4-1 مقدمة إلى الهيدروكربونات

يقوم هذا الدرس على دراسة الهيدروكربونات باعتبارها أبسط المركبات العضوية التي تتكون حصرياً من عنصري الكربون والهيدروجين وتعد مصدراً أساسياً للطاقة والمواد الخام. يمتلك عنصر الكربون قدرة فريدة على تكوين أربع روابط تساهمية والارتباط مع ذرات كربون أخرى لتشكيل سلاسل مستقيمة أو متفرعة أو حلقية. تنقسم هذه الهيدروكربونات إلى مشبعة تحتوي على روابط أحادية فقط، وغير مشبعة تحتوي على روابط ثنائية أو ثلاثية. وللاستفادة من النفط الخام، يتم فصل مكوناته عبر عملية التقطير التجزيئي بناءً على درجات الغليان المختلفة داخل أبراج التجزئة، حيث تتكثف الجزيئات الأكبر ذات الكتلة العالية في الأسفل والجزيئات الأصغر في الأعلى. مثال ذلك غاز الميثان $CH_4$ الذي يُعد أبسط هيدروكربونات وهو المكون الرئيس للغاز الطبيعي.

الفكرة الأساسية

الهيدروكربونات هي مركبات عضوية تحتوي فقط على عنصري الكربون والهيدروجين وتعد مصدراً رئيسياً للطاقة والمواد الخام في حياتنا.

الشرح

الكيمياء العضوية هي فرع كيمياء يدرس المركبات التي تحتوي على عنصر الكربون ما عدا أكاسيد الكربون والكربيدات والكربونات. يقع الكربون في المجموعة 14 من الجدول الدوري وتوزيع الإلكتروني $1s^2 2s^2 2p^2$ مما يجعله قادراً دائماً على المشاركة بأربعة إلكترونات وتكوين أربع روابط تساهمية. تتحد ذرات الكربون مع بعضها ومع ذرات الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين لتكوين سلاسل مستقيمة، سلاسل متفرعة، تراكيب حلقية، أو تراكيب شبيهة بأقفاص العصافير.

الهيدروكربونات هي أبسط المركبات العضوية ومثالها غاز الميثان $CH_4$ الذي يتكون من ذرة كربون واحدة متحدة بأربع ذرات هيدروجين وهو المكون الرئيس للغاز الطبيعي.

تنقسم الروابط بين ذرات الكربون إلى روابط تساهمية أحادية وثنائية وثلاثية. يُعرف الهيدروكربونات التي تحتوي على روابط أحادية فقط بالهيدروكربونات المشبعة، بينما يُعرف الذي يحتوي على رابطة ثنائية أو ثلاثية على الأقل بالهيدروكربونات غير المشبعة.

يتم فصل النفط الخام وهو خليط معقد عبر عملية التقطير التجزيئي في أبراج التجزئة. يتضمن التقطير التجزيئي تبخير النفط عند درجات الغليان ثم تجميع المشتقات المختلفة أثناء تكشفها عند درجات حرارة مباينة. يتم التحكم في درجات الحرارة داخل برج التجزئة لتكون قريبة من $400^{\circ}\text{C}$ في أسفل البرج حيث يغلي النفط، وتخفض درجات الحرارة تدريجياً نحو الأعلى لتتكثف المواد مع انخفاض الكتلة الجزيئية.

مثال محلول خطوة بخطوة

لو كان لديك جزيء هيدروكربوني مثل الميثان $CH_4$، فكيف تحدد عدد الروابط التساهمية التي يبنيها الكربون؟ الخطوة الأولى: انظر إلى التوزيع الإلكتروني لذرة الكربون في الجدول الدوري، ستجد أنه $1s^2 2s^2 2p^2$. الخطوة الثانية: احسب عدد إلكترونات التكاوين في مستوى الطاقة الخارجي، وستجدها أربعة إلكترونات. الخطوة الثالثة: بما أن الذرة تسعى للاستقرار، فإن الكربون يشارك بأربع إلكترونات ويكوّن أربع روابط تساهمية مع أربع ذرات هيدروجين كما في $CH_4$.

أخطاء شائعة

الاعتقاد بأن المركبات العضوية تنتج حصراً من المخلوقات الحية بفضل قوة حيوية غامضة، وهذا خطأ تم دحضه تاريخياً عندما قام العالم فريدريح فوهرر بتحضير مركب عضوي في المختبر.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما الفرق الأساسي بين الهيدروكربونات المشبعة وغير المشبعة؟ الإجابة: الهيدروكربونات المشبعة تحتوي على روابط تساهمية أحادية فقط بين ذرات الكربون، بينما الهيدروكربونات غير المشبعة تحتوي على رابطة ثنائية أو ثلاثية واحدة على الأقل.

السؤال الثاني: ما العملية المستخدمة لفصل مكونات النفط الخام وإلى ماذا تعتمد؟ الإجابة: عملية التقطير التجزيئي، وتعتمد على اختلاف درجات الغليان للمكونات داخل أبراج التجزئة.