Hidrocarbonetos

Modelo da molécula do metano, CH₄. Methane faz parte de uma série homóloga conhecida como os alkanes, que contêm apenas ligações.

Em química orgânica, um hidrocarboneto é um composto orgânico que consiste inteiramente de hidrogênio e carbono. Hidrocarbonetos são exemplos de hidretos do grupo 14. Os hidrocarbonetos são geralmente incolores e hidrofóbicos; seu odor geralmente é fraco e pode ser semelhante ao de gasolina ou fluido de isqueiro. Eles ocorrem em uma gama diversificada de estruturas e fases moleculares: podem ser gases (como metano e propano), líquidos (como hexano e benzeno), sólidos de baixo ponto de fusão (como parafina e naftaleno) ou polímeros (como polietileno e poliestireno).

Nas indústrias de combustíveis fósseis, hidrocarboneto refere-se a petróleo, gás natural e carvão naturais, ou seus derivados de hidrocarbonetos e formas purificadas. A combustão de hidrocarbonetos é a principal fonte de energia do mundo. O petróleo é a fonte dominante de matéria-prima para commodities químicas orgânicas, como solventes e polímeros. A maioria das emissões antropogênicas (geradas pelo homem) de gases de efeito estufa são dióxido de carbono liberado pela queima de combustíveis fósseis ou metano liberado pelo manuseio do gás natural ou da agricultura.

Tipos

Conforme definido pela nomenclatura de química orgânica da União Internacional de Química Pura e Aplicada, os hidrocarbonetos são classificados da seguinte forma:

1. Hidrocarbonetos saturados, que são os mais simples dos tipos de hidrocarbonetos. Eles são compostos inteiramente de uniões e saturados com hidrogênio. A fórmula para hidrocarbonetos saturados acíclicos (isto é, alkanes) é C_nH. H. H._2n+. A forma mais geral de hidrocarbonetos saturados, (sendo espécies lineares ou ramificadas, e sem um ou mais anéis) é C_nH. H. H._2n+2...R), onde R é o número de anéis. Aqueles com exatamente um anel são os cicloalkanes. Os hidrocarbonetos saturados são a base de combustíveis de petróleo e podem ser espécies lineares ou ramificadas. Um ou mais dos átomos de hidrogênio podem ser substituídos por outros átomos, por exemplo, cloro ou outro halógeno: isto é chamado de reação de substituição. Um exemplo é a conversão de metano para clorofórmio usando uma reação de cloração. Note que a halogenação de um hidrocarbonetos produz algo que não é um hidrocarbonetos. É um processo muito comum e útil. Hidrocarbonetos com a mesma fórmula molecular, mas diferentes fórmulas estruturais são chamados isômeros estruturais. Como dado no exemplo de 3-metilexano e seus homólogos mais elevados, os hidrocarbonetos ramificados podem ser quirais. Hidrocarbonos saturados quirais constituem as cadeias laterais de biomoléculas, tais como clorofila e tocoferol.
2. Hidrocarbonetos insaturados, que têm uma ou mais ligações duplas ou triplas entre átomos de carbono. Aqueles com um ou mais títulos duplos são chamados alkenes. Aqueles com uma ligação dupla têm a fórmula C_nH. H. H._2n (assumindo estruturas não cíclicas). Aqueles que contêm ligações triplas são chamados alkyne. Aqueles com uma ligação tripla têm a fórmula C_nH. H. H._2n-2.
3. Hidrocarbonetos aromáticos, também conhecidos como arenas, que são hidrocarbonetos com pelo menos um anel aromático. 10% da emissão total de carbono orgânico não-metano são hidrocarbonetos aromáticos do esgotamento dos veículos movidos a gasolina.

O termo 'alifático' refere-se a hidrocarbonetos não aromáticos. Os hidrocarbonetos alifáticos saturados são por vezes referidos como 'parafinas'. Os hidrocarbonetos alifáticos contendo uma ligação dupla entre os átomos de carbono são algumas vezes referidos como 'olefinas'.

Uso

As refinarias de petróleo são de uma forma que os hidrocarbonetos são processados para uso. O óleo bruto é processado em várias etapas para formar hidrocarbonetos desejados, usados como combustível e em outros produtos.

Vagão de tanque 33 80 7920 362-0 com gás hidrocarboneto em Bahnhof Enns (2018)

O uso predominante de hidrocarbonetos é como fonte de combustível combustível. O metano é o componente predominante do gás natural. Os alcanos, alcenos e cicloalcanos isoméricos de C⁶ a C¹⁰ são os principais componentes da gasolina, nafta, combustível de aviação e misturas de solventes industriais especializados. Com a adição progressiva de unidades de carbono, os hidrocarbonetos simples não estruturados em anel apresentam viscosidades, índices de lubrificação, pontos de ebulição, temperaturas de solidificação e cores mais profundas. No extremo oposto do metano estão os alcatrões pesados que permanecem como a fração mais baixa em uma retorta de refino de petróleo bruto. Eles são coletados e amplamente utilizados como compostos para telhados, composição de pavimentos (betume), conservantes de madeira (a série creosoto) e como líquidos resistentes ao cisalhamento de viscosidade extremamente alta.

Algumas aplicações não-combustíveis em grande escala de hidrocarbonetos começam com etano e propano, que são obtidos do petróleo e do gás natural. Esses dois gases são convertidos em gás de síntese ou em etileno e propileno. O consumo global de benzeno em 2021 é estimado em mais de 58 milhões de toneladas métricas, que aumentará para 60 milhões de toneladas em 2022.

Os hidrocarbonetos também são predominantes na natureza. Alguns artrópodes eussociais, como a abelha sem ferrão brasileira, Schwarziana quadripunctata, usam "odores" cuticulares únicos de hidrocarbonetos; a fim de determinar parentes de não-parentes. Essa composição de hidrocarbonetos varia entre idade, sexo, localização do ninho e posição hierárquica.

Também há potencial para colher hidrocarbonetos de plantas como Euphorbia lathyris e E. tirucalli como fonte de energia alternativa e renovável para veículos movidos a diesel. Além disso, bactérias endofíticas de plantas que naturalmente produzem hidrocarbonetos têm sido usadas na degradação de hidrocarbonetos na tentativa de esgotar a concentração de hidrocarbonetos em solos poluídos.

Reações

A característica notável dos hidrocarbonetos saturados é a sua inércia. Os hidrocarbonetos insaturados (alcanos, alcenos e compostos aromáticos) reagem mais facilmente, por substituição, adição, polimerização. Em temperaturas mais altas, eles sofrem desidrogenação, oxidação e combustão.

Substituição

Das classes de hidrocarbonetos, os compostos aromáticos são os únicos (ou quase) que sofrem reações de substituição. O processo químico praticado em maior escala é a reação de benzeno e eteno para dar etilbenzeno:

C₆H. H. H.₆ + C₂H. H. H.₄ → C₆H. H. H.₅CH₂CH₃

O etilbenzeno resultante é desidrogenado em estireno e depois polimerizado para fabricar poliestireno, um material termoplástico comum.

Substituição de radicais livres

As reações de substituição também ocorrem em hidrocarbonetos saturados (todas as ligações simples carbono-carbono). Tais reações requerem reagentes altamente reativos, como cloro e flúor. No caso da cloração, um dos átomos de cloro substitui um átomo de hidrogênio. As reações prosseguem por vias de radicais livres, nas quais o halogênio primeiro se dissocia em dois átomos de radicais neutros (fissão homolítica).

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

até CCl₄ (tetracloreto de carbono)

C₂H. H. H.₆ + Cl₂ → C₂H. H. H.₅Cl + HCl

C₂H. H. H.₄Cl₂ + Cl₂ → C₂H. H. H.₃Cl₃ + HCl

até C₂Cl₆ (hexacloroetano)

Adição

As reações de adição se aplicam a alcenos e alcinos. Nesta reação, uma variedade de reagentes adiciona "através" a(s) ligação(ões) pi. Cloro, cloreto de hidrogênio, água e hidrogênio são reagentes ilustrativos.

Polimerização de adição

Os alcenos e alguns alcinos também sofrem polimerização pela abertura das ligações múltiplas para produzir polietileno, polibutileno e poliestireno. O alcino acetileno polimeriza para produzir poliacetileno. Oligômeros (cadeias de alguns monômeros) podem ser produzidos, por exemplo, no processo Shell de olefina superior, onde as α-olefinas são estendidas para produzir α-olefinas mais longas adicionando etileno repetidamente.

Hidrogenação

Metátese

Alguns hidrocarbonetos passam por metátese, na qual os substituintes ligados por ligações C–C são trocados entre as moléculas. Para uma ligação C-C simples é metátese de alcano, para uma ligação C-C dupla é metátese de alceno (metátese de olefina) e para uma ligação C-C tripla é metátese de alcino.

Reações de alta temperatura

Quebrando

Desidrogenação

Pirólise

Combustão

A combustão de hidrocarbonetos é atualmente a principal fonte de energia do mundo para geração de energia elétrica, aquecimento (como aquecimento doméstico) e transporte. Freqüentemente, essa energia é usada diretamente como calor, como em aquecedores domésticos, que usam petróleo ou gás natural. O hidrocarboneto é queimado e o calor é usado para aquecer a água, que é então circulada. Um princípio semelhante é usado para criar energia elétrica em usinas de energia.

As propriedades comuns dos hidrocarbonetos são o fato de que eles produzem vapor, dióxido de carbono e calor durante a combustão e que o oxigênio é necessário para que a combustão ocorra. O hidrocarboneto mais simples, o metano, queima da seguinte maneira:

CH₄ + 2 O₂ → 2 H₂O + CO₂ + energia

Na alimentação inadequada de ar, forma-se gás monóxido de carbono e vapor de água:

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO + 4 H₂O

Outro exemplo é a combustão do propano:

C₃H. H. H.₈ + 5 O₂ → 4 H₂O + 3 CO₂ + energia

E finalmente, para qualquer alcano linear de n átomos de carbono,

C_nH. H. H._2n+ + 3n + 1/2O₂ →n+ 1) H₂O + nCO₂ + energia.

A oxidação parcial caracteriza as reações de alcenos e oxigênio. Este processo é a base da rancificação e secagem da tinta.

Origem

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A grande maioria dos hidrocarbonetos encontrados na Terra ocorre em petróleo bruto, petróleo, carvão e gás natural. Petróleo (literalmente "petróleo de rocha") e carvão são geralmente considerados produtos da decomposição de matéria orgânica. O carvão, ao contrário do petróleo, é mais rico em carbono e mais pobre em hidrogênio. O gás natural é o produto da metanogênese.

Uma variedade aparentemente ilimitada de compostos compreende o petróleo, daí a necessidade de refinarias. Esses hidrocarbonetos consistem em hidrocarbonetos saturados, hidrocarbonetos aromáticos ou combinações dos dois. Faltando no petróleo estão alcenos e alcinos. Sua produção requer refinarias. Os hidrocarbonetos derivados do petróleo são consumidos principalmente como combustível, mas também são a fonte de praticamente todos os compostos orgânicos sintéticos, incluindo plásticos e produtos farmacêuticos. O gás natural é consumido quase exclusivamente como combustível. O carvão é usado como combustível e como agente redutor na metalurgia.

Uma pequena fração dos hidrocarbonetos encontrados na Terra, e todos os hidrocarbonetos atualmente conhecidos encontrados em outros planetas e luas, são considerados biológicos.

Hidrocarbonetos como etileno, isopreno e monoterpenos são emitidos pela vegetação viva.

Alguns hidrocarbonetos também são comuns e abundantes no Sistema Solar. Lagos de metano e etano líquidos foram encontrados em Titã, a maior lua de Saturno, conforme confirmado pela sonda espacial Cassini-Huygens. Hidrocarbonetos também são abundantes em nebulosas formando compostos de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos.

Impacto ambiental

A queima de hidrocarbonetos como combustível, que produz dióxido de carbono e água, é um dos principais contribuintes para o aquecimento global antropogênico. Os hidrocarbonetos são introduzidos no meio ambiente por meio de seu uso extensivo como combustíveis e produtos químicos, bem como por vazamentos ou derramamentos acidentais durante a exploração, produção, refino ou transporte de combustíveis fósseis. A contaminação antropogênica do solo por hidrocarbonetos é um sério problema global devido à persistência de contaminantes e ao impacto negativo na saúde humana.

Mecanismos envolvidos na fitoremediação de hidrocarbonetos

A contaminação do solo por hidrocarbonetos pode ter um impacto significativo nas suas propriedades microbiológicas, químicas e físicas. Isso pode servir para prevenir, retardar ou mesmo acelerar o crescimento da vegetação dependendo das mudanças exatas que ocorrem. O petróleo bruto e o gás natural são as duas maiores fontes de contaminação do solo por hidrocarbonetos.

Biorremediação

A biorremediação de hidrocarbonetos de solo ou água contaminados é um desafio formidável devido à inércia química que caracteriza os hidrocarbonetos (daí que sobreviveram milhões de anos na rocha geradora). No entanto, muitas estratégias foram concebidas, sendo a biorremediação proeminente. O problema básico da biorremediação é a escassez de enzimas que atuam sobre eles. No entanto, a área tem recebido atenção regular. Bactérias na camada gabróica da crosta oceânica podem degradar hidrocarbonetos; mas o ambiente extremo dificulta a pesquisa. Outras bactérias como Lutibacterium anuloederans também podem degradar hidrocarbonetos. Micorremediação ou quebra de hidrocarbonetos por micélio e cogumelos é possível.

Segurança

Os hidrocarbonetos são geralmente de baixa toxicidade, daí o uso generalizado de gasolina e produtos voláteis relacionados. Compostos aromáticos como benzeno e tolueno são narcóticos e toxinas crônicas, e o benzeno em particular é conhecido por ser cancerígeno. Certos compostos aromáticos policíclicos raros são cancerígenos. Os hidrocarbonetos são altamente inflamáveis.