Ogļūdeņraži ir organiski ķīmiski savienojumi, kas pilnībā sastāv no oglekļa un ūdeņraža un svārstās no vienkāršām molekulām, piemēram, metāna, līdz polimēriem, piemēram, polistirolam, kas sastāv no tūkstošiem atomu. Oglekļa atomu spēja cieši saistīties vienam ar otru ļauj tiem veidot gandrīz neierobežotu dažādu ķēžu, gredzenu un citu struktūru klāstu, kas veido organisko molekulu mugurkaulu. Tā kā katrs atoms var veidot četras saites, šie mugurkaula elementi ietver citus elementus, piemēram, ūdeņradi. Savienojumi ir viegli uzliesmojoši, jo tajos esošie divi elementi viegli savienosies ar skābekli gaisā, atbrīvojot enerģiju. Fosilais kurināmais, piemēram, nafta un dabasgāze, ir dabā sastopami ogļūdeņražu maisījumi; ogles satur arī dažas, lai gan tās galvenokārt ir tikai ogleklis.
Struktūras un nosaukumu konvencijas
Ogļūdeņražu nosaukumi tiek doti saskaņā ar noteiktām konvencijām, lai gan daudzos gadījumos savienojumi var būt labāk pazīstami ar vecākiem nosaukumiem. Mūsdienu sistēmā nosaukuma pirmā daļa apzīmē oglekļa atomu skaitu molekulā: augošā secībā pirmajiem astoņiem ir prefiksi met-, et-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- un okt-. Savienojumus, kuros oglekli savieno atsevišķas saites, kopā sauc par alkāniem, un to nosaukumi beidzas ar –anu. Tāpēc pirmie astoņi alkāni ir metāns, etāns, propāns, butāns, pentāns, heksāns, heptāns un oktāns.
Oglekļa atomi var arī veidot divkāršas vai trīskāršas saites viena ar otru. Molekulas, kurām ir dubultās saites, sauc par alkēniem, un to nosaukumi beidzas ar –ene, savukārt tās, kurām ir trīskāršās saites, sauc par alkīniem, un to nosaukumi beidzas ar -yne. Molekulas, kurām ir tikai atsevišķas saites, satur maksimāli iespējamo ūdeņraža atomu skaitu, un tāpēc tās tiek raksturotas kā piesātinātas. Vietās, kur ir dubultās vai trīskāršās saites, ūdeņradim ir mazāk vietu, tāpēc šie savienojumi tiek raksturoti kā nepiesātināti.
Lai sniegtu vienkāršu piemēru, etānā ir divi oglekli, kas savienoti ar vienu saiti, atstājot katru no tiem spējīgiem saistīties ar trim ūdeņraža atomiem, tāpēc tā ķīmiskā formula ir C2H6 un tas ir alkāns. Etēnā ir oglekļa-oglekļa dubultsaite, tāpēc tajā var būt tikai četri ūdeņraži, padarot to par alkēnu ar formulu C2H4. Etīnam ir trīskāršā saite, piešķirot tam formulu C2H2 un padarot to par alkīnu. Šis savienojums ir labāk pazīstams kā acetilēns.
Oglekļa atomi var arī veidot gredzenus. Alkāniem ar gredzeniem ir nosaukumi, kas sākas ar ciklo-. Tāpēc cikloheksāns ir alkāns ar sešiem oglekļa atomiem, kas savienoti ar atsevišķām saitēm tā, lai izveidotu gredzenu. Ir iespējams arī gredzens ar mainīgām vienkāršām un dubultām saitēm, un to sauc par benzola gredzenu. Ogļūdeņraži, kas satur benzola gredzenu, ir pazīstami kā aromātiskie, jo daudzi no tiem ir patīkami smaržojoši.
Dažām ogļūdeņražu molekulām ir ķēdes, kas sazarojas. Butāns, kas parasti sastāv no vienas ķēdes, var pastāvēt tādā formā, kurā viens oglekļa atoms ir saistīts ar diviem citiem, veidojot atzarojumu. Šīs alternatīvās molekulas formas ir pazīstamas kā izomēri. Butāna sazarotais izomērs ir pazīstams kā izobutāns.
ražošana
Lielākā daļa ogļūdeņražu tiek iegūti no fosilā kurināmā: akmeņoglēm, naftas un dabasgāzes, kas tiek iegūti no zemes miljoniem tonnu dienā. Jēlnafta galvenokārt ir daudzu dažādu alkānu un cikloalkānu maisījums ar dažiem aromātiskiem savienojumiem. Tos var atdalīt vienu no otra naftas pārstrādes rūpnīcās ar destilāciju, jo tiem ir dažādi viršanas punkti. Cits izmantotais process ir pazīstams kā “krekinga”: tiek izmantoti katalizatori, lai sadalītu dažas lielākās molekulas mazākās, kas ir noderīgākas kā degviela.
Rekvizīti
Vispārīgi runājot, jo sarežģītāks ir ogļūdeņradis, jo augstāka ir tā kušanas un viršanas temperatūra. Piemēram, vienkāršāki veidi, piemēram, metāns, etāns un propāns, ar attiecīgi vienu, diviem un trim oglekļa atomiem, ir gāzes. Daudzas formas ir šķidrumi: piemēram, heksāns un oktānskaitlis. Cietās formas ietver parafīna vasku — molekulu maisījumu ar no 20 līdz četrdesmit oglekļa atomiem — un dažādus polimērus, kas sastāv no tūkstošiem atomu ķēdēm, piemēram, polietilēnu.
Ievērojamākās ogļūdeņražu ķīmiskās īpašības ir to uzliesmojamība un spēja veidot polimērus. Tie, kas ir gāzes vai šķidrumi, reaģēs ar skābekli gaisā, veidojot oglekļa dioksīdu (CO2) un ūdeni, kā arī atbrīvojot enerģiju gaismas un siltuma veidā. Lai sāktu reakciju, ir jāpiegādā zināma enerģija, taču, tiklīdz tā ir sākusies, tā ir pašpietiekama: šie savienojumi sadegs, kā parādīts, aizdedzinot gāzes plīti ar sērkociņu vai dzirksteli. Cietās formas arī sadegs, bet mazāk viegli. Dažos gadījumos ne viss ogleklis veidos CO2; Daži veidi var radīt sodrējus un dūmus, kad tie sadedzina gaisā, un, ja nepietiek skābekļa piegādes, jebkurš ogļūdeņradis var radīt toksisku, bez smaržas gāzi, oglekļa monoksīdu (CO).
Izmanto
Ogļūdeņražu uzliesmojamība padara tos ļoti noderīgus kā degvielu, un tie ir galvenais enerģijas avots mūsdienu civilizācijai. Visā pasaulē lielākā daļa elektroenerģijas tiek saražota, sadedzinot šos savienojumus, un tos izmanto, lai darbinātu praktiski visas mobilās mašīnas: automašīnas, kravas automašīnas, vilcienus, lidmašīnas un kuģus. Tos izmanto arī daudzu citu ķīmisko vielu un materiālu ražošanā. Piemēram, lielākā daļa plastmasas ir ogļūdeņražu polimēri. Citi lietojumi ietver šķīdinātājus, smērvielas un aerosola baloniņu propelentus.
Problēmas ar fosilo kurināmo
Apmēram pēdējos divsimt gadus ogļūdeņraži ir bijuši ļoti veiksmīgs degvielas avots, taču arvien vairāk tiek aicināts samazināt to izmantošanu. To sadegšana rada dūmus un kvēpus, kas dažos apgabalos rada nopietnas piesārņojuma problēmas. Tas arī rada lielu daudzumu CO2. Zinātnieku vidū valda plaša vienprātība, ka šīs gāzes pieaugošais līmenis atmosfērā palīdz aizturēt siltumu, paaugstina globālo temperatūru un maina Zemes klimatu.
Turklāt fosilais kurināmais nebūs mūžīgs. Dedzinot degvielu pašreizējā tempā, nafta varētu beigties mazāk nekā gadsimtā un ogles pēc vairākiem gadsimtiem. Tas viss ir izraisījis aicinājumus attīstīt atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, saules un vēja enerģiju, kā arī būvēt vairāk atomelektrostaciju, kas nerada CO2 emisijas. 2007. gadā Nobela Miera prēmija tika piešķirta bijušajam ASV viceprezidentam Alam Goram un ANO Klimata pārmaiņu starpvaldību padomei par darbu, apstiprinot un izplatot vēstījumu, ka ogļūdeņražu sadegšana lielā mērā ir atbildīga par globālo sasilšanu.