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 أن تخزن كمية كبيرة من الطاقة، والتي يتم تحريرها عندما يتم الحرق الكامل لهذه الجزيئات [1].

أنواع الهيدروكربونات الحلقية

الهيدروكربونات الأليفاتية

هي أحد أنواع الهيدروكربونات الحلقية، التي تتكون من سلاسل خطية من ذرات الكربون.

الهيدروكربونات الأروماتية

هي نوع آخر من الهيدروكربونات الحلقية، والتي تسمى بالمركبات العطرية، التي تتكون من حلقات مغلقة من ذرات الكربون.

تركيب الهيدروكربونات الحلقية

تتكون هياكل الهيدروكربونات الحلقية من حلقة مغلقة متصلة مع بعضها البعض بروابط تساهمية فردية، وأحيانا تجود روابط مزدوجة، والتي يمكن رؤيتها من خلال مقارنة هيكل الهكسان الحلقي بالبنزين.

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

بعض الهيدروكربونات لها أجزاء أليفاتية وعطرية على حد سواء مثل مركب بيتا كاروتين، هو مثال على هذا النوع من المركبات الهيدروكربونات. [1]

الهيدروكربونات الحلقية الأليفاتية

وهي مركبات تتكون من كربون وهيدروجين، مرتبطة معا بروابط تساهمية فردية، وبالتالي هي من المركبات المشبعة، منها ما يلي

الألكانات

1. التي تتكون من الهيدروكربونات التي تكون فيها جميع الروابط مفردة، لها صيغ جزيئية تنطبق على القانون العام (CnH2n+2) (حيث n عدد صحيح).

2. الشكل الفراغي للكربون هو sp3 (ثلاثة أزواج من الإلكترونات تشارك في تكوين الروابط، وتشكل أربع روابط)، وكل C -C وC- H الروابط سيجما (σ) وهي الروابط المفردة.

3. تبعًا لعدد ذرات الكربون، يكون الميثان (CH4) والإيثان (C2H6) والبروبان (C3H8) أول ثلاثة أعضاء في السلسلة.

4. الميثان والإيثان والبروبان هم الألكانات الوحيدة التي تم تعريفها بشكل فريد بواسطة الصيغة الجزيئية الخاصة به.

5. بالنسبة للبيوتان C4H10 يتكون من مجموعتين من الميثيل CH3- على أطراف المركب تترابط مع مجموعتين من CH2- بروابط تساهمية مفردة لتلبية قواعد الترابط الكيميائي وهي أن الكربون له أربعة روابط والهيدروجين له واحدة.

6. وربما لا يوجد حد أعلى لعدد ذرات الكربون الممكنة في الهيدروكربونات وقد تم تصنيع غاز الكان (CH3-(CH2)388-CH3)، الذي يتم فيه ربط 390 ذرة كربون في سلسلة مستمرة، كمثال على ما يسمى بالألكانات طويلة السلسلة.

7. ويمكن أن ينضم عدة آلاف من ذرات الكربون معا في جزيئات من البوليمرات الهيدروكربونية مثل البولي ايثيلين والبولي بروبلين والبوليستيرين. [3]

الهيدروكربونات الحلقية العطرية

هي مركبات عضوية لها شكل حلقي، تحتوي على ثلاث ذرات كربون أو أكثر متصلة معا بروابط سيجما جنبا إلى جنب بواسطة الإلكترونات، ويشار إليها أيضا باسم الهيدروكربونات أرين أو أريل.

ويشار عادة إلى الهيدروكربونات الحلقية العطرية التي لا تحتوي على حلقة بنزين باسم heteroarenes، التي تتبع قاعدة هاكيل (العدد الإجمالي للإلكترونات pi في حلقة أحادية 4n + 2 حيث n هو أي عدد صحيح موجب.

في هذه الأنواع من المركبات، يتم استبدال ذرة كربون واحد على الأقل إما بذرة نيتروجين، أو الأكسجين، أو الكبريت.

وتشمل الأمثلة الشائعة من المركب heteroarenes

1. الفران (يحتوي على الأكسجين)
2. البريدين (يحتوي على النيتروجين). [4]

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

تقريبا جميع الهيدروكربونات تتواجد بشكل طبيعي على الأرض، مثل النفط الخام والغاز الطبيعي، حيث أن النفط الخام مصنوع من المواد العضوية المتحللة، فهي متاحة في ذرات الهيدروجين والكربون. [2]

كما أنها موجودة في الأشجار والنباتات المختلفة، حيث يتم تشكيل مادة الصباغ الطبيعي يسمى كاروتين، التي يمكن العثور عليها في الأوراق الخضراء، وأغلب المطاط الخام الطبيعي 98% مصنوعة من البوليمر الهيدروكربوني.

استخدامات الهيدروكربونات الحلقية

لا توجد مبالغة حول أهمية الهيدروكربونات الحلقية حتى أنها كانت تسمى “القوة الدافعة للحضارة الغربية” ومن أهم الاستخدام للهيدروكربونات الحلقية هو استخدامها كوقود، وهذه بعض من 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.

وتستخدم أيضا الهيدروكربونات في الصناعة، بما في ذلك البلاستيك والأقمشة الاصطناعية مثل البوليستر. [5]

خصائص الهيدروكربونات الحلقية

حجم الجزيئات الهيدروكربونية الحلقية يؤثر على خصائصها، بما في ذلك ذوبانها ونقط الغليان، ونتيجة لذلك، فإن بعض الهيدروكربونات غازات في درجة حرارة الغرفة، في حين أن بعضها الآخر عبارة عن سوائل أو مواد صلبة.

الهيدروكربونات غير قطبية، مما يعني أن جزيئاتها لم لا تحمل شحنات، ولذلك، فإنها لا تذوب في الماء، لأنه مركب قطبي، ويجب أن تحتوي على ذرات الصوديوم لكي تستطيع أن ترتبط مع جزئ الماء وتذوب فيه، هذا هو السبب في أنها تستخدم في صناعة الشموع والمنتجات المماثلة. [5]

فئات الهيدروكربونات الحلقية

يتم تصنيف الهيدروكربونات في فئتين مختلفتين:

1. الهيدروكربونات المشبعة.
2. الهيدروكربونات غير المشبعة.

ويستند هذا التصنيف إلى عدد الروابط بين ذرات الكربون.

الهيدروكربونات المشبعة لديها رابطة واحدة فقط بين ذرات الكربون، لذلك يتم ربط أكبر عدد ممكن من ذرات الكربون مع ذرات الهيدروجين ويعتبر 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. [5]

اضرار الهيدروكربونات الحلقية

لا تشكل الهيدروكربونات لوحدها أي خطر ومع ذلك، عندما تتعرض لأشعة الشمس أو أكاسيد النيتروجين، فإنها تخضع لتفاعل كيميائي، والتي قد تسبب الكثير من الأثار الضارة ومنها ما يلي

التلوث البيئي

ومن المعروف جيدا أن الانبعاثات والتلوث الناجمين عن البشر بسبب التطور الصناعي يشكل خطر كبير على البيئة والكائنات الحية.

وتشكل الهيدروكربونات جزءا كبيرا من هذه المركبات الضار، حيث أنها تعتبر العنصر الأساسي للنفط الخام والغازات الطبيعية ومعظم المبيدات الحشرية.

الاحتباس الحراري

وتسهم جميع هذه المواد في تكوين ظاهرة الاحتباس الحراري، وفي التأثير بشكل سلبي على طبقة الأوزون. كما أنها تقلل من قدرة التمثيل الضوئي للنباتات.

وتزيد من معدلات الإصابة بالسرطان بين البشر والحيوانات، وتزيد من خطر الإصابة بأمراض الجهاز التنفسي.

انسكاب النفط

وأكثر الهيدروكربونات خطورة هو انسكاب النفط، فهو يدمر الحياة النباتية البحرية، وتقتل وتعرض للخطر مئات الآلاف من الكائنات الحية، إن لم يكن الملايين، من الحيوانات كل عام. [2]

التفاعل مع الهيدروكربونات

بما أن الهيدروكربونات هي واحدة من أكثر المركبات المستخدمة في العمليات الصناعية وحرق الوقود، هناك عدة طرق لتدميرها أو تخفيفها، منها

الترشيح الحيوي ؛

الأول سيكون من خلال الترشيح الحيوي، حيث التصفية البيولوجية، وهي عملية استخدام الأكسدة البيولوجية الطبيعية لتدمير وإزالة المركبات العضوية المتطايرة والروائح والهيدروكربونات بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.

أكثر الاستخدامات شيوعاً لطريقة التصفية والترشيح الحيوي والمحددات البيولوجية في

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

رغم أهمية الهدروكربونات الحلقية في استخدامها كوقود وخاصة في الدول الصناعية، إلا انه يجب التعامل معها بحذر للحفاظ على البيئة والكائنات الحية.