jueves, 3 de febrero de 2011
HIDROCARBUROS ALCANOS: PROPIEDADES Y REACCIONES
Hidrocarburos; Alcanos
Introducción
Como sabemos aquellos compuestos orgánicos que solo tienen carbono e hidrógeno en su composición se denominan hidrocarburos. Los alcanos pertenecen a este grupo de compuestos, es decir son hidrocarburos.
Los hidrocarburos pueden ser de diferentes clases generales; primariamente pueden ser divididos en dos grandes grupos:
Hidrocarburos alifáticos. (los que tienen como compuesto básico el metano CH4)
Hidrocarburos aromáticos. (los que tienen como compuesto básico el anillo bencénico)
Los hidrocarburos alifáticos a su vez pueden dividirse en 3 clases principales:
Alcanos o parafínicos (R-CH3)
Alquenos u olefínicos (R-CH=CH-R)
Alquinos o acetilénicos (R-C ≡ C-R)
Cicloalcanos. (alguna cadena cerrada en la molécula)
A su vez los aromáticos se pueden dividir en:
Monocíclicos (con un solo anillo bencénico)
Policíclicos (con varios anillos bencénicos enlazados)
Características generales de los alcanos
Los alcanos son una familia de compuestos que tienen la fórmula empírica general CnH2n+2. Inicialmente fueron llamados parafínicos (del Latín: poca reactividad) debido a su inercia química. También son conocidos como hidrocarburos saturados, debido a que en ellos, los átomos de carbono están saturados con el máximo número posible de átomos de hidrógeno.
Cuando forman cadenas lineales se denominan alcanos normales o n-alcanos.
La tabla 1 muestra algunos de los alcanos normales.
Esta nomenclatura usada para los alcanos es importante conocerla porque se utiliza como base para nombrar el resto de los hidrocarburos alifáticos.
Así por ejemplo, los grupos o radicales alquílicos, que mucho se usan en la química orgánica, derivan sus nombres de los alcanos normales como aparece, para los primeros miembros, en la tabla 2.
Nombre
Estrutura
Símbolo
Metilo CH3- Me
Etilo CH3-CH2- Et
Propilo CH3-CH2-CH2- Pr
Tabla 2
Tabla1
Propiedades físicas de los alcanos
Las propiedades físicas de los alcanos como en otras clases de compuestos orgánicos depende de la longitud de la cadena. Veamos.
Punto de ebullición.
En la figura 1 se muestra el gráfico de comportamiento del punto de ebullición de los alcanos normales en correspondencia con el número de átomos de carbono de la molécula.
Observe que este punto va aumentando de manera contínua con el aumento de la longitud de la cadena carbonada.
Note que de C=1 hasta C=4 son gases hasta la temperatura ambiente (25°C), mientras que con mas de 16 átomos de carbono hierven a temperaturas mayores de 300°C.
Mientras es un fenómeno general que el punto de ebullición crezca con el tamaño de la cadena, como se desprende de la figura 1, este efecto está influenciado por su estructura.
De tal modo, los tres isómeros del pentano, tienen un decrecimiento del punto de ebullición a medida que la estructura es mas ramificada, como se indica en la tabla 3, de forma que, incluso, el dimetilpropano es gaseoso a temperatura ambiente.
El patrón de decrecimiento del punto de ebullición con el incremento de la ramificación de la estructura molecular es generalizado, así tenemos que; mientras mas ramificada es la molécula, menor será su punto de ebullición.
Figura 1
Tabla 3
Punto de fusión
Los alcanos normales son líquidos desde el pentano hasta el heptadecano C17H36 (22.5°C); comenzando en el octadecano C18H38 (28°C) son sólidos a temperatura ambiente.
La temperatura de fusión de los alcanos normales, ploteada contra la cantidad de átomos de carbono de la molécula, no es una curva continua, como sucede con el punto de ebullición.
En su lugar podemos encontrar dos curvas que gradualmente convergen para los altos pesos moleculares (figura 2). Una curva mas alta para los alcanos con números pares de carbonos, y una mas baja para números nones de carbonos.
Por otro lado, el punto de fusión no cambia del mismo modo que lo hace el punto de ebullición, con el cambio de la estructura molecular este efecto es mas errático.
Lo que sí sucede, es que aquellos compuestos de estructura simétrica compacta, invariablemente tienen un punto de fusión mas alto que los asimétricos.
Ilustremos esto último con el ejemplo extremo basado en los dos octanos isoméricos, 2 metilheptano, y el altamente simétrico tetrametilbutano; Observe la figura 3.
Figura 2
Figura 3
Solubilidad
Los alcanos son casi insolubles en agua, y esta solubilidad disminuye a medida que aumenta el peso molecular, así tenemos que el mas soluble de todos es el metano, con una solubilidad equivalente a la del nitrógeno, 0.00002 g/ml a 25 °C. Ya la parafina doméstica (C=26 hasta C=30) no es ni humedecida por el agua.
La solubilidad en solventes orgánicos es alta, en especial otros hidrocarburos muchos de los cuales son miscibles entre si en cualquier proporción.
Densidad.
La densidades de todos los hidrocarburos líquidos, incluyendo algunos sólidos como la parafina, son menores que 1g/cm3 por lo que flotan en el agua.
Propiedades químicas de los alcanos.
El nombre histórico de "parafínicos" utilizado para los alcanos se derivó de su inercia química. Ellos sin embargo, pueden llevar a cabo ciertos tipos de reacciones químicas que tienen importancia comercial e industrial.
Oxidación.
A alta temperatura los alcanos pueden combinares con el oxígeno (combustión) para formar dióxido de carbono y agua liberando energía según la reacción:
H-(CH2)nH + (3n + 1)[O] ----------> nCO2 + (n + 1)H2O + Calor
Esta es la reacción básica de todos los hidrocarburos utilizados como combustible, fuente básica de energía utilizada por la humanidad.
Pirólisis
Los alcanos se descomponen por el calor (pirólisis), generando mezclas de alquenos, hidrógeno y alcanos de menor peso molecular. Si hacemos circular propano por un tubo metálico calentado a 600°C se produce la reacción de pirólisis siguiente:
600°C
CH3-CH2-CH3 ----------> CH2=CH2 + CH4 + CH3-CH=CH2 + H2
Propano Etileno + Metano + Propileno + Hidrógeno
Isomerización
La restructuración de la molécula de un isómero en una mezcla de uno o mas de otros isómeros se conoce como isomerización. En los alcanos este proceso es factible con la utilización de catálisis ácida. Así tenemos que el butano puede convertirse en una mezcla con el 80% de isobutano por la acción del cloruro o bromuro de aluminio.
AlCl3 ó AlBr3 CH3
|
CH3-CH2-CH2-CH3 <------------------------> CH3- CH- CH3
20% 80%
Halogenación.
Una mezcla de cloro y metano es perfectamente estable en la oscuridad, pero si se ilumina con luz solar, se produce una reacción en cadena de sustitución de hidrógenos por el cloro que adquiere carácter explosivo. Esta reacción sensible a la luz es incontrolable, y finalmente coduce a la formación de una mezcla de di, tri y tetraclorometano en mayores o menores proporciones en dependencia de la cantidad de cloro disponible.
El cloro reacciona fotoquímicamente, o por calentamiento, de la misma manera con otros alcanos.
El bromo reacciona de manera similar, pero con menos violencia, mientras que el yodo ya es inerte para hacer las sustituciones.
El flúor reacciona de manera explosiva con la mayoría de los compuestos orgánicos.
La halogenación de los homólogos superiores del metano se complica un tanto, ya que dependiendo del hidrógeno sustituido, la reacción puede dar como resultado una mezcla de diferentes isómeros de posición. Esta sustitución al azar, en la práctica es imposible de controlar, e invariablemente se obtiene una mezcla de diferentes isómeros de posición. La cercanía de los puntos de ebullición de los isómeros, impide su separación por destilación, por lo que este método no puede ser utilizado para obtener compuestos puros.
No obstante se usa industrialmente, ya que en muchas aplicaciones la mezcla resultante cumple con el propósito del proceso, como es en el caso de obtención de mezclas disolventes o en ciertas materias primas.
Nitración
Los alcanos pueden reaccionar a alta temperatura con los vapores del ácido nítrico, producto de la reacción, un hidrógeno de la cadena queda sustituido por el grupo -NO2, generándose una clase de compuestos conocidos como nitroalcanos.
La reacción general es la siguiente:
450°C
R-H + HO-NO2 ---------------> R-NO2 + H-OH
Nitroalcano
La reacción es bastante mas complicada de la representada en la ecuación química de arriba ya que la alta temperatura puede tener efectos de pirólisis adicionales y otras complicaciones en cuanto a la extensión real de la reacción etc., pero estas complejidades no serán tratadas aquí.
Introducción
Como sabemos aquellos compuestos orgánicos que solo tienen carbono e hidrógeno en su composición se denominan hidrocarburos. Los alcanos pertenecen a este grupo de compuestos, es decir son hidrocarburos.
Los hidrocarburos pueden ser de diferentes clases generales; primariamente pueden ser divididos en dos grandes grupos:
Hidrocarburos alifáticos. (los que tienen como compuesto básico el metano CH4)
Hidrocarburos aromáticos. (los que tienen como compuesto básico el anillo bencénico)
Los hidrocarburos alifáticos a su vez pueden dividirse en 3 clases principales:
Alcanos o parafínicos (R-CH3)
Alquenos u olefínicos (R-CH=CH-R)
Alquinos o acetilénicos (R-C ≡ C-R)
Cicloalcanos. (alguna cadena cerrada en la molécula)
A su vez los aromáticos se pueden dividir en:
Monocíclicos (con un solo anillo bencénico)
Policíclicos (con varios anillos bencénicos enlazados)
Características generales de los alcanos
Los alcanos son una familia de compuestos que tienen la fórmula empírica general CnH2n+2. Inicialmente fueron llamados parafínicos (del Latín: poca reactividad) debido a su inercia química. También son conocidos como hidrocarburos saturados, debido a que en ellos, los átomos de carbono están saturados con el máximo número posible de átomos de hidrógeno.
Cuando forman cadenas lineales se denominan alcanos normales o n-alcanos.
La tabla 1 muestra algunos de los alcanos normales.
Esta nomenclatura usada para los alcanos es importante conocerla porque se utiliza como base para nombrar el resto de los hidrocarburos alifáticos.
Así por ejemplo, los grupos o radicales alquílicos, que mucho se usan en la química orgánica, derivan sus nombres de los alcanos normales como aparece, para los primeros miembros, en la tabla 2.
Nombre
Estrutura
Símbolo
Metilo CH3- Me
Etilo CH3-CH2- Et
Propilo CH3-CH2-CH2- Pr
Tabla 2
Tabla1
Propiedades físicas de los alcanos
Las propiedades físicas de los alcanos como en otras clases de compuestos orgánicos depende de la longitud de la cadena. Veamos.
Punto de ebullición.
En la figura 1 se muestra el gráfico de comportamiento del punto de ebullición de los alcanos normales en correspondencia con el número de átomos de carbono de la molécula.
Observe que este punto va aumentando de manera contínua con el aumento de la longitud de la cadena carbonada.
Note que de C=1 hasta C=4 son gases hasta la temperatura ambiente (25°C), mientras que con mas de 16 átomos de carbono hierven a temperaturas mayores de 300°C.
Mientras es un fenómeno general que el punto de ebullición crezca con el tamaño de la cadena, como se desprende de la figura 1, este efecto está influenciado por su estructura.
De tal modo, los tres isómeros del pentano, tienen un decrecimiento del punto de ebullición a medida que la estructura es mas ramificada, como se indica en la tabla 3, de forma que, incluso, el dimetilpropano es gaseoso a temperatura ambiente.
El patrón de decrecimiento del punto de ebullición con el incremento de la ramificación de la estructura molecular es generalizado, así tenemos que; mientras mas ramificada es la molécula, menor será su punto de ebullición.
Figura 1
Tabla 3
Punto de fusión
Los alcanos normales son líquidos desde el pentano hasta el heptadecano C17H36 (22.5°C); comenzando en el octadecano C18H38 (28°C) son sólidos a temperatura ambiente.
La temperatura de fusión de los alcanos normales, ploteada contra la cantidad de átomos de carbono de la molécula, no es una curva continua, como sucede con el punto de ebullición.
En su lugar podemos encontrar dos curvas que gradualmente convergen para los altos pesos moleculares (figura 2). Una curva mas alta para los alcanos con números pares de carbonos, y una mas baja para números nones de carbonos.
Por otro lado, el punto de fusión no cambia del mismo modo que lo hace el punto de ebullición, con el cambio de la estructura molecular este efecto es mas errático.
Lo que sí sucede, es que aquellos compuestos de estructura simétrica compacta, invariablemente tienen un punto de fusión mas alto que los asimétricos.
Ilustremos esto último con el ejemplo extremo basado en los dos octanos isoméricos, 2 metilheptano, y el altamente simétrico tetrametilbutano; Observe la figura 3.
Figura 2
Figura 3
Solubilidad
Los alcanos son casi insolubles en agua, y esta solubilidad disminuye a medida que aumenta el peso molecular, así tenemos que el mas soluble de todos es el metano, con una solubilidad equivalente a la del nitrógeno, 0.00002 g/ml a 25 °C. Ya la parafina doméstica (C=26 hasta C=30) no es ni humedecida por el agua.
La solubilidad en solventes orgánicos es alta, en especial otros hidrocarburos muchos de los cuales son miscibles entre si en cualquier proporción.
Densidad.
La densidades de todos los hidrocarburos líquidos, incluyendo algunos sólidos como la parafina, son menores que 1g/cm3 por lo que flotan en el agua.
Propiedades químicas de los alcanos.
El nombre histórico de "parafínicos" utilizado para los alcanos se derivó de su inercia química. Ellos sin embargo, pueden llevar a cabo ciertos tipos de reacciones químicas que tienen importancia comercial e industrial.
Oxidación.
A alta temperatura los alcanos pueden combinares con el oxígeno (combustión) para formar dióxido de carbono y agua liberando energía según la reacción:
H-(CH2)nH + (3n + 1)[O] ----------> nCO2 + (n + 1)H2O + Calor
Esta es la reacción básica de todos los hidrocarburos utilizados como combustible, fuente básica de energía utilizada por la humanidad.
Pirólisis
Los alcanos se descomponen por el calor (pirólisis), generando mezclas de alquenos, hidrógeno y alcanos de menor peso molecular. Si hacemos circular propano por un tubo metálico calentado a 600°C se produce la reacción de pirólisis siguiente:
600°C
CH3-CH2-CH3 ----------> CH2=CH2 + CH4 + CH3-CH=CH2 + H2
Propano Etileno + Metano + Propileno + Hidrógeno
Isomerización
La restructuración de la molécula de un isómero en una mezcla de uno o mas de otros isómeros se conoce como isomerización. En los alcanos este proceso es factible con la utilización de catálisis ácida. Así tenemos que el butano puede convertirse en una mezcla con el 80% de isobutano por la acción del cloruro o bromuro de aluminio.
AlCl3 ó AlBr3 CH3
|
CH3-CH2-CH2-CH3 <------------------------> CH3- CH- CH3
20% 80%
Halogenación.
Una mezcla de cloro y metano es perfectamente estable en la oscuridad, pero si se ilumina con luz solar, se produce una reacción en cadena de sustitución de hidrógenos por el cloro que adquiere carácter explosivo. Esta reacción sensible a la luz es incontrolable, y finalmente coduce a la formación de una mezcla de di, tri y tetraclorometano en mayores o menores proporciones en dependencia de la cantidad de cloro disponible.
El cloro reacciona fotoquímicamente, o por calentamiento, de la misma manera con otros alcanos.
El bromo reacciona de manera similar, pero con menos violencia, mientras que el yodo ya es inerte para hacer las sustituciones.
El flúor reacciona de manera explosiva con la mayoría de los compuestos orgánicos.
La halogenación de los homólogos superiores del metano se complica un tanto, ya que dependiendo del hidrógeno sustituido, la reacción puede dar como resultado una mezcla de diferentes isómeros de posición. Esta sustitución al azar, en la práctica es imposible de controlar, e invariablemente se obtiene una mezcla de diferentes isómeros de posición. La cercanía de los puntos de ebullición de los isómeros, impide su separación por destilación, por lo que este método no puede ser utilizado para obtener compuestos puros.
No obstante se usa industrialmente, ya que en muchas aplicaciones la mezcla resultante cumple con el propósito del proceso, como es en el caso de obtención de mezclas disolventes o en ciertas materias primas.
Nitración
Los alcanos pueden reaccionar a alta temperatura con los vapores del ácido nítrico, producto de la reacción, un hidrógeno de la cadena queda sustituido por el grupo -NO2, generándose una clase de compuestos conocidos como nitroalcanos.
La reacción general es la siguiente:
450°C
R-H + HO-NO2 ---------------> R-NO2 + H-OH
Nitroalcano
La reacción es bastante mas complicada de la representada en la ecuación química de arriba ya que la alta temperatura puede tener efectos de pirólisis adicionales y otras complicaciones en cuanto a la extensión real de la reacción etc., pero estas complejidades no serán tratadas aquí.
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