هیدروکربن ها بر اساس ساختارشان به دو دسته اصلی آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می شوند. هیدروکربن های آلیفاتیک خود به گروه های وسیع تری تقسیم می شوند: آلکان ها، آلکن ها، آلکین ها و ترکیبات حلقوی مشابه (سیکلوآلکان ها و غیره).
آلکان ها
ساده ترین عضو خانواده آلکان ها، و در واقع یکی از ساده ترین ترکیبات آلی، متان CH4 است. همه چیز در مورد CH4 را می توان برای سایر آلکان ها با تفاوت های جزئی اعمال کرد.
ساختمان متان
در متان، هر یک از چهار اتم هیدروژن از طریق یک پیوند کووالانسی که از طریق اشتراک یک جفت الکترون ایجاد می شود، به اتم کربن متصل می شود. هنگامی که کربن به چهار اتم دیگر پیوند می خورد، اوربیتال های پیوندی (اوربیتال های SP3 متشکل از برهم نهی یک اوربیتال S و سه P) به گوشه های یک چهارضلعی جهت گیری می کنند.
این آرایش چهار وجهی است که به مدارها اجازه می دهد تا حد امکان از هم دور باشند. برای اینکه هر یک از این اوربیتال ها به طور مؤثر با اوربیتال کروی 5 اتم هیدروژن همپوشانی داشته باشند و در نتیجه قوی ترین پیوند را تشکیل دهند، هسته هر یک از هیدروژن ها باید در گوشه این چهار ضلعی باشد.
منبع متان
متان محصول پوسیدگی گیاهی بی هوازی است که به معنای تجزیه برخی مولکول های بسیار پیچیده است. همچنین بیشترین (حدود 79 درصد) گاز طبیعی را به خود اختصاص داده است. متان، گاز قابل اشتعال خطرناک معادن زغال سنگ، به شکل حباب های گاز از سطح باتلاق ها خارج می شود.
آلکن ها
آلکن ها حاوی انواع مختلفی از هیدروکربن ها به نام هیدروکربن های غیر اشباع هستند. تعداد هیدروژن های این ترکیبات کمتر از آلکان های کو کربنی است. آلکن ها ممکن است یک یا چند پیوند دوگانه مجزا، دور یا مزدوج داشته باشند.
ساختار پیوند دوگانه کربن-کربن در آلکن ها
اتیلن کوچکترین عضو خانواده آلکنها با فرمول C2H4 است که دو اتم هیدروژن کمتر از آلکان کربن (اتان) دارد. بررسی مکانیک کوانتومی ساختار اتیلن نشان داد که برای اینکه کربن در ساختار اتیلن گنجانده شود، باید از اوربیتال های 2S و 2P برای تشکیل سه اوربیتال هیبریدی یکسان در یک سطح استفاده کرد. اتم کربن در مرکز یک مثلث قرار دارد و زوایای بین اوربیتال های هیبریدی 120 درجه تخمین زده می شود.
هنگامی که چهار اتم هیدروژن و دو اتم کربن SP2 را با هم ترکیب می کنیم، شکلی ایجاد می شود که در آن هر اتم کربن سه پیوند سیگما را به هم می پیوندد. برای رسیدن به کربن به شکل اکتت، اوربیتال 2P سوم باید با اتم های کربن همپوشانی داشته باشد تا یک پیوند ایجاد کند. این پیوند که از همپوشانی اوربیتال های جرثقیل p ایجاد می شود، از نظر شکل و انرژی با پیوند سیگما تفاوت دارد و پیوند π نامیده می شود که از دو قسمت تشکیل شده است.
یک ابر الکترونی در بالای سطح مولکول و ابر الکترونی دیگر در زیر سطح قرار دارد. این ساختمان زمانی ایجاد می شود که تمام اتم های درگیر در ساختار اتیلن در یک سطح باشند. بنابراین، مولکول اتیلن باید یک مولکول تخت باشد. صافی مولکول اتیلن با روش های طیف سنجی و پراش الکترونی تایید شد.
آلکین ها
هنگامی که یک ترکیب آلی دارای پیوند سه گانه کربن-کربن باشد، آلکن نامیده می شود. استیلن با فرمول C2H2 کوچکترین عضو این خانواده است و به همین دلیل آلکن ها را استیلن یا ترکیبات استیلن جایگزین می نامند. برای اینکه دو اتم و دو اتم هیدروژن ترکیب شوند و یک مولکول کامل را تشکیل دهند، کربن ها باید از طریق یک پیوند سه گانه (یک پیوند سیگما و دو پیوند π) به هیبرید SP متصل شوند: H — C≡C -H.
طبقه بندی استیلن
استیلن های ترمینال:
ترکیبات این گروه آنهایی هستند که در آنها حداقل یک اتم هیدروژن متصل به کربن SP وجود دارد. به عنوان مثال، پروپن (متیل استیلن) یک استیلن واقعی است. به همین ترتیب، فنیل استیلن و ترت بوتیل استیلن استیلن واقعی هستند.
استیلن های داخلی:
هنگامی که پیوند سه گانه کربن-کربن در نقطه ای از مولکول است که کربن با هیبرید SP به جانشین متصل می شود، استیلن داخلی نامیده می شود. مانند دی متیل استیلن، دی فنیل استیلن، دی سرتیوبوتیل استیلن.
ساختار استیلن
اتیلن یا استیلن کوچکترین عضو خانواده بزرگ آلکینها است. اگر از طریق مکانیک کوانتومی بخواهیم مولکولی با دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن تشکیل دهیم، کربن ها باید با یک پیوند سه گانه به هم متصل شوند. برای ساختن چنین مولکولی، اتم های کربن باید یک هیبرید SP داشته باشند. یکی از این اوربیتال های هیبریدی به کربن و دیگری به هیدروژن متصل است و اوربیتال های Py و Pz دو پیوند π را تشکیل می دهند.
با توجه به دانش ما از دو پیوند دوگانه کربن-کربن و کربن-هیدروژن در آلکن ها، انتظار داریم پیوندهای سه گانه کربن-کربن و کربن-هیدروژن در استیلن از نظر طول کوتاه باشند. طول پیوند سه گانه کربن-کربن 1.20 آنگستروم و پیوند کربن-هیدروژن با 1.06 آنگستروم اندازه گیری شد.