quimica organica-alcanos

Edith Bamonte y Liliana Olazar. Dirección Nacional del Derecho de Autor Nº 976760

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7. Hidrocarburos I Alcanos: mucho más que dos

7.1 Introducción ¿Qué nos proponemos? !"Caracterizar los

distintos hidrocarburos !"Vincular los distintos

grupos funcionales con sus propiedades químicas

Dentro de la química orgánica encontramos un sin número de moléculas tal que es imprescindible ordenarlas y sistematizar su estudio. Los compuestos más sencillos son los hidrocarburos, que se caracterizan por estar formados por átomos de dos elementos: el carbono y el hidrógeno. A su vez estos compuestos podríamos clasificarlos de acuerdo con distintos criterios : 1. de cadena lineal o ramificada 2. de cadena abierta o cerrada 3. saturados o insaturados, dentro de estos últimos, hay tres grandes

grupos con propiedades químicas muy diferentes1, según presenten en su cadena enlaces covalentes: a) simples b) dobles c) triples llamados respectivamente: alcanos, alquenos y alquinos.

Empezaremos nuestro trabajo con los hidrocarburos más sencillos, los alcanos.

7.2 - Algunas consideraciones generales El gas que sale cuando encendemos nuestras cocinas, o bien la nafta que

cargamos en el automóvil, o el asfalto sobre el que circulamos en una ciudad, o las velas que se usan en ocasiones, están constituidos por hidrocarburos saturados, donde todas las uniones entre los átomos de carbono son enlaces simples. Ya hemos practicado su nomenclatura y representación, por eso seguiremos con sus propiedades físicas.

7.3 - Propiedades físicas Actividades 1.- Completen la siguiente tabla de datos investigando las propiedades físicas

de los alcanos:

1 Deliberadamente, dejamos de lado los hidrocarburos aromáticos, que nos acompañarán en posteriores unidades.


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Punto de fusión Nº de átomos de carbono Al alargarse la cadena carbonada la ∆ H vap se incrementa alrededor de 4,18 kJ por átomo de carbono y por mol para convertir el líquido en vapor.

2.- Realicen en distintas hojas de papel milimetrado los siguientes gráficos, usando los datos de la tabla anterior. • Punto de fusión en función del número de átomos de carbono de la molécula • Punto de ebullición en función del número de átomos de carbono de la molécula Nota : para aquellos compuestos que tienen el mismo número de átomos de carbono en la molécula, marquen con diferentes colores los hidrocarburos ramificados. 3.- Analicen los gráficos e indiquen:

• ¿Cómo varía el punto de fusión de los alcanos con el aumento de átomos de carbono en la cadena ?

• ¿Cómo varía el punto de ebullición de los alcanos con el aumento de átomos de carbono en la cadena?

4.- Comparen los valores de densidad de estas sustancias con el del agua.

5.- ¿Son solubles en agua ? ¿Y en otros solventes ? Mencionen ejemplos.

Nombre Mr Estado físico

Temperatura de fusión

ºC

Temperatura de ebullición

ºC

Densidad g/cm3

Metano Etano Propano Butano Metilpropano Pentano Metilbutano Hexano Metilpentano 2,2-dimetilpentano Heptano Octano Nonano Decano Hexadecano Eicosano Triacontano


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Conclusiones

• Punto de fusión • Punto de ebullición • Densidad • Solubilidad en agua y en otros solventes • ¿Qué relación pueden establecer entre la estructura, las

fuerzas de atracción intermoleculares? • ¿Qué ocurre cuando moléculas con igual cantidad de átomos

de carbono, tienen distinta cadena? ¿Por qué?

7.4 - Isomería Actividad : ¿Cuáles son los hidrocarburos isómeros de fórmula molecular C6H14 ?

Para los alcanos que tienen cuatro o más átomos de carbono, la fórmula molecular no es suficiente para indicar su estructura, porque existen diversas formas y todas tienen existencia real, por ejemplo: se conocen dos compuestos que tienen la misma fórmula molecular C4H10. Uno hierve a -0.5 ºC y el otro a -12ºC. Cuando dos compuestos tienen igual fórmula molecular, pero difieren en su comportamiento químico o físico se denominan isómeros.

Ilustración 1 representativa con modelos moleculares

En el ejemplo se da isomería de cadena, ya que difieren en la distribución de la cadena hidrocarbonada.


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7.5 Para obtenerlos mejor... Los métodos de obtención difieren según el objetivo que se persigue y

pueden clasificarse en : a) métodos de laboratorio: se preparan pocas centenas de gramos, el fin

último es la investigación, por lo que los costos ocupan un lugar secundario.

b) métodos industriales: proporcionan grandes cantidades de producto con bajo costo. Muchas veces no es demasiado importante el grado de pureza y en general se busca desarrollar y diseñar los equipos necesarios.

Hasta el butano, se recurre a la destilación del petróleo y el gas natural (véase unidad 5). Para hidrocarburos con mayor número de átomos de carbono resulta muy difícil separar los distintos isómeros, por eso se debe recurrir a las síntesis de laboratorio. Algunos métodos son: a) Hidrogenación de alquenos (véase unidad 8) b) Reducción de halogenuros de alquilo c) Síntesis de Wurtz Los que deseen informarse sobre este tema pueden hacerlo en el Anexo I.

7.6 ¿Cómo se portan? Aquel bochornoso baile... En la corte de Carlos X de Francia en las Tullerías, durante un baile, los invitados empezaron a mostrar síntomas de intoxicación debido a un gas muy sofocante. Las velas ardían, y cada vez se hacía más insoportable la humareda... al punto tal que debieron abandonar el salón. El consejero químico del rey propuso llamar a un joven científico, Dumas quien encontró que las velas habían sido blanqueadas para mejorar su aspecto con cloro . ¿Qué reacción se estaba produciendo ?

Los alcanos recibieron durante mucho tiempo el nombre de “parafinas” del latín “poca afinidad”, que ilustra lo particularmente poco reactivos que son. Esto es así porque no presentan ninguna de las características necesarias para ser reactivos: • no poseen cargas, • no presentan electrones desapareados • carecen de enlaces múltiples o alta polaridad. Sólo reaccionan en condiciones muy drásticas. Comentaremos a continuación algunas de las reacciones en las que participan 1. Halogenación: la reacción se produce en presencia de luz o bien a

altas temperaturas (250 ºC - 400 ºC). Se da una reacción de sustitución, donde un átomo de hidrógeno del alcano es sustituido por un átomo de halógeno (cloro o bromo) y se forma como producto secundario cloruro o bromuro de hidrógeno. Esta reacción tiene importancia industrial para la preparación de solventes. El mecanismo por el cual se produce esta reacción se denomina de “radicales libres” y consta de tres etapas que ejemplificaremos para metano y cloro: a) Iniciación: la molécula de cloro se rompe y se originan dos

radicales (átomos de cloro con un electrón desapareado).

Cl Clluzcalor

2 → !

b) Propagación: debido a su gran reactividad, los radicales cloro reaccionan con la molécula de metano, formando un nuevo radical.


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se estaba produciendo ? ¿Cuál fue el descubrimiento de Dumas ?

Cl CH CH HCl! !+ → +4 3

CH Cl CH Cl Cl3 2 3! !+ → +

c) Terminación: los radicales se combinan, se forman

moléculas, y finaliza la reacción

CH Cl CH ClCl Cl Cl

3 3

2

ºº º

º+ →+ →

2. Combustión : En condiciones adecuadas los alcanos reaccionan con oxígeno. En un motor o en un horno industrial, habitualmente se utilizan mezclas de alcanos como combustibles. Los productos que se forman son dióxido de carbono y agua y se libera una gran cantidad de calor. Como ejemplo podemos citar la reacción del metano con oxígeno que es la reacción que se produce en nuestras casas en las estufas, el horno o las hornallas de la cocina. Cuando la proporción de oxígeno es baja se producen combustiones incompletas y se forman como productos de la combustión otras sustancias como CO y C (hollín)

CH + 2O CO + 2H O Hº = -890 kJ4 2 2 2→ ∆ 3. “Cracking” : Esta reacción se utiliza como hemos visto para

aumentar el rendimiento del petróleo en naftas. Consiste en calentar la mezcla de hidrocarburos de gran masa molar hasta provocar su ruptura. Para trabajar a menores temperaturas se usan catalizadores (bentonitas). Los productos son mezclas de alcanos y alquenos de cadenas más cortas e hidrógeno.

7.7 Hibridación del carbono en los alcanos. Energía configuración electrónica del carbono.

Antes de empezar con este punto, les proponemos hacer un repaso sobre orbitales átomicos. Podríamos preguntarnos inicialmente qué tipo de uniones presentan las moléculas de hidrógeno o las de cloruro de hidrógeno. Recordemos los estudios de 3º año. Para formar una molécula de hidrógeno necesitamos que se superpongan los orbitales “s” del hidrógeno formando “un nuevo orbital2” que da lugar a la unión. Este nuevo orbital es simétrico con respecto a la línea imaginaria que une los dos núcleos de átomos que participan en la unión. Estos enlaces se denominan enlaces σ.

1s1 1s1

+

Representaremos ahora un orbital que se forma por superposición de dos orbitales p, como por ejemplo en el caso del cloro Veamos:

2 Si bien se forma también un orbital antienlazante, creemos que este concepto excede el alcance de este texto.


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109º

+

pxpx orbital sigma ¿Cómo será el enlace σ entre un átomo de hidrógeno y un átomo de cloro para formar una molécula de cloruro de hidrógeno? Ahora, analicemos las moléculas constituidas por átomos de carbono. Por ejemplo, la molécula de metano CH4. Para empezar recordemos la configuración electrónica del carbono : El carbono tiene seis electrones que se distribuyen de la siguiente manera: a) dos electrones en el primer nivel, subnivel s. b) dos electrones en el segundo nivel, subnivel s. c) dos electrones en el segundo nivel, subnivel p. Claramente se observa que el carbono sólo dispone de dos electrones desapareados en el subnivel p. Inicialmente, podríamos pensar que se formarán dos uniones covalentes simples y la fórmula del metano sería CH2. Sin embargo, los experimentos indican que la molécula de metano está formada en un 75% m/m por carbono y un 25% m/m de hidrógeno. Actividad: Escriban la fórmula molecular de metano a partir de los datos anteriores. Se demuestra entonces que el carbono forma cuatro enlaces covalentes. Esto se puede explicar si pensamos que un electrón del átomo de carbono se promueve del subnivel 2s al orbital 2p vacío, quedando de esta manera un electrón desapareado en cada orbital. Estos orbitales, “mezcla” de un orbital s y 3 orbitales p, dan origen a cuatro orbitales sp3 y se los llama orbitales híbridos sp3. Son equivalentes y se orientan en el espacio formando ángulos de 109º entre ellos.

H

CH H

H

uniones sigma

La unión se produce por superposición frontal de los orbitales híbridos del carbono (sp3) con los cuatro orbitales s del hidrógeno. Como en los casos anteriores se originan entonces 4 orbitales de tipo σσσσ. Para representar la molécula de etano recordemos que los átomos de carbono, con geometría tetraédrica, se unen entre sí para formar enlaces σσσσ entre los orbitales sp3 y el resto de los orbitales sp3 de cada carbono forman uniones de tipo σσσσ con los orbitales 1s del hidrógeno. Les proponemos ahora trabajar en la elaboración de sus propios modelos moleculares, y “armar” sus moléculas de alcanos.


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La hibridación es la mezcla o reordenamiento de orbitales atómicos de un mismo átomo para dar un nuevo conjunto de orbitales, llamados híbridos que presentan una geometría acorde con la determinada experimentalmente para la molécula a la que pertenece el átomo.

7.8 Modelo para armar

Opción I ¿Qué necesitamos ? • Esferas de telgopor, de masilla, crealina, o plastilina. Les

sugerimos trabajar con esferas de distintos tamaños y colores, para representar átomos de carbono y átomos de hidrógeno.

• cartón o cartulina. • varillas de madera, de metal, de plástico, o simplemente resortes. • lápiz • tijera

¿Cómo lo hacemos ?

Manos a la obra ! ! ! 1. Dibujen un triángulo equilatero de 10 cm de lado sobre una hoja de

papel. 2. Recorten la figura. 3. Tracen las bisectrices de los ángulos. 4. Coloquen la esfera en la intersección de las bisectrices y trace tres

coordenadas sobre la esfera con un lápiz o marcador, siguiendo las direcciones de las bisectrices y coloque en el lugar en el que se cortan una de las varillas para representar un enlace.

5. Construyan un ángulo plano de 109º, recórtenlo y luego quítenle

un sector de radio igual al radio de la esfera. 6. Apliquen el ángulo sobre una de las coordenadas, a partir del

escarbadientes colocado anteriormente y donde termina dicho ángulo dispongan otro escarbadientes.

7. Repitan sobre las otras coordenadas. 8. Obtendrán así una esfera con cuatro “enlaces” que forman entre sí

ángulos de 109º. La esfera representa el átomo de carbono y se puede usar en distintos modelos moleculares.

Opción II(Modelos tipo Dreiding) ¿Qué necesitamos ?

• Alambre flexible de 1 mm de diámetro. • Uniones de plástico (spaghetti) • Adhesivo • Pinza • Transportador • Lápiz y papel.

¿Cómo lo hacemos ? 1. Corten trozos de alambre de 10 cm de largo


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2. Marquen en una hoja un ángulo de 109 º 3. Sujeten el alambre por el medio con la pinza y dóblenlo tratando

de que alcance el ángulo de 109º. 4. Repita la operación con los distintos trozos. 5. Una vez doblados, péguenlos (también se pueden soldar) de a

pares. 6. Obtenidos los tetraedros, corten los trozos de “spaghetti” con una

longitud de 5 cm. Coloquen las cubierta de los cables en los extremos de cada alambre, que les permitirán unir los distintos esqueletos y modelizar moléculas de distintos alcanos

Hemos trabajado hasta aquí en la confección de distintos modelos moleculares que nos permitirán aproximarnos y explicar algunas propiedades de estos compuestos. Estos modelos son representaciones que nos permiten sortear algunas dificultades que resultan de representar en el plano las moléculas tridimensionales.

7.9 Algunos ejercicios

1. Escriban las fórmulas estructurales y verifiquen si están nombrados correctamente de acuerdo con la nomenclatura de la IUPAC. a) 2,3-dimetilbutano b) 2,5-dimetilhexano c) 2,2,3-trimetilhexano d) 3-etil-2,2-dimetilheptano e) 2,4-dimetil-3-etilhexano f) 2-metil-3-etilpentano

Indiquen los carbonos primarios, secundarios terciarios y cuaternarios

2. Ordenen según los puntos de ebullición crecientes los siguientes compuestos:

3,3-dimetilpentano n-heptano 2-metilheptano 2-metilhexano n-pentano 3. Escriban las fórmulas semidesarrolladas de seis isómeros del

cadena del octano. 4. Completen las siguientes ecuaciones y nombren los

productos orgánicos obtenidos:

a) etano cloro luz+ → b) 2-metilbutano + O2 ----->


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c) 2,3-dimetilhexano + O2 ------>

d) butano pirolisis → e) metano + HNO3 --------> f) 2-bromopropano + .......Na ------> g) yoduro de propilmagnesio + H2O ------>

Son ejercicios d, e, f y g son opcionales . 5. Reaccionan 5 g de ioduro de etilo con exceso de sodio según

la reacción de Wurtz, ¿cuántos gramos de producto se obtienen suponiendo el 60% de rendimiento?

6. Si con un exceso de cloro se convirtieran 10 litros de metano

medidos en CNPT, en tetracloruro de carbono, ¿Cuántos gramos de este compuesto se obtendrían suponiendo un rendimiento del 90%?

7. Indiquen por medio de las ecuaciones que estime

conveniente los métodos para llevar a cabo las siguientes conversiones. a) propano a hexano b) bromuro de isopropilo a 2,3-dimetilbutano (el

bromuro de isopropilo también se denomina 2-bromopropano)

c) cloruro de pentilo a pentano. 8. La evaporación de 1 g de cloroalcano de naturaleza

desconocida da 617 cm3 medidos a 0.98 atmósferas de presión y 373 K de temperatura. ¿Cuál es la fórmula molecular de este compuesto?

9. Se les ha asignado el trabajo de analizar una mezcla de gases combustibles que contiene propano y butano.

Cuando van al laboratorio, descubren que el analizador de gases (cromatógrafo) se ha descompuesto otra vez y tienen que planear un experimento de combustión para realizar las mediciones.

Cargan una cantidad de la mezcla gaseosa en una cámara evacuada y añaden aire a la misma.

Encienden la mezcla, permiten que la combustión se complete y realizan un análisis sobre una muestra del producto gaseoso.


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La composición, determinada en base seca (es decir sin considerar el vapor de agua) y expresada en fracciones molares, es:

0,848 de N2 ; 0,114 de CO2 y 0,038 de O2.

¿Cuál es la fracción molar de propano en el gas combustible?

Dato : la proporción de nitrógeno/oxígeno en el aire es de 78 :21

Xpropano=0.4296

10. Un gas combustible que contiene 81 % de metano, 8 % de etano 5 % de propano, 4 % de n-butano y 2 % de isobutano en moles, fluye hacia un horno a una velocidad de 0,4 m3/s a 35 °C y 50 kPa, en donde se quema con un exceso de aire del 15 %. Calculen la velocidad de flujo de aire requerida en m3/h.

Vaire=17400 m3/hora.


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7.10 Anexo I Para seguir avanzando

7.10.1 Síntesis de alcanos #"Reducción de halogenuro de alquilo : podemos realizar la

reducción directa de los halogenuros de alquilo (RX) con reactivos tales como zinc y ácido clorhídrico en solución alcohólica. La reacción puede representarse con la siguiente ecuación3

[ ]RX H RH HX+ → +2

#"Síntesis de Wurtz : en esta reacción se pone en contacto sodio metálico con una solución diluida de halogenuro de alquilo. Se forma el compuesto organometálico (alquilsodio). Con exceso de halogenuro de alquilo, se produce un desplazamiento del halógeno por el ion alquiluro para dar: un hidrocarburo saturado en el que se unen ambos grupos alquilo.

Esta síntesis permite obtener alcanos de cadena par.

2 2 2RX Na R R NaX + → − +

donde X es el halógeno

I X Na R Na Na XII Na R X R R Na X) : º :) : : : R R

+ → +

+ → +

− + + −

− + + −

2

Si se utiliza una mezcla de dos halogenuros de alquilo se obtienen 3 hidrocarburos y la separación se torna dificultosa.

#"Hidrogenación de alquenos : Constituye un método de síntesis muy importante, se realiza con catalizadores de platino o paladio a temperatura ambiente y presión normal. El níquel, menos reactivo como catalizador, requiere el empleo de temperaturas más elevadas (100 ºC a 150 ºC) y presiones de 70 atm.

R CH CH R H R CH CH RPlatino Paladio Niquel− = − + → − − −2 2 2, ,

3 En esta ecuación se representa entre corchetes el hidrógeno atómico que es el producto de la reacción entre el zinc y el ácido clorhídrico en esas condiciones

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