المركبات الكربونية الهيدروجينية: نظرة شاملة

مقدمة عن المركبات الكربونية الهيدروجينية

تُعتبر المركبات الكربونية الهيدروجينية جزءًا أساسيًا من الكيمياء العضوية، حيث تتألف حصريًا من ذرات الكربون والهيدروجين. تتحد ذرات الكربون معًا لتشكيل بنية المركب، وتتصل ذرات الهيدروجين بهذه البنية بأشكال مختلفة. هذه المركبات هي المكون الرئيسي لكل من النفط والغاز الطبيعي، اللذين يستخدمان على نطاق واسع كوقود، ومواد تشحيم، ومواد أولية لإنتاج مجموعة واسعة من المنتجات مثل البلاستيك، والألياف، والمطاط، والمذيبات، والمتفجرات، والمواد الكيميائية الصناعية. بالإضافة إلى ذلك، توجد المركبات الكربونية الهيدروجينية في الأشجار والنباتات على شكل أصباغ تسمى الكاروتينات، والتي تعطي الجزر والأوراق الخضراء لونها المميز.

تُعدّ المركبات الكربونية الهيدروجينية من أبسط المركبات العضوية، وعلى الرغم من أنها تتكون من نوعين فقط من الذرات، إلا أنها تظهر تنوعًا كبيرًا بسبب الاختلافات في أطوال السلاسل، والسلاسل المتفرعة، والحلقات الكربونية، أو مزيج من هذه التراكيب. توجد هذه المركبات في العديد من النباتات، والحيوانات، وفي الوقود الأحفوري المشتق منها. كما يمكن تحضير بعض هذه المركبات في المختبرات.

أصناف المركبات الكربونية الهيدروجينية

قام الكيميائيون في القرن التاسع عشر بتقسيم المركبات الكربونية الهيدروجينية إلى نوعين رئيسيين بناءً على مصدرها وخصائصها. هذه الأنواع هي:

• المركبات الكربونية الهيدروجينية الأليفاتية:
• المركبات العطرية (الأروماتية):

ولا يزال استخدام المصطلحات الدالة على أنواع المركبات الكربونية الهيدروجينية مستمرًا حتى الآن، إلا أن المركبات التي تصفها هذه الأسماء يتم تصنيفها حاليًا بناءً على تركيبها بدلاً من أصولها كما في التصنيف السابق. تجدر الإشارة إلى أن الألكانات تسمى المركبات الكربونية الهيدروجينية المشبعة، بينما تسمى المركبات العطرية، والألكينات، والألكاينات بالمركبات العضوية غير المشبعة.

من الشائع أيضًا في المركبات الكربونية الهيدروجينية أن يجمع الجزيء الواحد بين وحدات بنائية لعائلتين هيدروكربونيتين أو أكثر؛ فعلى سبيل المثال، يُظهر الجزيء الذي يحتوي على رابطة ثلاثية بين ذرات الكربون، وحلقة بنزين بعض الخصائص المميزة للألكاينات، وغيرها من الخصائص المتعلقة بالمركبات العطرية.

المركبات الكربونية الهيدروجينية الأليفاتية

تعتبر المركبات الكربونية الهيدروجينية الأليفاتية مركبات عضوية تحتوي على الكربون والهيدروجين المرتبطين معًا على شكل سلاسل مستقيمة، أو متفرعة، أو حلقات غير عطرية. على الرغم من أن ذرات الهيدروجين هي الذرات الأكثر شيوعًا للارتباط بسلسلة الكربون، إلا أن الأكسجين، والنيتروجين، والكبريت، والكلور قد تتواجد أيضًا في هذا النوع من المركبات.

الميثان (CH4) هو أبسط أنواع المركبات الكربونية الهيدروجينية الأليفاتية، وينطلق كغاز من الأجسام المتحللة ومن أمعاء الكثير من الحيوانات. ومن الأمثلة الأخرى: الأسيتيلين، والبروبان، والبروبين، والإيثيلين، والبولي إيثيلين. ومن أبرز خصائص هذه المركبات أن معظمها قابل للاشتعال؛ لذلك فهي تستخدم غالبًا كوقود.

الألكانات: خصائص واستخدامات

تحتوي الألكانات على رابطة أحادية فقط، وتتبع جميع صيغ الجزيئات فيها الصيغة العامة الآتية: CnH2n + 2. تعني هذه الصيغة أن عدد ذرات الهيدروجين فيها يساوي ضعف عدد ذرات الكربون بالإضافة إلى العدد 2.

تستخدم الألكانات كوقود نظيف يحترق لإنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون. الميثان والإيثان والبروبان والبيوتان هي الألكانات الأربعة الأولى في السلسلة، وهي عبارة عن غازات، بينما تكون الألكانات الأخرى التي تليها في الحالة السائلة.

تعد الألكانات الحلقية نوعًا من الألكانات يضم حلقة كربون وليست حلقة بنزين، وتمتلك رابطة أحادية واحدة، لذلك فهي مشبعة، وتشبه في خصائصها الألكانات الخاصة بها؛ مثل البروبان الحلقي أو البيوتان الحلقي، لكنها قد تمتلك درجات غليان أو ذوبان مرتفعة مقارنة بهم.

الألكينات وتفاعلاتها الكيميائية

تحتوي الألكينات على رابطة ثنائية واحدة فقط بين ذرات الكربون، وتتبع جميع صيغ الجزيئات فيها الصيغة العامة الآتية: CnH2n. وهي شديدة التفاعل الكيميائي. من الأمثلة عليها الإيثين والإيثيلين والبروبين.

الألكاينات وتركيبها الجزيئي

تحتوي الألكاينات على رابطة ثلاثية واحدة بين ذرات الكربون، وتتبع جميع صيغ الجزيئات فيها الصيغة العامة الآتية: CnH2n-2. وهي شديدة التفاعل الكيميائي، الذي يشمل إضافة الهيدروجين أو الهالوجينات. ومن الأمثلة عليها: البروباين.

تتشابه الخواص الفيزيائية للألكينات والألكاينات عمومًا مع خواص الألكانات أو الألكانات الحلقية المساوية لها بأعداد ذرات الكربون، وتمتلك الألكاينات عادةً درجات غليان أعلى من الألكانات أو الألكينات.

المركبات الكربونية الهيدروجينية العطرية

يمكن تعريف المركبات الكربونية الهيدروجينية العطرية بأنها مركبات حلقية مستقرة وغير مشبعة، تتكون بشكل رئيسي من ذرات الكربون والهيدروجين. البنزين (C6H6) هو أشهر هذه المركبات، وهي صعبة الفصل في التفاعلات الكيميائية خلافًا للمركبات الكربونية الهيدروجينية الأليفاتية، وتضم عادة حلقة أو حلقتين من البنزين.

الأهمية الاقتصادية للمركبات الكربونية الهيدروجينية

ينتج عن حرق المركبات الكربونية الهيدروجينية في وجود كمية كافية من الأكسجين غاز ثاني أكسيد الكربون والماء والحرارة، وهذا هو السبب الرئيسي لاستخدامها كوقود في العالم. تعد المركبات الكربونية الهيدروجينية المصدر الرئيسي للطاقة حول العالم؛ فهي توفر الوقود الذي يمكن تحويله إلى طاقة من خلال تكرير النفط، الذي يقدم مجموعة واسعة من المواد المشتقة التي تلعب دورًا مهمًا في الاقتصاد العالمي، والتي تشمل أهميتها في صناعة البلاستيك، والمذيبات، ومواد التشحيم.

المصادر

• Francis A. Carey,”Hydrocarbon”،www.britannica.com
• “Hydrocarbons”,opentextbc.ca
• Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (3-12-2018),”Definition of an Aliphatic Compound”،www.thoughtco.com
• Nicholas Gauthier,”What is Hydrocarbon? – Definition, Formula & Compounds”،study.com
• “Alkanes”,hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
• “Alkenes”,hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
• “Alkynes”,hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
• Elizabeth (Nikki) Wyman,”Aromatic Hydrocarbons: Definition, Examples & Uses”،study.com
• JAMES CHEN (26-6-2018),”Hydrocarbon”،www.investopedia.com