alcanos, alquenos y alquinos. propiedades, usos y aplicaciones
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UNIDAD II HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS
“Alcanos, Alquenos y Alquinos: Propiedades, Usos y
Aplicaciones”
Q.A. Eduardo Vega Barrios Pte. M. en C.Q. Macaria Hernández Chávez
Propiedades físicas y químicas.
Propiedades Físicas. Los alcanos se presentan en los tres estados de agregación: Sólido, líquido y gaseoso.
El estado de agregación dependerá del número de átomos en la cadena principal. Esto es
debido a que los átomos de carbono e hidrógeno que constituyen los alcanos tienen
prácticamente la misma electronegatividad, y presentan interacciones del tipo “dipolos
instantáneos”.
Por esta razón, los alcanos de bajo peso molecular (metano, etano, propano y butano)
son gases, pero a medida que el número de carbonos en la serie homóloga aumenta también
lo hace el número de pequeños dipolos instantáneos porque crece el número de enlaces C-C
y C-H y así las moléculas se mantienen más fijas, y el compuesto se presenta a temperatura
ambiente como líquido (pentano, hexano, etc.) y los alcanos con más de 18 átomos de
carbono son sólidos a temperatura ambiente. De la misma manera al aumentar el tamaño de
la molécula se incrementa el punto de fusión, ebullición, así como la densidad.
ALCANO FÓRMULA PUNTO DE FUSIÓN ºC
PUNTO DE EBULLICIÓN ºC DENSIDAD
Metano CH4 - 183 -162 --- Etano H3C-CH3 - 172 - 88.5 --- Propano H3C-CH2-CH3 - 187 - 42 --- Butano H3C-CH2-CH2-CH3 - 138 0 --- Pentano H3C-(CH2)3-CH3 - 130 36 0.626 Hexano H3C-(CH2)4-CH3 - 95 69 0.659 Heptano H3C-(CH2)5-CH3 - 90.5 98 0.684 Octano H3C-(CH2)6-CH3 - 57 126 0.703 Nonano H3C-(CH2)7-CH3 - 54 151 0.718 Decano H3C-(CH2)8-CH3 - 30 174 0.730 Undecano H3C-(CH2)9-CH3 - 26 196 0.740 Dodecano H3C-(CH2)10-CH3 - 10 216 0.749 Tridecano H3C-(CH2)11-CH3 - 6 234 0.757 Tetradecano H3C-(CH2)12-CH3 5.5 252 0.764
Nota: El número que se encuentra en rojo en la fórmula de cada alcano representa el número
de –CH2- que contiene la fórmula.
Si graficamos los datos anteriores podremos observar como aumentan estos valores a medida
que aumenta el número de átomos de carbono.
La mayoría de los alcanos son insolubles en agua, y solo se disuelven en solventes no
polares, de la misma forma son excelentes disolventes de grasas y algunas ceras.
Los alcanos tienen una baja densidad, la cual crece al aumentar el peso molecular. Sin
embargo, siempre su valor es menor que la densidad del agua.
Propiedades Químicas. Los alcanos son compuestos poco reactivos debido a que no tienen sitios de reacción
con electrones disponibles o deficiencia de ellos. Es por ello que no sufren transformaciones
en presencia de metales, ácidos, bases o agentes oxidantes sin la presencia de energía,
generalmente en forma de calor. Sin embargo, los alcanos son excelentes combustibles y, en
presencia de oxígeno arden bien y desprenden dióxido de carbono y agua.
-250-200-150-100
-500
50100150200250300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Tem
pera
tura
Número de átomos de carbonoTemperatura de ebullición
Temperatura de fusión
Combustión Los alcanos reaccionan con el oxígeno formando
como productos de reacción: dióxido de carbono (CO2),
agua (H2O) y se libera energía en forma de calor. En
condiciones pobres de oxigeno, se forma monóxido de
carbono (CO). Un ejemplo de ello es la combustión en
las estufas del gas natural.
Ejemplo:
𝑪𝑪𝑪𝑪𝟒𝟒 + 𝟐𝟐 𝑶𝑶𝟐𝟐 → 𝑪𝑪𝑶𝑶𝟐𝟐 + 𝟐𝟐 𝑪𝑪𝟐𝟐𝑶𝑶 + (𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌/𝒎𝒎𝒎𝒎𝒌𝒌)
Halogenación Los alcanos también pueden reaccionar con halógenos como el cloro y el bromo bajo
ciertas condiciones como es la presencia de luz ultravioleta (representada como hv). Ya que
los enlaces C-C y C-H, no polarizados y difíciles de romper, pueden ceder ante la presencia
de especies muy reactivas, denominadas radicales libres.
Las moléculas de cloro (Cl2) y bromo (Br2) suelen generar radicales libres por ruptura
homolítica de sus enlaces, promovida por calor o luz, generando Cl⋅ y Br⋅ (radicales). Estos
radicales son sumamente energéticos y en su choque con una molécula de alcano liberan
suficiente energía como para promover la ruptura de los fuertes enlaces C-H.
La ruptura de un enlace C-H es seguida por la formación de un nuevo enlace C-
halógeno; este proceso se denomina halogenación. En el producto final, un átomo de
hidrógeno es sustituido por uno de halógeno. Ejemplos:
𝑪𝑪𝑪𝑪𝟒𝟒 + 𝑪𝑪𝒌𝒌𝟐𝟐 𝒉𝒉𝒉𝒉�� 𝑪𝑪𝑪𝑪𝟐𝟐𝑪𝑪𝒌𝒌 + 𝑪𝑪𝑪𝑪𝒌𝒌
C
H
H H
H
Br Br+ hvC
H
H Br
H
H Br+
Métodos de obtención Los alcanos se obtienen principalmente en la industria a partir del gas natural, y de la
destilación fraccionada del petróleo. En estos procesos se separan los diferentes alcanos
presentes en el petróleo y se mantienen las estructuras químicas de los compuestos. Otros de
los métodos más usuales en la industria es el cracking del petróleo. El cracking rompe
moléculas grandes en unidades más pequeñas, Esta operación puede realizarse con un
método térmico o un método catalítico.
El proceso de cracking térmico del petróleo sigue un mecanismo de reacción homolítico
con formación de radicales libres. El proceso de cracking catalítico también conocido como
desintegración catalítica, involucra la presencia de un catalizador ácido (generalmente ácidos
sólidos como sílica, alúmina y zeolitas), que promueven la heterólisis (ruptura asimétrica) de
los enlaces, produciendo pares de iones de cargas opuestas, generalmente un carbocatión y
el anión hidruro, que es muy inestable. Eventualmente, la cadena de reacciones termina en
una recombinación de iones o radicales.
En estos procesos que se utilizan principalmente para la obtención de gasolinas de
mayor octanaje, la estructura del alcano se transforma, ya que se toman alcanos entre 11-14
átomos de carbono y se rompen en moléculas más pequeñas, adecuadas para usarse en las
gasolinas.
Existen otros métodos de obtención de algunos alcanos, como el metano, a partir de la
descomposición de desechos orgánicos en presencia de bacterias metanógenas.
Usos y aplicaciones. Las aplicaciones de los alcanos pueden determinarse de acuerdo al número de átomos
de carbono en la molécula. Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente como
combustible para calefacción, en las estufas para la cocción de los alimentos y en algunos
países se utilizan en la generación de energía eléctrica.
El propano se halla en el gas doméstico que utilizamos en nuestros hogares y el butano
se halla presente en los encendedores.
Los alcanos del pentano al octano, se utilizan como combustible en
los motores de combustión interna como los automóviles. Estos
también pueden usarse como solventes para grasas y aceites.
Alcanos de mayor peso molecular, del nonano
al hexadecano, forman parte del diesel, que se utiliza como
combustible. Los alcanos desde el heptadecano hasta el tricontano
forman parte de los aceites lubricantes, de las ceras y la parafina que
se halla en las velas.
Los alcanos más pesados forman parte del asfalto en las
carreteras, y de los productos impermeabilizantes.
Los alcanos también se utilizan como materia prima para la
obtención de polímeros.
En el documental del History Channel que lleva por nombre “Los secretos del petróleo”
(actividad 2.1.2) verás de cerca cómo se obtiene cada uno de los alcanos aquí mencionados y
sus aplicaciones a nivel industrial y doméstico.
Propiedades físicas y químicas de los alquenos.
Propiedades físicas de los alquenos. Las propiedades físicas de los alquenos son comparables a las de los alcanos, de la
misma forma el estado de agregación de los alquenos dependerá del número de átomos de
carbono presentes en la molécula.
Por lo que los alquenos más sencillos, eteno, propeno y buteno son gases, los
alquenos de cinco átomos de carbono hasta quince átomos de carbono son líquidos y los
alquenos con más de quince átomos de carbono se presentan en estado sólido.
Los puntos de fusión de los alquenos se incrementan al aumentar el tamaño de la
cadena, al aumentar las interacciones entre los átomos.
Al igual que en los alcanos, la densidad de los alquenos es menor a la del agua y
solamente son solubles en solventes no polares.
Propiedades químicas de los alquenos. Los alquenos son más reactivos que los alcanos debido a la presencia del doble
enlace. Este doble enlace carbono – carbono esta conformado por un enlace sigma (σ) y un
enlace pi (π) que es más débil, pero que en conjunto (enlace σ y enlace π son mas fuertes que
el enlace de los alcanos que es solamente enlace σ) . Las reacciones típicas de los alquenos
involucran el rompimiento de este enlace π con la formación de dos enlaces σ.
C C
HH
HH
C C
HH
ZYHH+ YZ
Los alquenos, como los alcanos son altamente combustibles y reaccionan con el
oxigeno formando como productos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor.
Regla de Markovnikov
En 1869 el químico ruso Vladimir Markovnikov estudiando el mecanismo de adición del
ácido bromhídrico (HBr) a los alquenos explico la orientación de la adición estableciendo la
siguiente regla:
“La adición de un ácido protónico (ácido de Brönsted) al doble enlace de un alqueno da
lugar a un producto con el protón del ácido enlazado al carbono que tenga el mayor número
de átomos de hidrógeno”.
CH3 C CH CH3
CH3
HBr
CH3 C+
CH CH3
CH3
H
Br-
CH3 C CH CH3
CH3
BrH
Carbono con
más hidrógenos
Carbonos del
doble enlace
Podemos observar que el hidrógeno del HBr, se une con el carbono del doble enlace
que tiene más hidrógenos (menos substituido), y el bromo se adiciona en el carbono del doble
enlace que tiene un menor número de hidrógenos (más sustituido) que en este caso no tiene
hidrógeno.
Reducción
Los alquenos son reducidos fácilmente a alcanos por la adición de hidrógeno en el
doble enlace. Esta reacción se lleva a cabo en la presencia de catalizadores como níquel y
platino. Ejemplo:
CH3 CH CH CH3 CH3 CH2 CH2 CH3H2+ Pt
Halogenación
Los alquenos reaccionan con los halógenos para formar dihaluroalcanos. Una de las
reacciones específicas para la detección de los alquenos es la bromación, en la cual a una
solución de bromo (color marrón) se le añade un alqueno y es rápidamente decolorada.
C C
HH
RRX2+ C C
HH
RRXX
En donde X= halógeno (Cl, Br, I)
Métodos de obtención: por eliminación de un halogenuro de alquilo
Los alquenos pueden obtenerse por la deshidrohalogenación de un halogenuro de
alquilo en presencia de una base fuerte como el NaOH o el KOH en solución alcohólica.
Br
NaOH
Se elimina el bromo y uno de los hidrógenos del bromociclohexano, y se forma el ciclohexeno.
Cuando a una solución de bromo (tubo color marrón-rojizo) se le añade un alqueno, el color del bromo desaparece rápidamente, ya que este se adiciona al doble enlace.
Usos y aplicaciones. Los alquenos son importantes intermediarios en la síntesis de diferentes productos
orgánicos, ya que el doble enlace presente puede reaccionar fácilmente y dar lugar a otros
grupos funcionales. Además son intermediarios importantes en la síntesis de polímeros,
productos farmacéuticos, y otros productos químicos.
Entre los alquenos de mayor importancia industrial, se encuentran el eteno y el propeno,
también llamados etileno y propileno respectivamente. El etileno y el propileno se utilizan para
sintetizar cloruro de vinilo, polipropileno, tetrafluoroetileno.
Otras aplicaciones son las siguientes:
Eteno
Ayuda a madurar las frutas y
verduras. Los tomates se almacenan
verdes, y se someten a una atmósfera
que contiene etileno para conseguir
que maduren y se vuelvan rojos antes
de ponerlos a la venta. También se
utiliza para fabricar botellas de leche y
refrescos.
Propeno
Esta botella de detergente contiene
polipropileno (polímero), un plástico
duro que se hace a partir del
propeno.
Butadieno
Hizo posible la sustitución del
caucho natural por goma
sintética.
Los alquenos se hallan también en compuestos orgánicos coloridos, algunos ejemplos
de ellos son el licopeno y beta-caroteno. El licopeno es de color rojo y se halla en los tomates,
mientras que el beta-caroteno es de color naranja y se halla en zanahorias y otros frutos.
beta-caroteno
Licopeno
Propiedades físicas y químicas de los alquinos
Propiedades físicas de los alquinos. Las propiedades físicas de los alquinos son muy similares a las de los alcanos y los
alquenos de masas moleculares parecidas. Al igual que con los alcanos y alquenos, el estado
de agregación de los alquinos dependerá del número de átomos de carbono presentes en la
molécula.
El etino o acetileno, así como el propino y el butino son gases a temperatura ambiente,
y sus puntos de ebullición y fusión son semejantes a los de los alcanos y alquenos
correspondientes por lo que los alquinos de cinco átomos de carbono hasta quince átomos de
carbono son líquidos y los alquinos mayores de quince átomos de carbono se presentan en
estado sólido.
Los alquinos son compuestos de baja polaridad y tienen propiedades semejantes a las
de los alcanos y alquenos, por lo que también su densidad es menor a la del agua, los puntos
de fusión y ebullición se incrementan al aumentar el tamaño de la cadena y solamente son
solubles en solventes no polares.
Propiedades Químicas de los alquinos.
Las reacciones químicas de los alquinos son muy semejantes a las de los alquenos. De
la misma forma que los alquenos, los alquinos reaccionan con el oxigeno formando como
productos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor.
Los alquinos, como los alcanos y alquenos son altamente
combustibles y reaccionan con el oxígeno formando como
productos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor;
esta energía liberada, es mayor en los alquinos ya que libera una
mayor cantidad de energía por mol de producto formado. Es por
ello que se utiliza el acetileno como gas para soldar.
La antorcha de soldador, utiliza etino, también conocido como acetileno se combinado
con oxígeno, para formar una mezcla que se quema, liberando luz y calor intensos. Los dos
átomos de carbono en el etino están unidos por un triple enlace.
Adición de hidrógeno. Los alquinos en presencia de un catalizador apropiado como el níquel, paladio o
platino, reaccionan con el hidrógeno, formándo un alcano. O si tenemos un catalizador menos
eficiente o “parcialmente envenenado” se obtendrán alquenos. Ejemplos:
C C CH C
H
H
H
H
H C C CH C
H
H
H
H
H
H
HH
HH2 Pt
C C CH C
H
H
H
H
H C C CH C
H
H
H
H
H
H
H
H2 NiNiB3
Adición de halógenos. Los alquinos reaccionan con los halógenos para formar tetrahaloalcanos, si están
presentes dos moles de halógeno. Si se adiciona solo un mol de halógeno es posible obtener
el dihaloalqueno. Ejemplos:
C C CH C
H
H
H
H
H C C CH C
H
H
H
H
H
Br
BrBr
Br
+ 2 Br2
C C CH C
H
H
H
H
H C C CH C
H
H
H
H
H
Cl
Cl+ Cl2
Hidratación, generación de aldehídos y cetonas. Los alquinos pueden hidratarse generando una cetona en presencia de un ácido
acuoso y un catalizador de sulfato mercúrico. La reacción se lleva a cabo siguiendo la regla de
Markonikov y en este caso el grupo –OH se adiciona al átomo de carbono más sustituido y el
–H se fija al menos sustituido:
C C CH2H CH3 H2O+ HgSO4
H2SO4
CH3 C CH2
O
CH3
Los alquinos terminales pueden formar aldehídos por hidroboración y una posterior
oxidación del borano vinílico obtenido. Ejemplo:
CH3 CH2 CH2 CH2 C CHBH3 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2CH
BR2
BR2
H2O2
H2OCH3 CH2 CH2 CH2 CH2CH
O
Métodos de obtención: En el laboratorio por deshidrohalogenación de
dihalogenuros, obtención de acetileno a partir de carburo de calcio.
Los alquinos pueden obtenerse por la deshidrohalogenación de dihalogenuros
vecinales con un exceso de base fuerte como el KOH, NaOH o NaNH2. Esto produce la
eliminación de HX (donde X=halógeno) y la formación de un alquino.
C C
Br
BrH
H
C C2 KOH / Etanol 2 H2O+ 2 KBr+
Los alquinos pueden obtenerse también haciendo reaccionar agua con carburo de
calcio (CaC2) lo que da lugar a la formación de acetileno e hidróxido de calcio.
CaC2 2 H2O Ca(OH)2C C HH+ +
Esta reacción se utilizaba antes en las lámparas de carburo de los
mineros, en donde el agua contenida en un depósito superior de la
lámpara se hacía gotear lentamente sobre el carburo de calcio
contenido en el depósito inferior de la misma y se generaba así el
acetileno que servía como combustible para iluminar.
Usos y aplicaciones
Los alquinos son utilizados principalmente como
combustibles, el alquino de mayor importancia comercial es el
acetileno o etino. Su aplicación comercial más importante es como
combustible de los sopletes oxiacetilénicos, ya que las
temperaturas obtenidas de su combustión son muy altas (2800 ºC)
lo que les permite cortar los metales y soldarlos. Se utiliza también en la síntesis del PVC
(polímero de nombre policloruro de vinilo), aunque ha sido desplazado por el eteno o etileno
en la síntesis del mismo.
También sirven como materia prima en la obtención del metilacetileno
que se utiliza también en los sopletes ya que no se descompone tan
fácilmente como el acetileno y pueden alcanzarse temperaturas más
altas; también se utiliza como combustible de cohetes.
Referencias Jr., L. W. (2004). Química Orgánica. Pearson-Prentice Hall. McMURRY, J. (2001). Química Orgánica. International Thomson. SALOMONS, T. G. (1996). Fundamentals of Organic Chemistry. Wiley. WIKIPEDIA. (15 de Junio de 2010). Recuperado el 19 de Febrero de 2010, de WIKIPEDIA: http://en.wikipedia.org/wiki/Alkane Documental "Los secretos del petróleo" del History Channel.