμε ότι ο άνθρακας σχηματίζει 4 δεσμούς με άλλα άτομα άνθρακα, υδρογόνου ή άλλων στοιχείων, ενώ το υδρογόνο σχηματίζει 1 δεσμό. Αντίστοιχα, στην αμμωνία το άζωτο σχηματίζει 3 δεσμούς και στο νερό το οξυγόνο σχηματίζει 2 δεσμούς με το υδρογόνο.

Με βάση τον τρόπο σύνδεσης των ατόμων άνθρακα, οι υδρογονάνθρακες διακρίνονται σε:

• κορεσμένους, και
• ακόρεστους.

Ονομάζονται κορεσμένοι οι υδρογονάνθρακες στους οποίους όλα τα άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με έναν απλό δεσμό.

Ονομάζονται ακόρεστοι οι υδρογονάνθρακες στους οποίους δύο τουλάχιστον άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με διπλό ή με τριπλό δεσμό.

Οι άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες ονομάζονται αλκάνια. Οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με ένα διπλό δεσμό ονομάζονται αλκένια και οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με έναν τριπλό δεσμό ονομάζονται αλκίνια.

Οι υδρογονάνθρακες που περιέχουν 1 έως 3 άτομα άνθρακα (C) στο μόριό τους είναι οι εξής:

1.3 Καύση των υδρογονανθράκων

Η καύση είναι η πιο γνωστή από την εμπειρία μας χημική αντίδραση, τόσο προσιτή που ίσως ποτέ δεν αναρωτηθήκαμε τι είναι.

Τα αέρια προϊόντα της καύσης ονομάζονται καυσαέρια.

Πείραμα: καύση βουτανίου και ανίχνευση των καυσαερίων

Πάνω από έναν λύχνο που περιέχει βουτάνιο και καίγεται, τοποθετούμε ένα χωνί. Το χωνί συνδέεται με σωλήνα που περιέχει άνυδρο θειικό χαλκό και στη συνέχεια με κωνική φιάλη που περιέχει διαυγές ασβεστόνερο.

Μετά από λίγα λεπτά παρατηρούμε ότι ο λευκός άνυδρος θειικός χαλκός στο σωλήνα γίνεται μπλε: κατά την καύση του βουτανίου παράγεται νερό, το οποίο δεσμεύεται από τον άνυδρο θειικό χαλκό και τον μετατρέπει σε ένυδρο, που είναι μπλε. Παράλληλα, το διαυγές ασβεστόνερο στην κωνική φιάλη θολώνει: κατά την καύση του βουτανίου παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δεσμεύεται από το διαυγές ασβεστόνερο και σχηματίζει δυσδιάλυτο ανθρακικό ασβέστιο, $CaCO_3$.

Το $H_2O$ προκύπτει από την ένωση του υδρογόνου (Η) που περιέχεται στο βουτάνιο με το οξυγόνο του αέρα που χρησιμοποιείται για την καύση. Το $CO_2$ προκύπτει από την ένωση του άνθρακα (C) που περιέχεται στο βουτάνιο, επίσης με το οξυγόνο του αέρα. Τα ίδια προϊόντα προκύπτουν από την καύση οποιουδήποτε υδρογονάνθρακα με επαρκή ποσότητα οξυγόνου.

Οι χημικές εξισώσεις που περιγράφουν την τέλεια καύση του μεθανίου και του βουτανίου είναι:

Παρατηρούμε: όσα άτομα C, H και O υπάρχουν στο 1ο μέλος, τόσα υπάρχουν και στο 2ο μέλος της χημικής εξίσωσης — αυτή είναι η αρχή της διατήρησης των ατόμων.

Πείραμα: η καύση της παραφίνης μπορεί να παράγει αιθάλη

Ανάβουμε το φυτίλι ενός κεριού παραφίνης και περνάμε μέσα από τη φλόγα του, μερικές φορές, μια γυάλινη επιφάνεια. Στη γυάλινη επιφάνεια σχηματίζονται μαύρα ίχνη. Τα ίχνη αυτά είναι καπνιά, δηλαδή άνθρακας που δεν κάηκε, ο οποίος ονομάζεται αιθάλη. Η αιθάλη παράγεται επειδή η ποσότητα του διαθέσιμου οξυγόνου δεν είναι επαρκής για την τέλεια καύση της παραφίνης.

Οι χημικές εξισώσεις που περιγράφουν την ατελή καύση του μεθανίου είναι:

1.4 Οι υδρογονάνθρακες ως καύσιμα

Η καύση είναι η πρώτη χημική αντίδραση που χρησιμοποιήθηκε από τους ανθρώπους. Οι μακρινοί μας πρόγονοι έκαιγαν ξύλα για να ζεσταθούν, να μαγειρέψουν και να παράγουν νέα υλικά, όπως αντικείμενα αργιλοπλαστικής. Ακόμη και σήμερα καίγονται υλικά για τη θέρμανση, το μαγείρεμα, την κίνηση αυτοκινήτων, τρένων, πλοίων, αεροπλάνων και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υλικά αυτά ονομάζονται καύσιμα.

Τα καύσιμα τα οποία εξορύσσονται από τη γη ονομάζονται ορυκτά καύσιμα και είναι:

• ο άνθρακας,
• το πετρέλαιο,
• το φυσικό αέριο.

Το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αποτελούνται κυρίως από κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Η καύση τους είναι μια εξώθερμη αντίδραση, η οποία ελευθερώνει την απαραίτητη ενέργεια για τις ανάγκες της κοινωνίας μας.

1.5 Η ρύπανση της ατμόσφαιρας

Ένα μεγάλο μέρος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, η οποία αποτελεί ένα φλέγον περιβαλλοντικό πρόβλημα, οφείλεται στα καυσαέρια, δηλαδή στα αέρια που εκπέμπονται κατά την καύση του πετρελαίου, της βενζίνης ή του φυσικού αερίου. Τα καυσαέρια διακρίνονται σε αδρανή (μη τοξικά) και σε τοξικά.

Αδρανή: το $H_2O$ και το $CO_2$. Το $CO_2$ δεν είναι τοξικό, αλλά είναι αέριο του θερμοκηπίου και ενοχοποιείται για την υπερθέρμανση του πλανήτη.

Τοξικά:

α. Τα οξείδια του αζώτου ($NO$, $NO_2$), τα οποία συμβολίζονται $NO_x$, και είναι υπεύθυνα για το φωτοχημικό νέφος, την όξινη βροχή και τη δημιουργία όζοντος ($O_3$) στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας.

β. Το μονοξείδιο του άνθρακα ($CO$) είναι δηλητηριώδες, γιατί δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη του αίματος και σε μεγάλες ποσότητες προκαλεί το θάνατο.

γ. Τα οξείδια του θείου ($SO_3$, $SO_2$), τα οποία συμβολίζονται $SO_x$, είναι υπεύθυνα για την όξινη βροχή και προκαλούν προβλήματα στο αναπνευστικό σύστημα.

1.6 Μέτρα προστασίας από την ατμοσφαιρική ρύπανση

Η αύξηση της βιομηχανικής παραγωγής, η βελτίωση του βιοτικού επιπέδου και η αύξηση των κάθε είδους καταναλωτικών αναγκών στις ανεπτυγμένες χώρες έχουν ως αναπόφευκτη συνέπεια την αύξηση των ενεργειακών αναγκών, επομένως την αύξηση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Οι επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην υγεία των ανθρώπων, στο φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον, αλλά και στην παγκόσμια οικονομία είναι ανυπολόγιστες. Οι κίνδυνοι αυτοί ανάγκασαν τις κυβερνήσεις πολλών κρατών να πάρουν μέτρα για τον περιορισμό της ρύπανσης.

Οι βασικοί τρόποι για τη μείωση των ρύπων είναι:

1. Αλλαγή στη λειτουργία των κινητήρων των αυτοκινήτων. Η χρήση καταλυτικών μετατροπέων επέτρεψε τη βελτίωση των κινητήρων, ώστε να χρησιμοποιούν λιγότερο βλαβερά καύσιμα. Στους καταλυτικούς μετατροπείς τα οξείδια του αζώτου μετατρέπονται σε άζωτο, το μονοξείδιο του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό.
2. Βελτίωση του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Συνίσταται κυρίως στην απομάκρυνση του θείου από τα καύσιμα, ώστε να περιοριστεί η παραγωγή των οξειδίων του θείου.
3. Έμμεσοι τρόποι που αποσκοπούν στον περιορισμό της αυτοκίνησης και στη χρήση μέσων μαζικής μεταφοράς.

Για την ουσιαστικότερη αντιμετώπιση του προβλήματος συζητούνται και άλλες λύσεις, όπως:

• η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας στην κίνηση των αυτοκινήτων (ηλεκτρικά αυτοκίνητα),
• η αντικατάσταση του καυσίμου των αυτοκινήτων από υδρογόνο, από την καύση του οποίου παράγεται νερό,
• η συστηματική συντήρηση των κινητήρων των αυτοκινήτων, ώστε να μην είναι ατελής η καύση,
• η αντικατάσταση του καυσίμου από καθαρό οινόπνευμα ή από μείγμα οινοπνεύματος και βενζίνης (πράσινη βενζίνη), κατά το παράδειγμα της Βραζιλίας,
• η χρήση της βιομάζας για τη θέρμανση και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το υδρογόνο: ένα καύσιμο από το μέλλον και για το μέλλον;

Η καύση των ορυκτών καυσίμων έχει δημιουργήσει προβλήματα με τις εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων, αλλά και αγωνία για το μέλλον, γιατί τα αποθέματά τους θα εξαντληθούν. Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο τόσο για θέρμανση όσο και για κίνηση.

Τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης υδρογόνου ως καυσίμου είναι:

1. παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού, που είναι ανανεώσιμος φυσικός πόρος,
2. είναι απόλυτα καθαρό καύσιμο, γιατί το μόνο προϊόν της καύσης του είναι το νερό.

Υπάρχουν όμως και μειονεκτήματα:

1. η ηλεκτρόλυση του νερού είναι μια ενεργοβόρα διαδικασία — λύση θα μπορούσε να είναι η χρήση άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως οι ανεμογεννήτριες ή τα φωτοβολταϊκά συστήματα,
2. οι αποθήκες-«κυψέλες» υδρογόνου είναι πολύ μεγάλες και βαριές σε σχέση με τα ντεπόζιτα βενζίνης,
3. απαιτείται νέα τεχνογνωσία και μεγάλες επενδύσεις για την αλλαγή της τεχνολογίας των αυτοκινήτων.