Ugljikovodici su organski kemijski spojevi koji se u potpunosti sastoje od ugljika i vodika, a kreću se od jednostavnih molekula kao što je metan, do polimera kao što je polistiren, koji se sastoji od tisuća atoma. Sposobnost ugljikovih atoma da se međusobno snažno vežu omogućava im da tvore gotovo neograničen niz lanaca, prstenova i drugih struktura koje čine okosnicu organskih molekula. Budući da svaki atom može formirati četiri veze, te okosnice uključuju druge elemente, poput vodika. Spojevi su zapaljivi jer će se dva elementa koja sadrže lako spojiti s kisikom u zraku, oslobađajući energiju. Fosilna goriva, kao što su nafta i prirodni plin, prirodne su mješavine ugljikovodika; ugljen također sadrži nešto, iako je uglavnom samo ugljik.
Struktura i konvencije o imenovanju
Imenovanje ugljikovodika slijedi određene konvencije, iako u mnogim slučajevima spojevi mogu biti poznatiji pod starijim nazivima. U modernom sustavu prvi dio imena predstavlja broj ugljikovih atoma u molekuli: u uzlaznom nizu, prvih osam ima prefiks met-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- i listopad-. Spojevi u kojima su svi ugljici spojeni jednostrukim vezama poznati su kao alkani i imaju nazive koji završavaju na –an. Dakle, prvih osam alkana su metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan i oktan.
Atomi ugljika također mogu međusobno tvoriti dvostruke ili trostruke veze. Molekule koje imaju dvostruke veze poznate su kao alkeni i imaju nazive koji završavaju na –ene, dok se one koje imaju trostruke veze nazivaju alkini i imaju nazive koji završavaju na –yne. Molekule koje imaju samo jednostruke veze sadrže najveći mogući broj atoma vodika, pa se stoga opisuju kao zasićene. Gdje postoje dvostruke ili trostruke veze, manje je mjesta za vodik, pa se ovi spojevi opisuju kao nezasićeni.
Da damo jednostavan primjer, etan ima dva ugljika spojena jednom vezom, ostavljajući svaki u stanju da se veže na tri vodikova atoma, pa je njegova kemijska formula C2H6 i on je alkan. U etenu postoji dvostruka veza ugljik-ugljik, tako da može imati samo četiri vodika, što ga čini alkenom s formulom C2H4. Etin ima trostruku vezu, što mu daje formulu C2H2 i čini ga alkinom. Ovaj spoj je poznatiji kao acetilen.
Atomi ugljika također mogu formirati prstenove. Alkani s prstenovima imaju nazive koji počinju s ciklo-. Stoga je cikloheksan alkan sa šest ugljikovih atoma spojenih jednostrukim vezama na način da tvore prsten. Moguć je i prsten s izmjeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama, a poznat je kao benzenski prsten. Ugljikovodici koji sadrže benzenski prsten poznati su kao aromatični, jer mnogi od njih imaju ugodan miris.
Neke molekule ugljikovodika imaju lance koji se granaju. Butan, koji se inače sastoji od jednog lanca, može postojati u obliku u kojem je jedan atom ugljika vezan za dva druga, tvoreći granu. Ovi alternativni oblici molekule poznati su kao izomeri. Razgranati izomer butana poznat je kao izobutan.
Proizvodnja
Najveći dio proizvodnje ugljikovodika je iz fosilnih goriva: ugljena, nafte i prirodnog plina, koji se iz zemlje izvlače u količinama od milijuna tona dnevno. Sirova nafta je uglavnom mješavina mnogo različitih alkana i cikloalkana, s nekim aromatičnim spojevima. One se mogu odvojiti jedna od druge u rafinerijama nafte destilacijom, zbog različitih točaka vrelišta. Drugi proces koji se koristi poznat je kao “pucanje”: katalizatori se koriste za razbijanje nekih većih molekula u manje koje su korisnije kao goriva.
Nekretnine
Općenito govoreći, što je ugljikovodik složeniji, to su mu više točke taljenja i vrelišta. Na primjer, jednostavniji tipovi, kao što su metan, etan i propan, s jednim, dva, odnosno tri ugljika, su plinovi. Mnogi oblici su tekućine: primjeri su heksan i oktan. Čvrsti oblici uključuju parafinski vosak – mješavinu molekula s između 20 i četrdeset atoma ugljika – i razne polimere koji se sastoje od lanaca od tisuća atoma, kao što je polietilen.
Najznačajnija kemijska svojstva ugljikovodika su njihova zapaljivost i sposobnost stvaranja polimera. Oni koji su plinovi ili tekućine će reagirati s kisikom u zraku, proizvodeći ugljični dioksid (CO2) i vodu, te oslobađajući energiju u obliku svjetlosti i topline. Nešto energije mora biti opskrbljeno da bi se reakcija pokrenula, ali kada se jednom pokrene, ona je samoodrživa: ovi spojevi će izgorjeti, kao što je prikazano paljenjem plinske ploče za kuhanje šibicom ili iskrom. Čvrsti oblici također će izgorjeti, ali manje lako. U nekim slučajevima neće sav ugljik tvoriti CO2; čađu i dim mogu proizvesti neke vrste kada izgaraju na zraku, a pri nedovoljnoj opskrbi kisikom, svaki ugljikovodik može proizvesti otrovni plin bez mirisa, ugljični monoksid (CO).
Koristi
Zapaljivost ugljikovodika čini ih vrlo korisnim kao gorivo, a oni su primarni izvor energije za današnju civilizaciju. Diljem svijeta većina električne energije proizvodi se izgaranjem ovih spojeva, a oni se koriste za pogon praktički svih mobilnih strojeva: automobila, kamiona, vlakova, aviona i brodova. Također se koriste u proizvodnji mnogih drugih kemikalija i materijala. Većina plastike, na primjer, su ugljikovodični polimeri. Ostale namjene uključuju otapala, maziva i pogonska sredstva za aerosolne limenke.
Problemi s fosilnim gorivima
Ugljikovodici su bili vrlo uspješan izvor goriva u posljednjih dvjestotinjak godina, ali sve je više poziva da se smanji njihova upotreba. Njihovo izgaranje proizvodi dim i čađu, uzrokujući ozbiljne probleme onečišćenja u nekim područjima. Također proizvodi velike količine CO2. Među znanstvenicima postoji široko slaganje da sve veće razine ovog plina u atmosferi pomažu u zadržavanju topline, podizanju globalnih temperatura i mijenjanju klime na Zemlji.
Osim toga, fosilna goriva neće trajati vječno. Sagorijevanjem goriva sadašnjom brzinom, nafta bi mogla nestati za manje od jednog stoljeća, a ugljen za nekoliko stoljeća. Sve je to dovelo do poziva na razvoj obnovljivih izvora energije poput solarne energije i energije vjetra, te izgradnje više nuklearnih elektrana, koje proizvode nultu emisiju CO2. Godine 2007. Nobelova nagrada za mir dodijeljena je bivšem potpredsjedniku SAD-a Alu Goreu i UN-ovom Međuvladinom panelu za klimatske promjene za njihov rad na potvrđivanju i širenju poruke da je izgaranje ugljikovodika uvelike odgovorno za globalno zagrijavanje.