Karbon zinciri nedir? Karbon zincirleri nelerdir, nasıl oluşur, özellikleri nelerdir? Karbon zincirleri hakkında bilgi.
KARBON ZİNCİRLERİ
Motorla uğraşanlar şu ya da bu benzin türünün ötekinden farklı olduğunu iddia eden reklamları bazen şüpheyle karşılarlar, ama bir benzin türü ötekinden gerçekten farklı olabilir. Çünkü benzin aslında bir karışımdır. Yüzdeleri dikkatle hesaplanarak karıştırılmış aynı maddelerden birbirinden farklı iş gören değişik yakıtlar elde edilebilir. Benzinin en büyük kısmı olan bu maddeler hidrokarbonların parafin serisi adı verilen sınıfında bulunur. Hidrokarbonlar karbonla hidrojenden meydana gelen bileşiklerdir. Sıvı yakıt yakan sobalarda kullanılan «parafin yağı» yani gazyağı, tıpta kullanılan «sıvı parafin» ya da «tıbbî parafin», mum ya da mumlu kâğıt yapımında kullanılan «kalın parafin» aynı serinin çak tanınan üyeleridir. «Parafin» kelimesi «ilgisi az» anlamına gelir. Parafinlere, yanma olayları dışında kalan kimyasal reaksiyonlara çok güç girdikleri için verilen bu ad çok uygundur.
Bütün bu maddeler yalnız karbon ve hidrojenden yapılmışlardır. Teorik olarak bu maddeler karbon ve hidrojenden yapılabilir, ama çok pahalıya mal olur. Çünkü basit ve tek bir reaksiyonla elde edilemez. Parafinlerin asıl kaynağı jeolojik çağlarda büyük basınçlar altında oluşmuş ham petrol ve yer gazıdır. Bu hammaddelerden vazelin, makine yağı, mazot, gazyağı ve bütan gibi petrol gazlan elde edilir. Parafin grubunun en basit maddesi renksiz bir gaz olan metandır (bataklıklardan kabarcıklar halinde çıkar, «bataklık gazı» da denir). Ayrıca kömür madeni kuyularında havayla karışarak tehlikeli, patlayıcı bir madde olan grizu adıyla da bilinir. En küçük metan parçacığı, yani metan molekülü, bir atom karbon, dört atom hidrojenden meydana gelmiştir. Karbon atomunun dış yörüngesindeki dört elektron öbür atomlarla ortaklık yaparak birleşir (atomlar birleşerek molekül meydana getirirken dış elektronlarını ortak kullanarak birbirine bağlanır). Karbonun bağlanmamış elektronları hidrojen ve öbür karbon atomlarının elektronlarıyle bağlanma eğilimini gösterir. Böylece karbon atomunun dört bağı hidrojenle doldurulursa metan molekülü ortaya çıkar. Eğer bağlardan’biri başka bir karbon atomuyla doldurulursa hidrojen ya da öbür karbon atomlarıyle birleşmesi için 6 tane bağ açıkta kalır. Böyle bağlanmış iki karbon atomu 6 atom hidrojenle birleşirse bir molekül etan meydana gelir.
Etan da metan gibi renksiz ve kokusuz bir gazdır. Parafin grubunun ikinci üyesidir. Parafin grubunda birbirini izleyen iki üye arasında bir karbon ve iki hidrojen kadar fark vardır. Bundan ötürü, propan adı verilen üçüncü üyenin her molekülünde üç karbon atomu bulunur. Karbonlar sıralanarak hidrojenle doldurulan 8 bağı açık bırakırlar. Dördüncü üyeye bütan denii. Dört karbon ve açık bağları dolduran 10 hidrojen, atomundan meydana gelir. Propan ve bütan normal sıcaklıkta gazdır. Bununla beraber bütan basınç altında kolayca sıvılaştırılabilir.
Parafin grubundaki herhangi bir modelde karbon atomları bir zincir meydana getirir. Karbon atomu dıştaki elektronlarından birini önündeki, diğerini arkasındaki atomla ortak kullanarak bir bağ yapar. Ortak kullanılan elektronlar her iki atomun çevresinde dolanarak bunları sıkı sıkıya birbirine bağlar. Karbonun dış yörüngesinde, ortak kullandığı dört elektron vardır. Bunların ikisi diğer karbon atomlarının birer elektronuyla, geri kalan ikisi de birer hidrojen atomuyla birleşir (hidrojen atomunun zaten tek elektronu vardır). Bir karbon atomuna düz bir zincirde iki hidrojen atomu bağlandığına göre hidrojen atomları sayısının karbon atomlarının iki ‘katı olması gerekir. Gerçekte hidrojen atomlarının sayısı karbon atomlarının iki katından iki tane daha fazladır. Çünkü bir zincirin her iki ucundaki karbon atomunun üç hidrojen atomuyla birleşmesi gerekir, yoksa bir elektronu açıkta kalır. Böylece pentan adı verilen parafinin bir molekülünde zincirdeki beş karbon atomuna karşılık 12 tane (2×5 + 2 = 12) de hidrojen atomu bulunur. Eğer zincir 5 ile 17 karbon atomu uzunluğundaysa o bileşik normal sıcaklıkta sıvıdır. Hexan gibi 6, heptan gibi 7, oktan gibi 8 karbon atomlu sıvı parafinler benzinde bulunur. Bütün bunlar renksizdir ve kolay buharlaşıp çabuk tutuşurlar. Parafin serisi üyelerinin kaynama noktaları karbon zincirinin uzunluğuna göre değişir. Kısa zincirliler (dört ya da daha az karbonlu) düşük derecelerde kaynar ve normal olarak gaz halinde bulunurlar. Çok uzun zincirliler (17 ya da daha çok karbonlu) normal olarak katıdır ve yüksek derecede kaynar. Parafinlerir kimyasal özellikleri birbirine benzemekle beraber kaynama noktaları ayrıdır. Bunun için «ayrımsal damıtma» ile birbirinden ayrılabilirler. Bu metot benzinin ham petrolden elde edilmesinde kullanılır. Ham petrol ısıtılarak, buharı damıtma kulesine gönderilir. Buhar yukarı doğru çıkarken soğur ve yoğunlaşır. Kaynama noktaları yüksek olan maddeler en önce yoğunlaşarak damıtma kulesindeki raflarda sıvı birikintileri meydana getirir. Kaynama noktası düşük olanlarsa (motor yakıtı olan parafinler de dahil) kulenin tepesinde buhar halinde toplanırlar. Sonra bir soğutucuya gönderilerek yoğunlaşır, sıvı haline gelirler. Böylece ham petroldeki diğer maddelerden ayrılmış olurlar.
Bütanın değişik bir şekli olan izo-butanda karbonların sıralanışı farklıdır. Dört karbon atomundan meydana gelen düz zincir yerine, izo-butan molekülünde üç karbon atomu zincir meydana getirir, dördüncüsü de orta-dakine dal şeklinde birleşir. Bu molekülde yine 10 hidrojen atomu bulunur. Bütan ve izo-butan birbirlerinin izomeridir. Çünkü moleküllerinde 4 karbon 10 hidrojen atomu vardır. Yalnız bunların dizilişleri farklıdır. Bütandan itibaren bütün parafinlerin izomerleri yardır. İzomerlerin sayısı molekül lerdeki karbon atomları sayısına bağlı olarak çoğalır. 20 karbon atomu olan bir parafinin 366.319 izomeri olabilir.
Moleküllerindeki karbon atomları düz bir zincir meydana getiren parafinler iyi motor yakıtı olamazlar. Ateşlendikleri (tutuştukları) zaman motorda sert bir deto-nasyona (vurma) sebep olurlar, fyi bir yakıt yavaş patlar ve pistona düzgün bir itme verir. Hızlı patlamalar pistona çekiçle vuruyormuş gibi etki eder. Molekülleri dallanmış zincirlerden yapılmış parafinler düz zincirliler kadar çabuk yanmaz. Bunun için çağımızda benzin düz ve dallanmış zincirlilerden meydana gelen parafinlerin bir karışımıdır. Vurma problemi ise tetra etil kurşun gibi maddeler karıştırılarak önlenir. Bu maddeler yanma hızını azaltır.
Yakıtlarda detonasyonun (vurma) azalma olanağı oktan derecesiyle ölçülür. Bu derecenin ortaya atıldığı ilk zamanlarda izo-oktan denen dallı dallı zincirli bir parafinin en az vurucu olçluğu zannedilmişti. En çok vurucu ise heptan denen düz zincirli bir parafin zannediliyordu. Böylece izo-oktanın derecesi 100, heptanınki ise 0 olarak kabul edildi. Bir yakıtın oktan derecesini ölçmek için bu yakıt özel deneme motorlarında yakılır. Bunun yanışı, karışım oranı bilinen heptan-izo oktan karışımının yanış tarzı ile karşılaştırılır. Eğer bir yakıt 30 ‘hacim heptan, 70 hacim izo-oktan karışımı kadar vurucuysa bu yakıtın oktan derecesi 70’tir. Eğer 20 hacim heptan, 80 hacim izo-oktan karışımı kadar vurucuysa bu yakıtın oktanı 80’dir ve bu türlü benzin otomobil motorları için jok uygundur. Uçaklarda kullanılan benzinin oktanı daha yüksektir. Hatta 100’den daha fazladır. Bu benzin izo-oktandan daha az vurucu olan moleküllerin de karışımıyle meydana gelir.
Bazı dallanmış zincirli parafinler ham petrolde de bulunur. Fakat motor yakıtlarının çoğu uzun karbon zinciri olan moleküller parçalanarak (yani kraking yapılarak) elde edilir, bu da ağır yağların aşağıdan damıtma kulesine alınarak burada basınç altında ısıtılmasıyla olur. ‘Böylece ham petrolden alınan mahsul çoğaltılmış olur. Eğer kraking katalitik yolla yapılırsa daha yüksek oktanlı, daha iyi yakıtlar elde edilir. Bu yöntemde ısıtılmış ağır yağın buharı silika gel tanecikleri ya da benzeri maddeyle doldurulmuş bir kamaradan geçirilir. Uzun zincirli moleküller parçalanır. 6, 7 ya da 8 karbonlu yeni zincirler oluşur. Silika gel’e katalizör denir. Çünkü reaksiyona kimyaca karışmaz ve sonunda değişmemiş olarak kalır. Aynı metotlarla gaz halindeki parafinlerin küçük molekülleri de polimerize edilerek uygun uzunluktaki karbon zincirleri meydana getirilir. Bunlar da motor yakıtı olarak, kullanılır.
