idrocarburi

Composti chimici costituiti da carbonio e idrogeno.

Generalità e classi

La tendenza degli atomi di carbonio a legarsi tra loro formando catene aperte, più o meno lunghe, ramificate o no, oppure anelli con o senza catene laterali, rende possibile l’esistenza di numerosi tipi di idrocarburi. Si hanno tre grandi classi: idrocarburi alifatici, che possiedono una catena aperta di atomi di carbonio e per questo sono anche detti aciclici; possono essere saturi e non saturi (➔ alifatici, idrocarburi); idrocarburi aliciclici, detti anche, meno propriamente, naftenici (perché molti sono contenuti nei petroli), che sono ciclici, cioè a catena chiusa (➔ aliciclici, idrocarburi); idrocarburi aromatici, caratterizzati dalla presenza di almeno un anello benzenico (➔ aromatici, idrocarburi).

Caratteristiche

Gli i. sono le sostanze fondamentali da cui, in linea di principio, si possono derivare tutti gli altri composti organici sostituendo uno o più atomi di idrogeno con atomi di altri elementi o con gruppi atomici diversi. Possono essere liquidi, solidi, gassosi; generalmente sono incolori ma quelli con molti legami coniugati (come i polidieni e gli i. aromatici policondensati) possono essere colorati, come, per es., il carotene e il rubrene rosso arancio, il pirene e il colantrene gialli. Sono praticamente insolubili in acqua ma solubili nei solventi organici; in questi ultimi la loro solubilità diminuisce con l’aumentare del peso molecolare, cosicché alcuni degli i. aromatici policiclici e i termini superiori degli alifatici possono essere considerati praticamente insolubili. Anche il punto di fusione e quello di ebollizione aumentano con il peso molecolare. Le proprietà fisiche degli i. dipendono anche dalla struttura molecolare: per es., gli i. ramificati hanno punto di ebollizione più basso degli isomeri a catena lineare.

Gli i. sono tutti composti combustibili, che per combustione completa danno anidride carbonica e acqua; in generale, la loro temperatura di accensione nell’aria, a parità di condizioni, aumenta con il numero di atomi di carbonio. Le proprietà chimiche degli i. variano con la presenza o meno di legami non saturi e, in parte, con la struttura molecolare. Gli i. paraffinici non mostrano una grande attività chimica (➔ paraffina). Gli i. alifatici non saturi, per la presenza dei doppi e tripli legami, danno reazioni di addizione con diversi elementi e composti: addizionano cloro, bromo, idrogeno, acidi alogenidrici, acido solforico, acido acetico ecc. I mezzi ossidanti li attaccano con facilità formando prodotti diversi a seconda delle condizioni in cui avviene la reazione: così per ossidazione delle olefine con permanganato di potassio in soluzione alcalina si ottengono glicoli, con ozono si ottengono ozonuri che in acqua si scindono dando aldeidi o chetoni. Gli i. aromatici, rispetto agli altri insaturi, danno più facilmente reazioni di sostituzione sull’anello piuttosto che di addizione: l’acido solforico, l’acido nitrico e in certe condizioni gli alogeni, i cloruri alchilici e acilici reagiscono con il benzene sostituendo uno o più atomi di idrogeno. Per azione di ossidanti energici l’anello aromatico può essere aperto con formazione di acidi bicarbossilici non saturi.

Diffusione e impiego

In natura gli i. sono largamente diffusi: tra quelli gassosi il più comune è il metano, spesso in miscela con i. superiori (propano, butano, pentano, esano, eptano). Gli idrocarburi liquidi costituiscono i vari tipi di petrolio grezzo (paraffinici, naftenici, a base mista, aromatici). Gli idrocarburi solidi e semisolidi costituiscono la gilsonite, l’ozocerite, l’elate;rite, l’hatchettite, la fichtelite, la simonellite, la bombiccite, l’idralite, la succinite, e altri meno frequenti.

Numerosi i. si possono preparare per via sintetica da i. più semplici o per decomposizione di i. complessi (come nel caso della distillazione e dell’idrogenazione del carbone, del cracking delle frazioni medie e pesanti del petrolio ecc.).

Gli i. sono impiegati come combustibili, solventi, carburanti; come prodotti di partenza per la sintesi di coloranti, di prodotti farmaceutici, per fabbricare materie plastiche e gomma sintetica, come ingredienti di essenze e di profumi. Grazie all’applicazione di processi biotecnologici, gli i. possono trovare impiego anche in campo alimentare per la produzione di proteine utilizzabili come integratori dei mangimi per gli animali. Si tratta delle cosiddette SCP (single cell protein), che si possono ottenere mediante inoculo di un opportuno microrganismo in un fermentatore contenente sostanze nutrienti (substrati) adatte alla moltiplicazione del microrganismo stesso.

Origine degli idrocarburi naturali

Gli i. naturali costituiscono il prodotto finale di una serie di trasformazioni molto complesse (naftogenesi), in cui concorrono numerosi fattori. Allo stato attuale, l’origine degli i. viene considerata alla luce di due teorie.

Teoria dell’origine inorganica Basata sul fatto che alcuni i. sono stati sintetizzati a partire da sostanze inorganiche, la teoria dell’origine inorganica è stata abbandonata e poi ripresa (1979) ipotizzando la presenza all’interno della crosta terrestre a notevole profondità di i., che successivamente sarebbero migrati verso l’alto. Questa migrazione li avrebbe portati in superficie oppure a rimanere intrappolati all’interno delle rocce sedimentarie superficiali. La presenza di questi i. si fa risalire ai primordi della Terra, quando ve ne dovevano essere in notevoli quantità: a suffragare tale ipotesi, i sostenitori della teoria adducono la presenza di i. complessi in alcune meteoriti, mentre la presenza di sostanze organiche all’interno degli i. verrebbe spiegata proprio a seguito della contaminazione che essi avrebbero con le rocce sedimentarie contenenti materia organica.

Teoria dell’origine organica Tra le numerose prove a sostegno dell’origine degli i. da una componente organica fondamentale, tre costituiscono il presupposto principale: a) gli i. si rinvengono in rocce sedimentarie che contengono notevoli quantità di sostanza organica; b) la presenza di azoto e di pigmenti porfirinici riscontrata negli i. è tipica della materia vegetale e animale, mancando in quella inorganica; c) l’attività ottica, registrata nei componenti dei petroli, è caratteristica tipica della sintesi biologica, non essendo stata riscontrata negli i. derivati da sostanze inorganiche.

Circa il materiale di partenza da cui si originano gli i. (origine animale o vegetale), nella maggior parte dei casi è stata riscontrata una provenienza mista. Tuttavia, tra tutti gli organismi che possono concorrere al processo di naftogenesi, quelli marini rivestono il ruolo fondamentale, anche se a essi si devono associare, subordinatamente, quelli di origine continentale. In particolar modo, un posto rilevante è dato al plancton, sia esso animale che vegetale; seguono le alghe e gli organismi animali (fossili e microfossili) tra i quali un ruolo piuttosto importante spetta ai coralli, che, come organismi costruttori, costituiscono ammassi rocciosi molto porosi, spesso impregnati di idrocarburi. Tra gli organismi continentali il ruolo più importante è quello dei vegetali, sotto forma sia di sostanze humiche sia legnose. Le trasformazioni di queste sostanze avvengono mediante una fonte di energia che trae origine da numerosi fattori: pressione e temperatura, radioattività, azione catalizzatrice di alcuni metalli (nichel, vanadio, molibdeno) e presenza di batteri che agiscono come elementi innescanti reazioni chimiche. A tutto ciò vanno aggiunte le condizioni ambientali in cui il processo di naftogenesi si verifica. In questo senso, particolare rilevanza è legata agli agenti della decomposizione, ai quali la materia organica deve essere sottratta prima che venga completamente distrutta. Le migliori condizioni di preservazione sono rappresentate, pertanto, da quei bacini marini dove la materia organica si accumula e si conserva a causa o della profondità o della scarsa circolazione delle acque che, non essendo ossigenate, determinano condizioni anaerobiche e riducenti. La persistenza di queste condizioni deve inoltre essere accoppiata a una continua e regolare subsidenza del fondo, in modo da compensare l’apporto di sedimenti e da non provocare drastiche modifiche per l’ambiente.