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 C
nH
2n+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
|
Tabla 1
|
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 figura 2, 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
|
Figura 2
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 3). 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 4.
Figura 4
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/cm 3 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.
|
Figura
3
|
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 -NO
2, 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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