Material didáctico Unidad I - UAEH

UNIDAD IIHIDROCARBUROS ALIFÁTICOS“Alcanos, Alquenos y Alquinos: Propiedades, Usos yAplicaciones”Q.A. Eduardo Vega BarriosPte. 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 esdebido a que los átomos de carbono e hidrógeno que constituyen los alcanos tienenprácticamente la misma electronegatividad, y presentan interacciones del tipo “dipolosinstantáneos”.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 tambiénlo hace el número de pequeños dipolos instantáneos porque crece el número de enlaces C-Cy C-H y así las moléculas se mantienen más fijas, y el compuesto se presenta a temperaturaambiente como líquido (pentano, hexano, etc.) y los alcanos con más de 18 átomos decarbono son sólidos a temperatura ambiente. De la misma manera al aumentar el tamaño dela molécula se incrementa el punto de fusión, ebullición, así como la densidad.ALCANOFÓRMULAPUNTO DE PUNTO DEFUSIÓN ºC EBULLICIÓN ºCDENSIDADMetano CH 4 - 183 -162 ---Etano H 3 C-CH 3 - 172 - 88.5 ---Propano H 3 C-CH 2 -CH 3 - 187 - 42 ---Butano H 3 C-CH 2 -CH 2 -CH 3 - 138 0 ---Pentano H 3 C-(CH 2 ) 3 -CH 3 - 130 36 0.626Hexano H 3 C-(CH 2 ) 4 -CH 3 - 95 69 0.659Heptano H 3 C-(CH 2 ) 5 -CH 3 - 90.5 98 0.684Octano H 3 C-(CH 2 ) 6 -CH 3 - 57 126 0.703Nonano H 3 C-(CH 2 ) 7 -CH 3 - 54 151 0.718Decano H 3 C-(CH 2 ) 8 -CH 3 - 30 174 0.730Undecano H 3 C-(CH 2 ) 9 -CH 3 - 26 196 0.740Dodecano H 3 C-(CH 2 ) 10 -CH 3 - 10 216 0.749Tridecano H 3 C-(CH 2 ) 11 -CH 3 - 6 234 0.757Tetradecano H 3 C-(CH 2 ) 12 -CH 3 5.5 252 0.764Nota: El número que se encuentra en rojo en la fórmula de cada alcano representa el númerode –CH 2 - que contiene la fórmula.

Si graficamos los datos anteriores podremos observar como aumentan estos valores a medidaque aumenta el número de átomos de carbono.Temperatura300250200150100500-50-100-150-200-2501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Temperatura de ebulliciónNúmero de átomos de carbonoTemperatura de fusiónLa mayoría de los alcanos son insolubles en agua, y solo se disuelven en solventes nopolares, 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. Sinembargo, 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 reaccióncon electrones disponibles o deficiencia de ellos. Es por ello que no sufren transformacionesen 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, enpresencia de oxígeno arden bien y desprenden dióxido de carbono y agua.

CombustiónLos alcanos reaccionan con el oxígeno formandocomo productos de reacción: dióxido de carbono (CO 2 ),agua (H 2 O) y se libera energía en forma de calor. Encondiciones pobres de oxigeno, se forma monóxido decarbono (CO). Un ejemplo de ello es la combustión enlas estufas del gas natural.Ejemplo:CCCC 44 + 22 OO 22 → CCCC 22 + 22 HH 22 OO + (222222 kkkkkkkk/mmmmmm)HalogenaciónLos alcanos también pueden reaccionar con halógenos como el cloro y el bromo bajociertas condiciones como es la presencia de luz ultravioleta (representada como hv). Ya quelos enlaces C-C y C-H, no polarizados y difíciles de romper, pueden ceder ante la presenciade especies muy reactivas, denominadas radicales libres.Las moléculas de cloro (Cl 2 ) y bromo (Br 2 ) suelen generar radicales libres por rupturahomolítica de sus enlaces, promovida por calor o luz, generando Cl⋅ y Br⋅ (radicales). Estosradicales son sumamente energéticos y en su choque con una molécula de alcano liberansuficiente 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 dehidrógeno es sustituido por uno de halógeno. Ejemplos:CCCC 44 + CCCC 22hhhh CCCC 33 CCCC + HHCCCCHHCHH+Br BrhvHHCHBr+ H Br

Métodos de obtenciónLos alcanos se obtienen principalmente en la industria a partir del gas natural, y de ladestilación fraccionada del petróleo. En estos procesos se separan los diferentes alcanospresentes en el petróleo y se mantienen las estructuras químicas de los compuestos. Otros delos métodos más usuales en la industria es el cracking del petróleo. El cracking rompemoléculas grandes en unidades más pequeñas, Esta operación puede realizarse con unmétodo térmico o un método catalítico.El proceso de cracking térmico del petróleo sigue un mecanismo de reacción homolíticocon formación de radicales libres. El proceso de cracking catalítico también conocido comodesintegración catalítica, involucra la presencia de un catalizador ácido (generalmente ácidossólidos como sílica, alúmina y zeolitas), que promueven la heterólisis (ruptura asimétrica) delos enlaces, produciendo pares de iones de cargas opuestas, generalmente un carbocatión yel anión hidruro, que es muy inestable. Eventualmente, la cadena de reacciones termina enuna recombinación de iones o radicales.En estos procesos que se utilizan principalmente para la obtención de gasolinas demayor octanaje, la estructura del alcano se transforma, ya que se toman alcanos entre 11-14átomos de carbono y se rompen en moléculas más pequeñas, adecuadas para usarse en lasgasolinas.Existen otros métodos de obtención de algunos alcanos, como el metano, a partir de ladescomposición de desechos orgánicos en presencia de bacterias metanógenas.Usos y aplicaciones.Las aplicaciones de los alcanos pueden determinarse de acuerdo al número de átomosde carbono en la molécula. Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente comocombustible para calefacción, en las estufas para la cocción de los alimentos y en algunospaíses se utilizan en la generación de energía eléctrica.El propano se halla en el gas doméstico que utilizamos en nuestros hogares y el butanose halla presente en los encendedores.

Los alcanos del pentano al octano, se utilizan como combustible enlos motores de combustión interna como los automóviles. Estostambién pueden usarse como solventes para grasas y aceites.Alcanos de mayor peso molecular, del nonanoal hexadecano, forman parte del diesel, que se utiliza comocombustible. Los alcanos desde el heptadecano hasta el tricontanoforman parte de los aceites lubricantes, de las ceras y la parafina quese halla en las velas.Los alcanos más pesados forman parte del asfalto en lascarreteras, y de los productos impermeabilizantes.Los alcanos también se utilizan como materia prima para laobtención 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 ysus 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 lamisma forma el estado de agregación de los alquenos dependerá del número de átomos decarbono presentes en la molécula.Por lo que los alquenos más sencillos, eteno, propeno y buteno son gases, losalquenos de cinco átomos de carbono hasta quince átomos de carbono son líquidos y losalquenos 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 lacadena, al aumentar las interacciones entre los átomos.Al igual que en los alcanos, la densidad de los alquenos es menor a la del agua ysolamente son solubles en solventes no polares.Propiedades químicas de los alquenos.Los alquenos son más reactivos que los alcanos debido a la presencia del dobleenlace. Este doble enlace carbono – carbono esta conformado por un enlace sigma (σ) y unenlace pi (π) que es más débil, pero que en conjunto (enlace σ y enlace π son mas fuertes queel enlace de los alcanos que es solamente enlace σ) . Las reacciones típicas de los alquenosinvolucran el rompimiento de este enlace π con la formación de dos enlaces σ.H HH HC C + YZ H C C HH HY ZLos alquenos, como los alcanos son altamente combustibles y reaccionan con eloxigeno formando como productos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor.

Regla de MarkovnikovEn 1869 el químico ruso Vladimir Markovnikov estudiando el mecanismo de adición delácido bromhídrico (HBr) a los alquenos explico la orientación de la adición estableciendo lasiguiente regla:“La adición de un ácido protónico (ácido de Brönsted) al doble enlace de un alqueno dalugar a un producto con el protón del ácido enlazado al carbono que tenga el mayor númerode átomos de hidrógeno”.Carbono conmás hidrógenosH 3 CCH 3C CH CH 3H BrCarbonos deldoble enlaceCH 3H 3 C C+CH CH 3Br -HCH 3H 3 C C CH CH 3Br HPodemos observar que el hidrógeno del HBr, se une con el carbono del doble enlaceque tiene más hidrógenos (menos substituido), y el bromo se adiciona en el carbono del dobleenlace que tiene un menor número de hidrógenos (más sustituido) que en este caso no tienehidrógeno.ReducciónLos alquenos son reducidos fácilmente a alcanos por la adición de hidrógeno en eldoble enlace. Esta reacción se lleva a cabo en la presencia de catalizadores como níquel yplatino. Ejemplo:H 3 C CH CH CH 3 + H Pt2H 3 C CH 2 CH 2 CH 3

HalogenaciónLos alquenos reaccionan con los halógenos para formar dihaluroalcanos. Una de lasreacciones específicas para la detección de los alquenos es la bromación, en la cual a unasolución de bromo (color marrón) se le añade un alqueno y es rápidamente decolorada.HHHHRCCR+ X 2 X C CRRXEn donde X= halógeno (Cl, Br, I)Cuando a una solución debromo (tubo color marrón-rojizo)se le añade un alqueno, el colordel bromo desaparecerápidamente, ya que este seadiciona al doble enlace.Métodos de obtención: por eliminación de un halogenuro de alquiloLos alquenos pueden obtenerse por la deshidrohalogenación de un halogenuro dealquilo en presencia de una base fuerte como el NaOH o el KOH en solución alcohólica.BrNaOHSe elimina el bromo y uno de los hidrógenos del bromociclohexano, y se forma elciclohexeno.

Usos y aplicaciones.Los alquenos son importantes intermediarios en la síntesis de diferentes productosorgánicos, ya que el doble enlace presente puede reaccionar fácilmente y dar lugar a otrosgrupos 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 parasintetizar cloruro de vinilo, polipropileno, tetrafluoroetileno.

Otras aplicaciones son las siguientes:EtenoPropenoButadienoAyuda a madurar las frutas y Esta botella de detergente contiene Hizo posible la sustitución delverduras. Los tomates se almacenan polipropileno (polímero), un plástico caucho natural por gomaverdes, y se someten a una atmósfera duro que se hace a partir del sintética.que contiene etileno para conseguir propeno.que maduren y se vuelvan rojos antesde ponerlos a la venta. También seutiliza para fabricar botellas de leche yrefrescos.Los alquenos se hallan también en compuestos orgánicos coloridos, algunos ejemplosde 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-carotenoLicopeno

Propiedades físicas y químicas de los alquinosPropiedades físicas de los alquinos.Las propiedades físicas de los alquinos son muy similares a las de los alcanos y losalquenos de masas moleculares parecidas. Al igual que con los alcanos y alquenos, el estadode agregación de los alquinos dependerá del número de átomos de carbono presentes en lamolécula.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 alquenoscorrespondientes por lo que los alquinos de cinco átomos de carbono hasta quince átomos decarbono son líquidos y los alquinos mayores de quince átomos de carbono se presentan enestado sólido.Los alquinos son compuestos de baja polaridad y tienen propiedades semejantes a lasde los alcanos y alquenos, por lo que también su densidad es menor a la del agua, los puntosde fusión y ebullición se incrementan al aumentar el tamaño de la cadena y solamente sonsolubles en solventes no polares.Propiedades Químicas de los alquinos.Las reacciones químicas de los alquinos son muy semejantes a las de los alquenos. Dela misma forma que los alquenos, los alquinos reaccionan con el oxigeno formando comoproductos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor.Los alquinos, como los alcanos y alquenos son altamentecombustibles y reaccionan con el oxígeno formando comoproductos dióxido de carbono, agua y energía en forma de calor;esta energía liberada, es mayor en los alquinos ya que libera unamayor cantidad de energía por mol de producto formado. Es porello que se utiliza el acetileno como gas para soldar.

La antorcha de soldador, utiliza etino, también conocido como acetileno se combinadocon oxígeno, para formar una mezcla que se quema, liberando luz y calor intensos. Los dosátomos 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 oplatino, reaccionan con el hidrógeno, formándo un alcano. O si tenemos un catalizador menoseficiente o “parcialmente envenenado” se obtendrán alquenos. Ejemplos:H HH H H HH C C C C HH 2PtH C C C C HHHHHHHHHC C CHCH HHH 2NiH C C CHCHHHNiB 3HHHAdición de halógenos.Los alquinos reaccionan con los halógenos para formar tetrahaloalcanos, si estánpresentes dos moles de halógeno. Si se adiciona solo un mol de halógeno es posible obtenerel dihaloalqueno. Ejemplos:H HBr Br H HHC C CHCHH+ 2 Br 2H C C CBr Br HCHHHHClHHHC C CHCHH+ Cl 2H C C CCl HCHH

Hidratación, generación de aldehídos y cetonas.Los alquinos pueden hidratarse generando una cetona en presencia de un ácidoacuoso y un catalizador de sulfato mercúrico. La reacción se lleva a cabo siguiendo la regla deMarkonikov y en este caso el grupo –OH se adiciona al átomo de carbono más sustituido y el–H se fija al menos sustituido:H C C CH 2 CH 3 +H 2OHgSO 4H 2SO 4OH 3 C C CH 2CH 3Los alquinos terminales pueden formar aldehídos por hidroboración y una posterioroxidación del borano vinílico obtenido. Ejemplo:H 3 C CH 2 CH 2 CH 2 C CHBH 3BR 2H 2O 2H 3 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CHH 2OBR 2OH 3 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CHMétodos de obtención: En el laboratorio por deshidrohalogenación dedihalogenuros, obtención de acetileno a partir de carburo de calcio.Los alquinos pueden obtenerse por la deshidrohalogenación de dihalogenurosvecinales con un exceso de base fuerte como el KOH, NaOH o NaNH 2 . Esto produce laeliminación de HX (donde X=halógeno) y la formación de un alquino.BrCHHCBr2 KOH / EtanolCC+ 2 H 2 O + 2 KBrLos alquinos pueden obtenerse también haciendo reaccionar agua con carburo decalcio (CaC 2 ) lo que da lugar a la formación de acetileno e hidróxido de calcio.+ +CaC 2 2 H 2 O H C C H Ca(OH) 2

Esta reacción se utilizaba antes en las lámparas de carburo de losmineros, en donde el agua contenida en un depósito superior de lalámpara se hacía gotear lentamente sobre el carburo de calciocontenido en el depósito inferior de la misma y se generaba así elacetileno que servía como combustible para iluminar.Usos y aplicacionesLos alquinos son utilizados principalmente comocombustibles, el alquino de mayor importancia comercial es elacetileno o etino. Su aplicación comercial más importante es comocombustible de los sopletes oxiacetilénicos, ya que lastemperaturas 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 etilenoen la síntesis del mismo.También sirven como materia prima en la obtención del metilacetilenoque se utiliza también en los sopletes ya que no se descompone tanfácilmente como el acetileno y pueden alcanzarse temperaturas másaltas; también se utiliza como combustible de cohetes.

ReferenciasJr., 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/AlkaneDocumental "Los secretos del petróleo" del History Channel.