تشير الهيدروكربونات الأليفاتية إلى مركبات عضوية تتكون من سلاسل مستقيمة أو متفرعة أو حلقات غير عطرية تحتوي على الكربون والهيدروجين المرتبطين معًا. وتستخدم معظم هذه المركبات كوقود، حيث تشكل المكون الرئيسي للنفط والغاز الطبيعي.
مركبات الهيدروكربونات
الهيدروكربونات هي أبسط المركبات العضوية التي تتكون من نوعين فقط من الذرات، ولكن هناك مجموعات مختلفة منها بسبب وجود سلاسل مختلفة الأطوال. توجد الهيدروكربونات في الأشجار والنباتات على شكل أصباغ تسمى الكاروتينات، وتوجد في الجزر والأوراق الخضراء.
استخدامات مركبات الهيدروكربونات
تُستخدم مركبات الهيدروكربونات كوقود ومواد تشحيم ومواد خام لإنتاج البلاستيك والمطاط والألياف والمذيبات والمواد الكيميائية الصناعية.
تحتوي العديد من النباتات والحيوانات والوقود الأحفوري على مركبات الهيدروكربونات، ويمكن تحضير بعض هذه المركبات في المختبر.
أنواع المركبات الهيدروكربونية
قسم الكيميائيون في القرن التاسع عشر الهيدروكربونات إلى نوعين وهما:
الهيدروكربونات الأليفاتية
تشتق هذه المركبات من عملية الذوبان الكيميائي للدهون والزيوت، وقسّم الكيميائيون الهيدروكربونات الأليفاتية إلى ثلاث مجموعات رئيسية، وتم تقسيم هذه المجموعات حسب نوع الروابط الموجودة بها
- الألكانات alkanes.
- الألكينات alkenes.
- الألكاينات alkynes.
الهيدروكربونات العطرية
تشتق هذه المركبات من تقطير مستخلصات بعض أنواع النباتات ذات الرائحة العطرية، وتنقسم هذه المركبات إلى نوعين:
- الهيدروكربونات العطرية Arenes: وحدة البناء الأساسية فيها هي حلقة البنزين.
- الهيدروكربونات العطرية غير البنزنويدية: وتفتقر هذه المركبات إلى حلقة البنزين.
تعريف الهيدروكربونات الأليفاتية
– يتألف المركب الأليفاتي من مركب هيدروكربوني يحتوي على الكربون والهيدروجين،حيث يتم الجمع بينهما في سلاسل مستقيمة أو متفرعة أو حلقات غير عطرية.
تنقسم المركبات الأليفاتية إلى مشبعة مثل الهكسان والألكانات الأخرى، وغير مشبعة مثل الهكسين والألكينات الأخرى.
الألكانات
تحتوي الألكانات على روابط أحادية فقط مع ذرة الكربون C، وهي أبسط الألكانات التي تحتوي على ذرات كربون مستقيمة، وتسمى ألكانات طبيعية، والميثان هو أصغر ألكان وفقًا لعدد ذرات الكربون C الموجودة فيه.
حيث تتبع جميع الألكانات الصيغة العامة الجزيئية وهي CnH2n + 2 ، ومن هذه الصيغة نستنتج أن عدد ذرات الهيدروجين يساوي ضعف عدد ذرات الكربون بالإضافة إلى العدد.
سيكلو الكانات cycloalkanes
في بعض الأحيان، نجد هيدروكربون أليفاتي مكون من حلقة من ذرات الكربون C؛ وتسمى هذه الهيدروكربونات سيكلو ألكانات (أو ألكيل حلقي أو سيكلو ألكينات). نظرًا لأن الألكانات لديها أكبر عدد ممكن من ذرات الهيدروجين H وفقًا لقواعد الروابط التساهمية، يتكون الألكانات الحلقية أيضًا من الهيدروكربونات المشبعة.
السلسلة المتجانسة للهيدروكربونات الأليفاتية
السلاسل المتجانسة – هي مجموعة من المركبات العضوية التي تشترك في الخصائص الكيميائية مثل التفاعلات الاحتراق والتفاعلات التحفيزية، وتختلف في الخصائص الفيزيائية مثل نقطة الغليان والكثافة.
يتكون الميثان (CH4) والإيثان (C2H6) والبروبان (C3H8) من سلسلة مركبات، حيث يختلف المركب الواحد عن الذي يليه في السلسلة بزيادة ذرة كربون واحدة وذرتي هيدروجين، وهي وحدة ميثيلين CH2.
تسمية الألكانات (تسمية IUPAC)
ابتكر IUPAC (الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية) طريقةمنهجية لتسمية الهيدروكربونات والمركبات العضوية الأخرى، وتُعرف هذه القواعد باسم نظام التسمية IUPAC الذي يستخدم في جميع أنحاء العالم.
يتم تسمية المركب بناءً على أطول سلسلة مستمرة من ذرات الكربون (LCC)، ثم يتم تسمية الذرات أو المجموعات الفرعية المرتبطة بسلسلة الكربون، والمعروفة باسم البدائل، مع تحديد مواقعها على سلسلة الكربون الأصلية باستخدام الأرقام.
الألكانات المتفرعة السلسلة
إحدى جوانب الكيمياء العضوية الشيقة هي أنها ثلاثية الأبعاد، ويمكن أن يؤثر شكل الجزيء في الفضاء على خصائصه، وقد تختلف الجزيئات في ترتيب الذرات ويمكن تجميع نفس مجموعة الذرات بأكثر من طريقة.
Isomerism الايزومرات
تتميز مركبات الكيمياء العضوية بخاصية الايزوميرية، حيث تحتوي على نفس الصيغة الجزيئية، ولكن تختلف في ترتيب الذرات، مما يؤدي إلى اختلاف الخواص الكيميائية والتسميات.
الالكينات والالكاينات
– الألكينات هي مركبات تحتوي على رابطة ثنائية واحدة على الأقل بين ذرات الكربون، والصيغة العامة لها هي CnH2n، وهي تتميز بشدة تفاعلها الكيميائي، مثل الإيثين والإيثيلين والبروبين.
تحتوي المركبات الألكاينية على رابطة ثلاثية على الأقل بين ذرات الكربون، وهي مركبات كيميائية شديدة التفاعل، حيث تشمل بعضها إضافة الهيدروجين أو الهالوجينات، مثل البروباين.
خصائص الهيدروكربونات الأليفاتية
تتميز الهيدروكربونات الأليفاتية ببعض الخصائص هي:
- تتميز المركبات الهيدروكربونية الأليفاتية بأنها قابلة للاشتعال، ولذلك يتم استخدام هذه المركبات كوقود.
- يمكن أن تكون الهيدروكربونات الأليفاتية حلقية، مما يعني أنها يمكن أن تتكون من سلاسل أو حلقاتتحتوي على ذرات الكربون.
- يوجد فرق صغير في الكهروسالبية بين الكربون والهيدروجين، وهذا الفرق البسيط يعني أن الروابطبينهما ضعيفة للغاية، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الغليان والانصهار عند تفرع السلسلة.
- بسبب عدم قطبية الهيدروكربونات الأليفاتية، فإنها عادة ما تكون غير قابلة للذوبان في الماء أو المذيبات القطبية الأخرى، ولكنها تذوب بسهولة في المذيبات غير القطبية مثل البنزين وإيثر ثنائي الإيثيل.
- تطفو الهيدروكربونات الأليفاتية على سطح الماء لأن كثافتها أقل من كثافة الماء.
خصائص الألكانات
تعد الغازات الأعضاء الأصغر في عائلة الألكان، في حين تعد المركبات السائلة والصلبة المركبات الأكبر، وتوجد هذه المركبات في مصادر الوقود مثل الغاز الطبيعي والبترول، وعادة ما تكون المركبات الصلبة ذات ملمس شمعي.
- تستخدم الألكانات في العديد من التطبيقات الصناعية غير الوقود، مثل مستحضرات التجميل والبلاستيك.
- تتميز الألكينات والألكاينات بنشاط كيميائي أكبر من الألكانات، وذلك لأنها تتضمن روابط مزدوجة وثلاثية، بينما تفتقر الألكانات لهذه الروابط، مما يجعلها أقل نشاطًا كيميائيًا.
- تشارك الألكانات في عملية الاحتراق والهالوجينة، والتي تشير إلى التفاعل مع الهالوجينات مثل الكلور Cl2 أو البروم Br.
أمثلة الهيدروكربونات الأليفاتية
بعض أمثلة الهيدروكربونات الأليفاتية وعدد ذرات الكربون بها:
- الميثان يحتوي على سلسلة كربونية واحدة كجزء أساسي للمركب.
- يتضمن كل من إيثان (الكان) وإيثين (الكين) وإيثاين (الكاين) ذرتي كربون في السلسلة الأساسية للمركب.
- يحتوي البروبان (الكان) والبروبين (الكين) والبوباين (الكاين) على ثلاثة ذرات كربون في السلسلة الأساسية للمركبين.
- يتكون كل من بيوتان (الكان)، بيوتين (الكين) وبيوتاين (الكاين) من ثلاث ذرات كربون في السلسلة الأساسية للمركب.
استخدامات الهيدروكربونات الأليفاتية
من أهم مميزات المركبات الأليفاتية هو أن معظمها قابل للاشتعال، مما يجعل استخدام الهيدروكربونات الأليفاتية كوقود مثل الميثان في موقد البنزين، على سبيل المثال الغاز الطبيعي المسال، والإيثيلين في عمليات اللحام.
تأثيرات الهيدروكربونات الأليفاتية
تشكل المركبات الهيدروكربونية الأليفاتية مكونات أساسية للنفط والغاز الطبيعي والمبيدات الحشرية، والتي تؤدي إلى:
- ظاهرة الاحتباس الحراري وتغير المناخ.
- اتساع ثقب الأوزون.
- تقليل عملية التمثيل الضوئي للنبات.
- زيادة خطر إصابة الإنسان بمرض السرطان.
- اضطرابات الجهاز التنفسي.
تعتبر الهيدروكربونات الأليفاتية هي أحد أبسط فروع الكيمياء العضوية، ولكنها لا تزال من أهم فروعها لما تحمله من أهمية في مجال الوقود والطاقة، وهو ما يحتاجه الدول الصناعية في العصر الحديث.