Kolväten är organiska kemiska föreningar som helt består av kol och väte, och sträcker sig från enkla molekyler som metan, till polymerer som polystyren, som består av tusentals atomer. Kolatomers förmåga att binda starkt till varandra gör att de kan bilda en nästan obegränsad mängd kedjor, ringar och andra strukturer som bildar ryggraden i organiska molekyler. Eftersom varje atom kan bilda fyra bindningar, inkluderar dessa ryggrader andra element, såsom väte. Föreningarna är brandfarliga, eftersom de två elementen de innehåller lätt kombineras med syre i luften och frigör energi. Fossila bränslen, såsom olja och naturgas, är naturligt förekommande blandningar av kolväten; kol innehåller också en del, även om det mest bara är kol.
Struktur- och namnkonventioner
Namnet på kolväten följer vissa konventioner, även om föreningar i många fall kan vara mer kända under äldre namn. I det moderna systemet representerar den första delen av namnet antalet kolatomer i molekylen: i stigande sekvens har de första åtta prefixet met-, et-, prop-, men-, pent-, hex-, hept- och okt-. Föreningar där kolen alla är förenade med enkelbindningar kallas gemensamt för alkaner och har namn som slutar på -an. Därför är de första åtta alkanerna metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan och oktan.
Kolatomer kan också bilda dubbel- eller trippelbindningar med varandra. Molekyler som har dubbelbindningar kallas alkener och har namn som slutar på -ene, medan de som har trippelbindningar kallas alkyner och har namn som slutar på -yne. Molekyler som bara har enkelbindningar innehåller så många väteatomer som möjligt och beskrivs därför som mättade. Där det finns dubbel- eller trippelbindningar finns det färre platser tillgängliga för väte, så dessa föreningar beskrivs som omättade.
För att ge ett enkelt exempel, etan har två kol förenade med en enkelbindning, vilket gör att var och en kan binda till tre väteatomer, så dess kemiska formel är C2H6 och det är en alkan. I eten finns en kol-kol dubbelbindning, så den kan bara ha fyra väten, vilket gör den till en alken med formeln C2H4. Etyn har en trippelbindning, vilket ger formeln C2H2 och gör den till en alkyn. Denna förening är mer känd som acetylen.
Kolatomerna kan också bilda ringar. Alkaner med ringar har namn som börjar med cyklo-. Därför är cyklohexan en alkan med sex kolatomer förenade med enkelbindningar på ett sådant sätt att det bildar en ring. En ring med omväxlande enkel- och dubbelbindningar är också möjlig, och är känd som en bensenring. Kolväten som innehåller en bensenring är kända som aromatiska, eftersom många av dem är behagligt doftande.
Vissa kolvätemolekyler har kedjor som förgrenar sig. Butan, som normalt består av en enda kedja, kan existera i en form där en kolatom är bunden till två andra och bildar en gren. Dessa alternativa former av en molekyl är kända som isomerer. Den grenade isomeren av butan är känd som isobutan.
Produktion
Den största delen av produktionen av kolväten kommer från fossila bränslen: kol, olja och naturgas, som utvinns ur marken i mängder av miljoner ton per dag. Råolja är mestadels en blandning av många olika alkaner och cykloalkaner, med några aromatiska föreningar. Dessa kan separeras från varandra vid oljeraffinaderier genom destillation på grund av deras olika kokpunkter. En annan process som används är känd som ”krackning”: katalysatorer används för att bryta några av de större molekylerna till mindre som är mer användbara som bränsle.
Fastigheter
Generellt sett gäller att ju mer komplext ett kolväte är, desto högre är dess smält- och kokpunkter. Till exempel är de enklare typerna, såsom metan, etan och propan, med ett, två respektive tre kol, gaser. Många former är vätskor: exempel är hexan och oktan. Fasta former inkluderar paraffinvax – en blandning av molekyler med mellan 20 och fyrtio kolatomer – och olika polymerer som består av kedjor med tusentals atomer, såsom polyeten.
De mest anmärkningsvärda kemiska egenskaperna hos kolväten är deras lättantändlighet och deras förmåga att bilda polymerer. De som är gaser eller vätskor kommer att reagera med syre i luften, producera koldioxid (CO2) och vatten och frigöra energi i form av ljus och värme. En del energi måste tillföras för att starta reaktionen, men när den väl har startat är den självförsörjande: dessa föreningar kommer att brinna, vilket illustreras genom att tända en gashäll med en tändsticka eller gnista. Fasta former kommer också att brännas, men mindre lätt. I vissa fall kommer inte allt kol att bilda CO2; sot och rök kan produceras av vissa typer när de brinner i luft, och vid otillräcklig tillförsel av syre kan vilket kolväte som helst producera den giftiga, luktfria gasen kolmonoxid (CO).
du använder
Kolvätens brännbarhet gör dem mycket användbara som bränslen, och de är den primära energikällan för dagens civilisation. Över hela världen genereras det mesta av elektriciteten genom förbränning av dessa föreningar, och de används för att driva praktiskt taget alla mobila maskiner: bilar, lastbilar, tåg, flygplan och fartyg. De används också vid tillverkning av många andra kemikalier och material. De flesta plaster är till exempel kolvätepolymerer. Andra användningsområden inkluderar lösningsmedel, smörjmedel och drivmedel för aerosolburkar.
Problem med fossila bränslen
Kolväten har varit en mycket framgångsrik bränslekälla under de senaste tvåhundra åren eller så, men det finns allt fler krav på att minska användningen. Deras förbränning producerar rök och sot, vilket orsakar allvarliga föroreningsproblem i vissa områden. Det producerar också stora mängder CO2. Det råder bred enighet bland forskare om att ökande halter av denna gas i atmosfären hjälper till att fånga värme, höja den globala temperaturen och förändra jordens klimat.
Dessutom kommer fossila bränslen inte att hålla för evigt. Genom att bränna bränsle i nuvarande takt kan oljan ta slut på mindre än ett sekel och kol om flera århundraden. Allt detta har lett till uppmaningar om att utveckla förnybara energikällor som sol- och vindkraft, och byggandet av fler kärnkraftverk, som ger noll CO2-utsläpp. År 2007 delades Nobels fredspris ut till USA:s förre vicepresident Al Gore och FN:s mellanstatliga panel för klimatförändringar för deras arbete med att bekräfta och sprida budskapet att förbränning av kolväten är till stor del ansvarig för den globala uppvärmningen.