ما هي الهيدروكربونات الحلقية

الهيدروكربونات الحلقية هي أحد أشهر مركبات الكيمياء العضوية، وتعد من المركبات التي تحيط بنا فمن الممكن أن تجدها في اللحم المشوي، والذي يحتوي على مركبات كيميائية ومنها الهيدروكربونات التي تتكون من مركبات متنوعة مثلا جزيئات الكربون والهيدروجين التي تشترك معا للعمل على تكوينها وهي من ضمن مجموعات الجدول الدوري.

الهيدروكربونات الحلقية

الهيدروكربونات الحلقية هي جزيئات عضوية تتكون بالكامل من الكربون والهيدروجين، مثل البروبان (C3H8) في شواية الغاز، أو البيوتان (C4H10) في الولاعة.

تستطيع العديد من الروابط التساهمية بين الذرات في الهيدروكربونات تخزين كمية كبيرة من الطاقة، التي يمكن تحريرها عند حرق هذه الجزيئات بالكامل .

أنواع الهيدروكربونات الحلقية

الهيدروكربونات الأليفاتية

تعتبر واحدة من الهيدروكربونات الحلقية التي تتألف من سلاسل خطية من ذرات الكربون.

الهيدروكربونات الأروماتية

هي نوع آخر من المركبات الهيدروكربونية الحلقية، المعروفة باسم المركبات العطرية، والتي تتكون من حلقات مغلقة من ذرات الكربون.

تركيب الهيدروكربونات الحلقية

تتكون هياكل الهيدروكربونات الحلقية من حلقة مغلقة ترتبط ببعضها البعض بروابط تساهمية فردية، وفي بعض الأحيان تحتوي على روابط مزدوجة، ويمكن مقارنة هيكل الهكسان الحلقي بالبنزين لرؤية الفروقات بينهما.

تحتوي العديد من الجزيئات البيولوجية بما في ذلك بعض الأحماض الأمينية ومعظم المنشطات على حلقة البنزين، والتي تشمل الكوليسترول والهرمونات مثل الأستروجين والتستوستيرون.

تحتوي بعض الهيدروكربونات على جزيئات أليفاتية وعطرية مثل مركب البيتا كاروتين، ويعتبر هذا المركب مثالًا على هذا النوع من المركبات الهيدروكربونية.

الهيدروكربونات الحلقية الأليفاتية

تتشكل هذه المركبات من الكربون والهيدروجين، وترتبط ببعضها البعض برابط تساهمي فردي، ولذلك فهي من المركبات المشبعة، ومن بينها:

الألكانات

1. تتكون المركبات الهيدروكربونية التي تحتوي على روابط مفردة فقط من صيغ جزيئية تتبع القانون العام CnH2n+2 (حيث n عدد صحيح).

1. الشكل الفراغي للكربون هو sp3، حيث يشارك ثلاثة أزواج من الإلكترونات في تكوين الروابط، ويكوِّن أربع روابط، وجميع روابط C-C وC-H سيجما (σ) وهي روابط مفردة.

1. تبعًا لعدد ذرات الكربون، يكون الميثان (CH4) والإيثان (C2H6) والبروبان (C3H8) أول ثلاثة أعضاء في سلسلة الهيدروكربونات.

1. الميثان والإيثان والبروبان هي الألكانات الوحيدة التي تم تعريفها بصورة فريدة من خلال الصيغة الجزيئية المميزة لكل منها.

1. يتكون البيوتان C4H10 من مجموعتين من CH3- الميثيل عند الأطراف، والتي تترابط مع مجموعتين من CH2- بروابط تساهمية مفردة لتلبية قواعد الترابط الكيميائي، حيث يتمتع الكربون بأربع روابط، والهيدروجين بواحدة.

1. من الممكن أن لا يوجد أي حد أعلى لعدد ذرات الكربون في الهيدروكربونات، وتم تصنيع غاز الكان (CH3-(CH2)388-CH3) كمثال على ما يسمى بالألكانات طويلة السلسلة حيث يتم ربط 390 ذرة كربون في سلسلة مستمرة.

1. يمكن لعدة آلاف من ذرات الكربون الاندماج معًا لتشكيل جزيئات من البوليمرات الهيدروكربونية، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبلين والبوليستيرين.

الهيدروكربونات الحلقية العطرية

الأرينات هي مركبات عضوية حلقية تحتوي على ثلاثة ذرات كربون أو أكثر المرتبطة معًا بواسطة روابط سيجما جنبًا إلى جنب بواسطة الإلكترونات، وتُشار إليها أيضًا باسم الهيدروكربونات الأريلية أو الأرينية.

يشار عادة إلى الهيدروكربونات الحلقية العطرية التي لا تحتوي على حلقة البنزين بـ اسم “heteroarenes”، وهي تتبع قاعدة هاكيل، حيث يكون العدد الإجمالي للإلكترونات Pi في الحلقة الأحادية 4n+2، حيث n عدد صحيح موجب.

في هذه الأنواع من المركبات، يتم استبدال ذرة واحدة على الأقل من الكربون بذرة نيتروجين أو أكسجين أو كبريت.

وتشمل الأمثلة الشائعة من المركب heteroarenes

1. الفران (يحتوي على الأكسجين)
2. البريدين (يحتوي على النيتروجين).

مركبات الهيدروكربونات الحلقية

بعض الأمثلة على مركبات الهيدروكربونات الحلقية

• البروبان C3H8
• البيوتان C4H10
• البينتان C5H12
• الهكسان C6H14.(2) رقم المرجع

كيفية العثور على الهيدروكربونات الحلقية

توجد جميع الهيدروكربونات على الأرض بشكل طبيعي، مثل النفط الخام والغاز الطبيعي، حيث تتكون النفط الخام من المواد العضوية المتحللة، والتي تتكون من ذرات الهيدروجين والكربون.

كما يتواجد مادة الصباغ الطبيعي المسماة بالكاروتين في الأشجار والنباتات المختلفة، ويمكن العثور عليها في الأوراق الخضراء، ولإنتاج معظم المطاط الخام الطبيعي يتم استخدام البوليمر الهيدروكربوني بنسبة 98%.

استخدامات الهيدروكربونات الحلقية

تُعد الهيدروكربونات الحلقية من المواد الهامة جدًا، حتى أنها كانت تسمى “القوة الدافعة للحضارة الغربية”، ويُستخدم أحد أهم استخداماتها كوقود، وهذه بعض أنواع الوقود الهيدروكربونية المستخدمة

1. البنزين.
2. الغاز الطبيعي.
3. زيت الوقود.
4. وقود الديزل.
5. وقود الطائرات النفاثة.
6. الفحم.
7. الكيروسين.
8. البروبان.

يستخدم الهيدروكربونات في الصناعة، بما في ذلك البلاستيك والأقمشة الاصطناعية مثل البوليستر.

خصائص الهيدروكربونات الحلقية

الخصائص الفيزيائية للهيدروكربونات تتأثر بحجم جزيئاتها الحلقية، ومن ضمنها قابلية الذوبان ونقطة الغليان، ولذلك، فإن بعض الهيدروكربونات تكون على شكل غاز عند درجة حرارة الغرفة، بينما تكون بعضها الآخر على شكل سوائل أو صلبات.

الهيدروكربونات غير قطبية، وهذا يعني أن جزيئاتها لا تحمل شحنة، وبالتالي فهي لا تذوب في الماء الذي يعد مركباً قطبياً، ولكي تتمكن الهيدروكربونات من الذوبان في الماء، يجب أن تحتوي على ذرات الصوديوم التي يمكنها الربط بالماء. وهذا هو السبب في استخدام الهيدروكربونات غير القطبية في صناعة الشموع والمنتجات المشابهة.

فئات الهيدروكربونات الحلقية

يتم تصنيف الهيدروكربونات في فئتين مختلفتين:

1. الهيدروكربونات المشبعة.
2. الهيدروكربونات غير المشبعة.

يعتمد هذا التصنيف على عدد الروابط بين ذرات الكربون.

تحتوي الهيدروكربونات المشبعة على رابطة واحدة فقط بين ذرات الكربون، لذلك يتم ربط أكبر عدد ممكن من ذرات الكربون مع ذرات الهيدروجين، ويتم اعتبار هذا المركب من المركبات الألفاتية المشبعة أو الحلقية.

وبعبارة أخرى، فهي هيدروكربونات مشبعة من ذرات الهيدروجين حيث أن الهيدروكربونات غير المشبعة لديها على الأقل رابطة واحدة مزدوجة أو ثلاثية بين ذرات الكربون، وبالتالي فإن ذرات الكربون ليست مرتبطة بأكبر عدد ممكن من ذرات الهيدروجين. وبعبارة أخرى، فهي غير مشبعة بذرات الهيدروجين.

اضرار الهيدروكربونات الحلقية

لا تشكل الهيدروكربونات أي خطر بمفردها، ولكنها تتفاعل كيميائياً عند تعرضها لأشعة الشمس أو أكاسيد النيتروجين، وقد تسبب آثاراً ضارة عديدة

التلوث البيئي

يعد الانبعاث والتلوث الناجمان عن النشاط الصناعي للإنسان خطرًا كبيرًا على البيئة والكائنات الحية، وهذا معروف جيدًا.

الهيدروكربونات تشكل جزءًا كبيرًا من هذه المواد الضارة، حيث تعد العنصر الأساسي للنفط الخام والغازات الطبيعية ومعظم المبيدات الحشرية.

الاحتباس الحراري

تساهم جميع هذه المواد في ظاهرة الاحتباس الحراري، ولها تأثير سلبي على طبقة الأوزون، كما أنها تقلل من قدرة النباتات على التمثيل الضوئي.

تزيد البيئة الملوثة من معدلات الإصابة بالسرطان لدى الإنسان والحيوانات، وتزيد من خطر الإصابة بأمراض الجهاز التنفسي.

انسكاب النفط

يعتبر انسكاب النفط من أكثر الهيدروكربونات خطورة، حيث يتسبب في تدمير الحياة النباتية البحرية ويهدد مئات الآلاف من الكائنات الحية، إن لم يكن الملايين، من الحيوانات كل عام.

التفاعل مع الهيدروكربونات

نظرًا لأن الهيدروكربونات هي واحدة من أكثر المركبات استخدامًا في العمليات الصناعية وحرق الوقود، فهناك عدة طرق لتدميرها أو تخفيفها، ومنها:

سيكون الترشيح الأول عن طريق الترشيح الحيوي، الذي يتم من خلاله استخدام الأكسدة البيولوجية الطبيعية لتدمير وإزالة المركبات العضوية المتطايرة والروائح والهيدروكربونات باستخدام الكائنات الحية الدقيقة في عملية التصفية البيولوجية.

تشمل أكثر الاستخدامات شيوعًا لطريقة التصفية والترشيح الحيوي والمحددات البيولوجية في

1. معالجة مياه النفايات.
2. التقاط المركبات العضوية المتطايرة.
3. الأكسدة الحيوية لملوثات الهواء.

رغم أهمية الهدروكربونات الحلقية كوقود، وخاصة في الدول الصناعية، إلا أنه يجب معاملتها بحذر للحفاظ على البيئة والكائنات الحية.