هیدروکربن ها

1. 🔬 مقدمه

هیدروکربن‌ها ترکیباتی هستند که فقط از اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند. این ترکیبات پایهٔ اصلی شیمی آلی و صنایع پتروشیمی را تشکیل می‌دهند و در نفت خام، گاز طبیعی و زغال‌سنگ به وفور یافت می‌شوند.

2. 🧬 طبقه‌بندی هیدروکربن‌ها

الف) آلیفاتیک‌ها

ب) حلقوی‌ها

3. ⚗️ خواص فیزیکی و شیمیایی

• قطبیت:بیشتر هیدروکربن‌ها غیرقطبی‌اند.
• نقطه جوش و ذوب: با افزایش تعداد اتم‌های کربن، نقطه جوش افزایش می‌یابد.
• واکنش‌پذیری: آلکن‌ها و آلکین‌ها واکنش‌پذیرتر از آلکان‌ها هستند.

4. 🛢 منابع طبیعی هیدروکربن‌ها

• نفت خام:شامل مخلوطی از هیدروکربن‌های سبک و سنگین
• گاز طبیعی: عمدتاً متان
• زغال‌سنگ: حاوی ترکیبات آروماتیک

5. 🌱 تأثیرات زیست‌محیطی

این هیدروکربن‌ها دارای دامنه‌ی تقطیر بین (C°)400 تا (C°)145 می‌باشند و کاربردهای بسیاری دارند. تولید گرما در بویلرها و کوره‌ها، روغن‌های روان‌کننده، گرمایش مراکز تجاری و مشعل‌های خانگی، سوخت‌های سنگین(سوخت کامیون‌ها، کشتی‌ها و برخی از خودروها) و سایر ادوات کشاورزی و صنعتی از جمله کاربردهای هیدروکربن‌های سنگین است. اما این نوع هیدروکربن بسیار آلوده کننده و گران‌تر از سوخت گاز طبیعی است. و اغلب به عنوان سوخت پشتیبان برای اوج‌گیری نیروگاه‌ها در مواردی که گاز طبیعی موجود نیست استفاده می‌شود. برخی از هیدروکربن‌های سنگین ممکن است در دمای اتاق به صورت جامد یا نیمه جامد باشند و برای جاری شدن ملزم به گرم شدن هستند.

6. 🧫 مشتقات هیدروکربنی

7. انواع برش هیدروکربن

برش سبک

برش‌های سبک هیدروکربن‌ها جزو مهم‌ترین فرآورده‌های حاصل از جداسازی اجزای تشکیل‌دهنده نفت خام به حساب می‌آیند. نقطه جوش چنین ترکیباتی در بازه‌ای بین (C°)200 تا (C°)40  قرار دارد. از جمله هیدروکربن‌های پرکاربرد در این دسته‌بندی می‌توان به نفتا، نفت سفید، بنزین، سوخت جت و حلال‌ها اشاره کرد. چنین ترکیباتی بسیار فرار هستند و همان‌طور که اشاره شد نقطه جوش پایینی دارند که باعث می‌شود به راحتی شعله‌ور شوند.

برش سنگین

برش‌های سنگین محصولاتی هستند با کمترین مقدار فراریت و نقطه جوش آن‌ها از (C°)145 شروع می‌شود. گازوئیل، نفت کوره، روانکارها و قیر، حاصل این برش نفتی است. از جمله ویژگی‌های این ترکیبات می‌توان به مولکول‌های درشت، فراریت کم و اشتعال‌پذیری کمتر نسبت به برش سبک اشاره کرد.

8. 🏭 کاربردهای صنعتی

کاربرد هیدروکربن سنگین

این هیدروکربن‌ها دارای دامنه‌ی تقطیر بین (C°)400 تا (C°)145 می‌باشند و کاربردهای بسیاری دارند. تولید گرما در بویلرها و کوره‌ها، روغن‌های روان‌کننده، گرمایش مراکز تجاری و مشعل‌های خانگی، سوخت‌های سنگین(سوخت کامیون‌ها، کشتی‌ها و برخی از خودروها) و سایر ادوات کشاورزی و صنعتی از جمله کاربردهای هیدروکربن‌های سنگین است. اما این نوع هیدروکربن بسیار آلوده کننده و گران‌تر از سوخت گاز طبیعی است. و اغلب به عنوان سوخت پشتیبان برای اوج‌گیری نیروگاه‌ها در مواردی که گاز طبیعی موجود نیست استفاده می‌شود. برخی از هیدروکربن‌های سنگین ممکن است در دمای اتاق به صورت جامد یا نیمه جامد باشند و برای جاری شدن ملزم به گرم شدن هستند.

کاربرد هیدروکربن‌های سبک

هیدروکربن‌های سبک را می‌توان به عنوان روان کننده‌ها، حلال‌ها، مواد شیمیایی صنعتی، مواد منفجره، مواد اولیه انواع رنگ و تینر، تولید الکل صنعتی، تولید گاز مایع و نفت سفید(برای استفاده گرمایشی و خانگی) و همچنین مواد اولیه برای تولید پلاستیک‌ها، الیاف، لاستیک‌ها و … به کار برد. هیدروکربن‌های سبک‌تر و با ارزش‌تر را می‌توان برای تولید سوخت جت و بنزین به کار برد.

9. نقطه جوش هیدروکربن ها

یکی از ویژگی‌های هیدروکربن‌ها نقطه جوش آن‌ها است. نقطه جوش مواد به نیروی ربایش بین ذره‌های سازنده آن مواد بستگی دارد. رابطه بین نیروی ربایش با نقطه جوش رابطه‌ای مستقیم است. یعنی هرچه نیروی ربایش بین ذره‌ها بیشتر باشد، نقطه جوش آن ماده بالاتر است.

نقطه جوش هیدروکربن‌های سبک بین 200 تا 40 درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش هیدروکربن‌های سنگین از دمای 135 درجه سانتی‌گراد شروع می‌شود و برای هیدروکربن‌های سنگین‌تر تا 400 درجه سانتی‌گراد نیز می‌رسد.

10. عوامل موثر بر چگالی هیدروکربن ها

نسبت جرم به حجم یک ماده را چگالی(دانسیته) می‌گویند. به طور کلی چگالی یک ماده را می‌توان با تغییر دما و فشار تغییر داد. با افزایش دما حجم ماده مورد نظر افزایش یافته و طبق فرمول چگالی(ρ=m/v) موجب کاهش دانسیته می‌شود و با افزایش فشار هیدروکربن، چگالی آن نیز افزایش می‌یابد و با کاهش فشار چگالی آن هم کم می‌شود.

با استفاده ار چگالی می‌توان فهمید که ماده مورد نظر در هیدروکربن فرو می‌رود یا روی آن شناور می‌ماند. مثلاً اگر مقداری آب را به هیدروکربن اضافه کنیم، بدلیل بیشتر بودن دانسیته آب نسبت به هیدروکربن در آن فرو رفته و ته نشین می‌شود.

طبق بیانات گفته شده، در مورد برش‌های سبک و سنگین هیدروکربن با افزایش دما حجم آن افزایش یافته و از آنجا که طبق فرمول چگالی، حجم با دانسیته رابطه عکس دارد منجر به کاهش چگالی می‌شود.

11. 🔍 بررسی ساختار مولکولی

در ساختار مولکولی هیدروکربن‌ها، پیوندهای کووالانسی بین اتم‌های کربن و هیدروژن برقرار می‌شود. در آلکان‌ها، زاویه پیوندی حدود 109.5 درجه است و ساختار چهاروجهی دارد. در آلکن‌ها و آلکین‌ها، به ترتیب زاویه‌ها 120 و 180 درجه‌اند.

12. 🔬 فرآیندهای پالایش و جداسازی

الف) تقطیر جزء به جزء (Fractional Distillation)

• مبنای جداسازی: نقطه جوش
• فرآیند: نفت خام در برج تقطیر گرم می‌شود؛ اجزای سبک‌تر مانند گاز و بنزین در بالا، و اجزای سنگین‌تر مانند قیر در پایین جدا می‌شوند.

ب) شکست حرارتی و کاتالیستی (Cracking)

• هدف: تبدیل هیدروکربن‌های سنگین به سبک
• شکست حرارتی: با دمای بالا مولکول‌های بزرگ شکسته می‌شوند.
• شکست کاتالیستی: با استفاده از کاتالیزور، بازدهی افزایش می‌یابد و محصولات سبک‌تری مانند پروپیلن و بوتن تولید می‌شود.

ج) ریفورمینگ (Reforming)

• عملکرد: تبدیل هیدروکربن‌های خطی به آروماتیک‌ها برای افزایش عدد اکتان بنزین
• نتیجه: تولید بنزن، تولوئن و زایلن

د) ایزومریزاسیون (Isomerization)

• هدف: تبدیل ساختار خطی به شاخه‌دار برای بهبود خواص سوخت
• کاربرد: افزایش کیفیت بنزین بدون افزایش آلودگی

ه) تصفیه و گوگردزدایی (Treating & Desulfurization)

• عملکرد: حذف ناخالصی‌هایی مانند گوگرد، نیتروژن و فلزات سنگین
• اهمیت: کاهش آلودگی هوا و افزایش عمر موتور

11. 📚 نتیجه‌گیری

هیدروکربن‌ها نه‌تنها پایهٔ شیمی آلی‌اند بلکه نقش حیاتی در اقتصاد انرژی، صنعت و زندگی روزمره دارند. شناخت دقیق آن‌ها برای توسعه پایدار، کاهش آلودگی و نوآوری‌های علمی ضروری است.