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HIDROCARBUROS. ASPECTOS ESTRUCTURA.Recopilación: Ing. Pablo Gandarilla Claure.

La geometría de sus moléculas

Los hidrocarburos son los derivados del carbono más sencillos. Resultan de la unión únicamente de átomos decarbono con átomos de hidrógeno y de átomos de carbono entre sí formando cadenas que pueden ser abiertaso cerradas y cuyos «eslabones» pueden estar unidos por enlaces simples o por enlaces múltiples. Aquelloshidrocarburos que presentan únicamente enlaces simples reciben el nombre de hidrocarburos saturados(alcanos).El representante más sencillo de los hidrocarburos saturados es el metano CH4; no obstante, el etano C2H6 dauna mejor idea de las características de este tipo de hidrocarburos. La molécula de etano está compuesta pordos átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno que se unen entre sí mediante enlaces covalentessencillos. El resto de los compuestos de esta serie de hidrocarburos de cadena abierta puede obtenerseintercalando en el etano sucesivamente gruposCH2.

Las cadenas de los hidrocarburos saturados pueden también cerrarse formando estructuras cíclicas. Elciclohexano es un ejemplo. Los enlaces C C forman una estructura hexagonal, no plana.

Los hidrocarburos no saturados se caracterizan, desde el punto de vista de su estructura molecular, por lapresencia de enlaces dobles (alquenos) o triples (alquinos).

ALCANOS

Son hidrocarburos, es decir, compuestos formados por átomos de hidrógeno y carbono, que no presentanningún tipo de insaturación, es decir, todos sus enlaces C – C son simples. Estos hidrocarburos se conocentambién con el nombre de “parafinas”.

Los alcanos menos complicados son los de cadena lineal. Salvo los cuatro primeros, (metano, etano, propano ybutano), el resto de la serie se nombra usando los prefijos griegos para designar el número de carbonos de lacadena principal. Se les da la terminación –ano que es genérica para los hidrocarburos saturados.

Todos los alcanos acíclicos, (lineales), tienen la fórmula general CnH2n+2. Pero en la mayoría de los casos nosvamos a encontrar compuestos que tengan otros sustituyentes en vez de hidrógeno, dando lugar a cadenasramificadas. A estos sustituyentes se les llama radicales o grupos. Son hidrocarburos que han perdido unhidrógeno y pueden formar un enlace C – C con el carbono de la cadena principal. Se les nombra sustituyendola terminación –ano por –ilo.

Una vez que encontremos la cadena principal, tendremos que empezar a numerar los carbonos de ésta demanera que a los sustituyentes les corresponda el localizador más bajo posible, sea cual sea su naturaleza.

En caso de que los localizadores sean los mismos, empecemos por donde empecemos, se da el número másbajo al radical que se vaya a nombrar primero.

C H 4

C H 3 C H 3

C H 3 C H 2 C H 3

C H 3 C H 2 C H 2 C H 3

M e ta n o

E ta n o

P r o p a n o

B u ta n o

C H 3 (C H 2 ) 3 C H 3 P e n ta n o

C H 3 (C H 2 ) 4 C H 3 H e x a n o

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REGLAS PARA NOMBRAR ALCANOS

1.- Buscar siempre la cadena más larga y esa será la principal.2.- Numeraremos los átomos de carbono de la cadena principal de manera que se asigne loslocalizadores más bajos a los sustituyentes, independientemente de la naturaleza de éstos.3.- Los radicales sencillos se nombran por orden alfabético sin tener en cuenta los prefijos di- ; tri- .4.- Los radicales complejos se ordenan según la primera letra del radical (aunque haya prefijos).5.- Cuando hay varios radicales complejos iguales se les pone el prefijo bis- ; tris- ; tetrakis-...6.- Cuando varias cadenas tienen la misma longitud se siguen los criterios:

a) La cadena que tenga el mayor número de cadenas laterales.b) La cadena cuyas cadenas laterales tengan los localizadores más bajos.c) La cadena que tenga el máximo número de átomos de carbono en las cadenas laterales máspequeñas.d) La cadena que tenga cadenas laterales lo menos ramificadas posible.

Otro tipo de hidrocarburos saturados son los alcanos cíclicos o cicloalcanos. Se nombran añadiendo el prefijociclo- al nombre del alcano equivalente de cadena abierta. Los radicales simples derivados de estos alcanoscíclicos se nombran también añadiendo el sufijo –ilo al final del nombre.

Debemos señalar que hay dos formas de nombrar los cicloalcanos sustituidos, salvo en el caso de que elcicloalcano posea varios sustituyentes alquílicos.

NomenclaturaVimos que se emplean los nombres metano, etano, propano, butano y pentano para alcanos con uno, dos, tres,cuatro y cinco átomos de carbono, respectivamente. La tabla 3.2 indica los nombres de muchos alcanossuperiores. Excepto para los cuatro primeros miembros de la familia,

Tabla 3.2 NOMBRES DE LOS ALCANOSCH4

C2H6C3H8

C4H10

C5H12C6H14

C7H16

C8H18

metanoetanopropanobutanopentanohexanoheptanooctano

C9H20

C10H22

C11H24

C12H26C14H30

C16H34

C18H38C20H42

nonanodecanoundecanododecanotetradecanohexadecanooctadecanoeicosano

CH CH3CH3 2-ciclopropilpropano oisopropilciclopropano

CH3

CH3

CH2-CH2-CH2-CH3

C(CH3)31-butil-1-terc-butil-4,4-dimetilciclohexano

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el nombre simplemente se deriva del prefijo griego (o latino) para el número particular de carbonos en el alcano,de modo que resulta pentano para cinco, hexano para seis, heptano para siete, octano para ocho, etc.

Deben memorizar los nombres de por lo menos los diez primeros alcanos. Logrado esto, se habrán aprendidosimultáneamente también, en esencia, los nombres de los diez primeros alquenos, alquinos, alcoholes, etc.,puesto que los nombres de muchas familias de sustancias están íntimamente relacionados; por ejemplo,compárense los nombres propano, propeno y propino, para el alcano, alqueno y alquino de tres carbonos.Sin embargo, prácticamente todo alcano puede tener cierto número de estructuras isómeras, debiendo haber unnombre inequívoco para cada una de ellas. Los butanos y pentanos se distinguen por el empleo de prefijos: n-butano e isobutano; n-pentano, isopentano y neopentano. Pero hay 5 hexanos, 9 heptanos y 75 decanos; seríadifícil encontrar y, aún más, recordar un prefijo para cada uno de estos isómeros; es evidente que se necesitaalgún método sistemático para nombrarlos.

Durante el desarrollo de la química orgánica, se han inventado diferentes métodos para nombrar los miembrosde prácticamente todos los tipos de compuestos orgánicos; cada método se ideó una vez que el sistemaempleado antes resultaba inadecuado para el creciente número de sustancias orgánicas cada vez máscomplejas. Es, quizá, lamentable para nosotros que hayan sobrevivido varios sistemas y que aún sean de usocorriente. Aun cuando nos contentemos con emplear un solo sistema, es necesario entender los nombresusados por otros químicos, por lo que debemos aprender más de un sistema de nomenclatura; pero antes deemprender la tarea, debemos conocer previamente los nombres de ciertos grupos orgánicos.

Nombres comunes de los alcanosHemos visto que los prefijos n-, iso- y neo- son adecuados para diferenciar los diversos butanos y pentanos,pero más allá de éstos se necesitaría un número irracional de prefijos. Sin embargo, se retiene el prefijo n- paracualquier alcano, por largo que sea, en el cual todos los carbonos forman una cadena continua sinramificaciones:

CH3CH2CH2CH2CH3 CH3(CH2)4CH3

n-Pentano n-Hexano

Un isoalcano es un compuesto de seis carbonos o menos en el que todos ellos, excepto uno, forman unacadena continua, con el carbono no considerado unido al penúltimo:

CHCH2CH3

CH3

CH3

CH(CH2)2CH3

CH3

CH3

Isopentano Isohexano

Nombres IUPAC de alcanos

Para diseñar un sistema de nomenclatura aplicable a los compuestos aún más complejos, se han reunidoperiódicamente desde 1892 varios comités y comisiones en representación de los químicos del mundo. En suforma actual, el sistema diseñado se conoce como sistema IUPAC (International Union of Pure and AppliedChemistry); dado que sigue, más o menos, la misma pauta para todas las familias de compuestos orgánicos, loconsideraremos en detalle para su aplicación a los alcanos.

En esencia, las reglas del sistema IUPAC son:

1. Como estructura de referencia, seleccione la cadena continua más larga y considere luego que elcompuesto deriva de aquella, reemplazando los hidrógenos por diversos grupos alquilo. Así, puede

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considerarse que el isobutano (I) deriva del propano por reemplazo de un átomo de hidrógeno por ungrupo metilo, por lo que se puede denominar metilpropano.

CH3CH2CH2CHCH3

CH3

CH3CHCH3

CH3

CH3CH2CHCH2CH3

CH3I II III

Metilpropano(Isobutano)

2-Metilpentano 3-Metilpentano

2. Donde sea necesario, como es el caso de los dos metilpentanos isómeros (II y III), indique el carbonoque lleva el grupo alquilo por medio de un número.

3. Al numerar la cadena carbonada de referencia, comience por el extremo que resulte en el empleo de losnúmeros más bajos; así, II se denomina 2-metilpentano, y no 4-metilpentano.

4. Si un mismo grupo alquilo aparece más de una vez como cadena lateral, indíquelo por los prefijos di-,tri-, tetra-, etc., para destacar cuántos de esos alquilos hay, e indique con números la posición de cadagrupo, como en 2,2,4-trimetilpentano (IV).

5.

CH3CHCH2CCH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH2CH2CH CH C CH2CH3

CH2

CH2

CH3

CH3

CH3CHCH3 CH3IV

V2,2,4-Trimetilpentano 3,3-Dietil-5-isopropil-4-metiloctano

6. Si a la cadena principal se unen varios grupos alquilo diferentes, nómbrelos en orden alfabético, comoen 3,3-dietil-5-isopropil-4-metiloctano (V). (Obsérvese que isopropil aparece antes que metil; sinembargo, dimetil debe aparecer después que etil o dietil.)

Hay reglas y convenciones adicionales que se emplean para nombrar alcanos muy complicados, pero las cincoreglas fundamentales mencionadas aquí son suficientes para los compuestos que encontraremos.

Los halogenuros de alquilo, que aparecen muchas veces en la química de los alcanos, se denominanhaloalcanos; es decir, se trata el halógeno como si fuese sólo una cadena lateral. Nombramos primero el alcanocomo si no contuviese halógeno, y agregamos a continuación fluoro, cloro, bromo o yodo, junto con los númerosy prefijos que fuesen necesarios.

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CH3CH2CI CH3CH2CH2Br CH3CH2CHCH3

Br

CH3CHCH2ICH3

CH3 CCH3

FCH3 CH3CH2 C CHCH3

CH3

CI CI

1-Cloroetano 1-Bromopropano2-Bromobutano

2-Metil-1-yodopropano2-Fluoro-2-metilpropano 2,3-Dicloro-3-metilpentano

Fuente industrial

La fuente principal de alcanos es el petróleo, junto con el gas natural que lo acompaña. La putrefacción y lastensiones geológicas han transformado, en el transcurso de millones de años, compuestos orgánicos complejosque alguna vez constituyeron plantas o animales vivos en una mezcla de alcanos de 1 hasta 30 ó 40 carbonos.Junto a ellos, y particularmente abundantes en el petróleo de California, se encuentran los cicloalcanos, que enla industria petrolera se conocen como naftenos.

Una segunda fuente potencial de alcanos la constituye el otro combustible fósil, el carbón; se estándesarrollando procesos que lo convierten, por medio de la hidrogenación, en gasolina y petróleo combustible,como también en gas sintético, para contrarrestar la escasez previsible del gas natural.

Evidentemente, el gas natural sólo contiene los alcanos más volátiles, es decir, los de bajo peso molecular; estáconstituido en esencia por metano y cantidades progresivamente menores de etano, propano y alcanossuperiores. Una muestra obtenida de un oleoducto alimentado por gran número de pozos de Pensilvaniacontenía metano, etano y propano en proporción de 12:2:1; los alcanos superiores representaban sólo el 3% deltotal. La fracción propano-butano se separa de los componentes más volátiles por licuación, se comprime encilindros y se vende como gas licuado en áreas que no tienen gas de alumbrado.

El petróleo se separa por destilación en las diversas fracciones enumeradas en la tabla 3.4; debido a la relaciónentre punto de ebullición y peso molecular, esto supone una separación preliminar de acuerdo con el número decarbonos. Cada fracción aún es una mezcla compleja, sin embargo, puesto que contiene alcanos con unintervalo de átomos de carbono y cada número de carbonos representa varios isómeros. El uso de cadafracción depende principalmente de su volatilidad o viscosidad, e importa muy poco si es una mezcla complejao un solo compuesto puro.

El principal uso de todas las fracciones volátiles es utilizarlo como combustibles. La fracción gaseosa, igual queel gas natural, se emplea sobre todo en calefacción. La gasolina se utiliza en máquinas de combustión internaque requieren un combustible bastante volátil; el queroseno se usa en motores de tractor y reactores, y elgasóleo, en motores Diesel. Estos dos últimos también se emplean para calefacción, conociéndose también elúltimo como fuel-oil.

La fracción de aceite lubricante, especialmente la procedente de crudos de Pennsilvania (petróleo de baseparafínica), a menudo contiene grandes cantidades de alcanos de cadena larga (C20–C34), con puntos de fusiónbastante altos. Si éstos permanecieran en el aceite, en días fríos podrían cristalizar en forma de sólidos cerososen los oleoductos; para prevenirlo, se enfría el aceite y se separa la cera por filtración, que se vende como ceraparafínica (p.f. 50-55ºC) una vez purificada, o bien se emplea como gelatina de petrolato (vaselina). El asfaltose emplea para impermeabilizar techumbres y en la pavimentación de carreteras. El coque obtenido de crudosde base parafínica se compone de hidrocarburos complejos de elevada proporción de carbono a hidrógeno; seusa como combustible o en la manufactura de electrodos de carbono para la industria electroquímica. El éterdel petróleo y la ligroína son disolventes útiles para muchos materiales orgánicos de baja polaridad.

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Tabla 3.4 CONSTITUYENTES DEL PETROLEOFracción Temperatura

de destilación, ºCNúmero de carbonos

GasEter de petróleoLigroína (nafta ligera)Gasolina NaturalQuerosenoGasóleoAceite lubricante

Bajo 20ºC20-60 ºC60-100 ºC40-205 ºC175-325 ºCSobre 275 ºCLíquidos no volátiles

C1-C4C5-C6C6-C7C5-C10, y cicloalcanosC12-C18, y aromáticosC12 y superioresProbablemente cadenas largas unidasa estructuras cíclicasEstructuras policíclicasAsfalto o coque de petróleo Sólidos no volátiles

Además de emplearse directamente como se acaba de describir, ciertas fracciones del petróleo se conviertenen otras clases de compuestos químicos. La isomerización catalítica transforma alcanos de cadena recta enramificados; el proceso cracking convierte alcanos superiores en inferiores y en alquenos, con lo que seaumenta el rendimiento de la gasolina: incluso puede usarse para la producción de gas natural. Es más,los alquenos así formados constituyen quizá las materias primas más importantes para la síntesis desustancias alifáticas en gran escala. El proceso de reformación catalítica convierte los alcanos y loscicloalcanos en hidrocarburos aromáticos, con lo que contribuye a proporcionar materias primas para la síntesisen gran escala de otra amplia gama de compuestos.

Alquenos, alacenos, olefinas

Propiedades físicas

Como clase, los alquenos poseen propiedades físicas esencialmente iguales que las de los alcanos. Soninsolubles en agua, pero bastante solubles en líquidos no polares, como benceno, éter, cloroformo, y sonmenos densos que el agua. De la tabla 7.2 se desprende que el punto de ebullición aumenta con el númerocreciente de carbonos; como en el caso de los alcanos, el aumento del punto de ebullición es de 20 a 30 gradospor cada carbono adicional, excepto para los homólogos muy pequeños. Las ramificaciones bajan el punto deebullición. Al igual que los alcanos, los alquenos son, a lo sumo, sólo débilmente polares.

Compuestos incoloros. Desde el eteno hasta los butenos son gases en condiciones normales, en tanto que losalquenos C5 a C18 son líquidos. Los superiores son sólidos. El punto de ebullición y la densidad aumentan alcrecer la cadena. Son insolubles o poco solubles en agua, pero se disuelven en solventes orgánicos.

Tabla 7.2 ALQUENOS

Nombre Fórmulap.f.,ºC

p.e.,ºC

Densidad relativa(a 20 ºC)

Etileno CH2=CH2 -169 -102Propileno CH2=CHCH3 -185 - 481-Buteno CH2=CHCH2CH3 - 6.51-Penteno CH2=CH(CH2)2CH3 30 0.6431-Hexeno CH2=CH(CH2)3CH3 -138 63.5 .6751-Hepteno CH2=CH(CH2)4CH3 -119 93 .698

1-Octeno CH2=CH(CH2)5CH3 -104 122.5 .716

1-Noneno CH2=CH(CH2)6CH3 146 .731

1-Deceno CH2=CH(CH2)7CH3 -87 171 .743

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Alquinos, alquínicos, acetilénicos

Propiedades físicas

Desde el etino al 1-butino son gases en condiciones normales; el 2-butino al C14 son líquidos, y los restantesson sólidos.

La densidad es menor que la del agua, y mayor que la de los alquenos. Hierven a temperatura más elevada quelos alquenos del mismo número de átomos de carbono e igual estructura y arden con llama brillante.

Son incoloros y muy poco solubles en agua, se disuelven en solventes orgánicos como éter, benceno,tetracloruro de carbono y otros.

Propiedades físicas

Punto de ebullición

Puntos de fusión (curva inferior) y de ebullición (curva superior) de los primeros 14 n-alcanos, en °C.

HC C CH2 CH2 CH CH C CH

CH3 C C CH2 CH CH CH CH CH2 CH3

3-octeno-1,7-diino1,7-diino-3-octeno

5,7-decadien-2-ino2-ino-5,7-decadieno

CH2 CH CH CH CH2 C C CCH2CH3

CH28-etil-1,3,8-nonatrien-6-ino(no 2-etil-1,6,8-nonatrien-3-ino)

CH2 C CH2 Aleno

HC CH Acetileno (etino)

Hidrocarburos connombre propio

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Bajo condiciones estándar, los alcanos desde el CH4 hasta el C4H10 son gases; desde el C5H12 hasta C17H36 sonlíquidos; y los posteriores a C18H38 son sólidos. Como el punto de ebullición de los alcanos está determinadoprincipalmente por el peso, no debería sorprender que los puntos de ebullición tengan una relación casi linealcon la masa molecular de la molécula. Como regla rápida, el punto de ebullición se incrementa entre 20 y 30 °Cpor cada átomo de carbono agregado a la cadena; esta regla se aplica a otras series homólogas. Un alcano decadena lineal tendrá un mayor punto de ebullición que un alcano de cadena ramificada, debido a la mayor áreade la superficie en contacto, con lo que hay mayores fuerzas de van der Waals, entre moléculas adyacentes.

Por ejemplo, compárese el isobutano y el n–butano que hierven a –12 y 0 ° C, y el 2,2–dimetilbutano y 2,3–dimetilbutano que hierven a 50 y 58 °C, respectivamente. En el último caso, dos moléculas de 2,3–dimetilbutanopueden "encajar" mutuamente mejor que las moléculas de 2,2–dimetilbutano entre sí, con lo que hay mayoresfuerzas de van der Waals.

Por otra parte, los cicloalcanos tienden a tener mayores puntos de ebullición que sus contrapartes lineales,debido a las conformaciones fijas de las moléculas, que proporcionan planos para el contacto intermolecular.

Punto de fusión

El punto de fusión de los alcanos sigue una tendencia similar al punto de ebullición por la misma razón que seexplicó anteriormente. Esto es, (si todas las demás características se mantienen iguales), a molécula másgrande corresponde mayor punto de fusión. Hay una diferencia significativa entre los puntos de fusión y lospuntos de ebullición: los sólidos tienen una estructura más rígida y fija que los líquidos. Esta estructura rígidarequiere energía para poder romperse durante la fusión. Entonces, las estructuras sólidas mejor construidasrequerirán mayor energía para la fusión. Para los alcanos, esto puede verse en el gráfico anterior. Los alcanosde longitud impar tienen puntos de fusión ligeramente menores que los esperados, comparados con los alcanosde longitud par. Esto es debido a que los alcanos de longitud par se empacan bien en la fase sólida, formandouna estructura bien organizada, que requiere mayor energía para romperse. Los alcanos de longitud impar seempacan con menor eficiencia, con lo que el empaquetamiento más desordenado requiere menos energía pararomperse.

Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser mayores o menores que la de los alcanosde cadena lineal, dependiendo nuevamente de la habilidad del alcano en cuestión para empacarse bien en lafase sólida: esto es particularmente verdadero para los isoalcanos (isómeros 2-metil), que suelen tener mayorespuntos de fusión que sus análogos lineales.

Conductividad

Los alcanos son malos conductores de la electricidad y no se polarizan sustancialmente por un campo eléctrico.

Solubilidad en agua

No forman enlaces de hidrógeno y son insolubles en solventes polares como el agua. Puesto que los enlacesde hidrógeno entre las moléculas individuales de agua están apartados de una molécula de alcano, lacoexistencia de un alcano y agua conduce a un incremento en el orden molecular. Se dice que los alcanos sonhidrofóbicos (repelen el agua).

Solubilidad en otros solventes

Su solubilidad en solventes no polares es relativamente buena, una propiedad que se denomina lipofilicidad.Por ejemplo, los diferentes alcanos son miscibles entre sí en todas las demás proporciones.

Densidad

La densidad de los alcanos suele aumentar conforme aumenta el número de átomos de carbono, peropermanece inferior a la del agua. En consecuencia, los alcanos forman la capa superior en una mezcla dealcano–agua.

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Propiedades químicas

En general, los alcanos muestran una reactividad relativamente baja, porque sus enlaces de carbono sonrelativamente estables y no pueden ser fácilmente rotos. A diferencia de muchos otros compuestos orgánicos,no tienen grupo funcional.

Sólo reaccionan muy pobremente con sustancias iónicas o polares, son prácticamente inertes a los ácidos ybases. Su inercia es la fuente del término parafinas (que significa "falto de afinidad"). En el petróleo crudo, lasmoléculas de alcanos permanecen químicamente sin cambios por millones de años.

Sin embargo, es posible reacciones redox de los alcanos, en particular con el oxígeno y los halógenos, puestoque los átomos de carbono están en una condición fuertemente reducida; en el caso del metano, se alcanza elmenor estado de oxidación posible para el carbono (-4). La reacción con el oxígeno conduce a la combustiónsin humo; con los halógenos, a la reacción de sustitución. Además, los alcanos interactúan con, y se unen a,ciertos complejos de metales de transición.

Los radicales libres, moléculas con un número impar de electrones, juegan un papel importante en la mayoríade reacciones de los alcanos, tales como el cracking y el reformado, donde los alcanos de cadena larga seconvierten en alcanos de cadena corta, y los alcanos de cadena lineal en los isómeros ramificados,respectivamente.

Reacciones con oxígeno

Todos los alcanos reaccionan con oxígeno en una reacción de combustión, si bien se torna más difícil deinflamar al aumentar el número de átomos de carbono. La ecuación general para la combustión completa es:

CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 → (n+1)H2O + nCO2

En ausencia de oxígeno suficiente, puede formarse monóxido de carbono o inclusive negro de humo, como semuestra a continuación:

CnH(2n+2) + ½ nO2 → (n+1)H2 + nCO

por ejemplo metano:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CH4 + O2 → CO + 2H2O

Reacciones con halógenos

Los alcanos reaccionan con halógenos en la denominada reacción de halogenación radicalaria. Los átomos dehidrógeno del alcano son reemplazados progresivamente por átomos de halógeno. Los radicales libres son lasespecies que participan en la reacción, que generalmente conduce a una mezcla de productos. La reacción esaltamente exotérmica, y puede resultar en una explosión.

Estas reacciones son una importante ruta industrial para los hidrocarburos halogenados.

Los experimentos han mostrado que toda halogenación produce una mezcla de todos los isómeros posibles,indicando que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles de reaccionar. Sin embargo, la mezcla producidano es una mezcla estadística: los átomos de hidrógeno secundario y terciario son reemplazadospreferentemente debido a la mayor estabilidad de los radicales secundarios y terciarios. Un ejemplo puedeverse en la monobromación del propano:

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Cracking

El cracking rompe moléculas grandes en unidades más pequeñas, Esta operación puede realizarse con unmétodo térmico o un método catalítico. El proceso de cracking térmico sigue un mecanismo de reacciónhomolítico con formación de radicales libres. El proceso de cracking catalítico involucra la presencia de uncatalizador ácido (generalmente ácidos sólidos como silica-alúmina y zeolitas), que promueven la heterólisis(ruptura asimétrica) de los enlaces, produciendo pares de iones de cargas opuestas, generalmente uncarbocatión y el anión hidruro, que es muy inestable. Los radicales libres de alquilo y los carbocationes sonaltamente inestables, y sufren procesos de reordenamiento de la cadena, y la escisión del enlace C-C en laposición beta, además de transferencias de hidrógeno o hidruro intramolecular y extramolecular. En ambostipos de procesos, los reactivos intermediarios (radicales, iones) se regeneran permanentemente, por lo queproceden por un mecanismo de autopropagación en cadena. Eventualmente, la cadena de reacciones terminaen una recombinación de iones o radicales.

Isomerización y reformado

La isomerización y reformado son procesos en los que los alcanos de cadena lineal son calentados enpresencia de un catalizador de platino. En la isomerización, los alcanos se convierten en sus isómeros decadena ramificada. En el reformado, los alcanos se convierten en sus formas cíclicas o en hidrocarburosaromáticos, liberando hidrógeno como subproducto. Ambos procesos elevan el índice de octano de lasustancia.

Otras reacciones

Los alcanos reaccionan con vapor en presencia de un catalizador de níquel para producir hidrógeno. Losalcanos pueden ser clorosulfonados y nitrados, aunque ambas reacciones requieren condiciones especiales. Lafermentación de los alcanos a ácidos carboxílicos es de importancia técnica. En la reacción de Reed, el dióxidode azufre y cloro convierten a los hidrocarburos en cloruros de sulfonilo, en un proceso inducido por luz.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los alcanos pueden ser determinadas bastante bien de acuerdo al número de átomos decarbono. Los cuatro primeros alcanos son usados principalmente para propósitos de calefacción y cocina, y enalgunos países para generación de electricidad. El metano y el etano son los principales componentes del gasnatural; pueden ser almacenados como gases bajo presión. Sin embargo, es más fácil transportarlos comolíquidos: esto requiere tanto la compresión como el enfriamiento del gas.

El propano y el butano pueden ser líquidos a presiones moderadamente bajas y son conocidos como gaseslicuados del petróleo (GLP). Por ejemplo, el propano se usa en el quemador de gas propano, el butano en losencendedores descartables de cigarrillos. Estos dos alcanos son usados también como propelentes enpulverizadores.

Desde el pentano hasta el octano, los alcanos son líquidos razonablemente volátiles. Se usan comocombustibles en motores de combustión interna, puesto que pueden vaporizarse rápidamente al entrar en lacámara de combustión, sin formar gotas, que romperían la uniformidad de la combustión. Se prefieren losalcanos de cadena ramificada, puesto que son menos susceptibles a la ignición prematura, que causa elcascabeleo en los motores, que sus análogos de cadena lineal. Esta propensión a la ignición prematura esmedida por el índice de octano del combustible, donde el 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) tiene un valor

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arbitrario de 100, y heptano tiene un valor de cero. Además de su uso como combustibles, los alcanos mediosson buenos solventes para las sustancias no polares.

Los alcanos desde el nonano hasta, dígase, el hexadecano (un alcano con dieciséis átomos de carbono) sonlíquidos de alta viscosidad, cada vez menos aptos para su uso en gasolinas. Por el contrario, forman la mayorparte del diésel y combustible de aviones. Los combustibles diésel están caracterizados por su índice de cetano(el cetano es un nombre antiguo para el hexadecano). Sin embargo, el alto punto de fusión de estos alcanospuede causar problemas a bajas temperaturas y en regiones polares, donde el combustible se vuelvedemasiado espeso para fluir adecuadamente.

Los alcanos a partir del hexadecano en adelante constituyen los componentes más importantes del aceitecombustible y aceite lubricante. La función de los últimos es también actuar como agentes anticorrosivos,puesto que su naturaleza hidrofóbica implica que el agua no puede llegar a la superficie del metal. Muchosalcanos sólidos encuentran uso como cera de parafina, por ejemplo en vela. Ésta no debe confundirse con laverdadera cera, que consiste principalmente de ésteres.

Los alcanos con una longitud de cadena de aproximadamente 35 o más átomos de carbono se encuentran en elbetún, que se usa, por ejemplo, para asfaltar los caminos. Sin embargo, los alcanos superiores tienen pocovalor, y se suelen romper en alcanos menores mediante cracking.

Algunos polímeros sintéticos tales como el polietileno y el polipropileno son alcanos con cadenas que contienencientos de miles de átomos de carbono. Estos materiales se usan en innumerables aplicaciones, y se fabrican yusan millones de toneladas de estos materiales al año.

Riesgos

El metano es explosivo cuando está mezclado con aire (1 – 8% CH4) y es un agente muy fuerte en el efectoinvernadero. Otros alcanos menores también forman mezclas explosivas con el aire. Los alcanos líquidosligeros son altamente inflamables, aunque este riesgo decrece con el aumento de la longitud de la cadena decarbono. El pentano, hexano, heptano y octano están clasificados como peligrosos para el medio ambiente ynocivos. El isómero de cadena lineal del hexano es una neurotoxina.

REACCIONES DE ALCANOS1. Halogenación. Estudiada en las secciones 3.19 a 3.22.

C H + X 2250-400ºC, o luz C X + HX

Generalmente una mezclaReactividad X 2 : CI 2 Br 2

H: 3º 2º 1º C H 3 H

Ejemplo:

C H 3 C H C H 3

C H 3CI 2

250-400ºC C H 3 C HC H 3

C H 2 C I + C H 3 CC H 3

C H 3

C IIsobutano Cloruro de isobutiloCloruro de t-butilo

2. Combustión. Estudiada en la sección 3.30.

C n H 2n + 2 + exceso O 2llama nCO 2 + (n + 1)H 2 O H=calor de combustion

Ejemplo:n-C 5 H 12 + 8 O 2 5CO 2 + 6H 2 O H=-845 kcalllama

3. Pirólisis (cracking). Estudiada en la sección 3.31.

alcano H 2 + alcanos menores + alquenos400-600ºC con o sincatalizadores