HIDROCARBUROS Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. La estructura molecular consiste en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos son los compuestos básicos de la Química Orgánica. Las cadenas de átomos de carbono pueden ser lineales o ramificadas y abiertas o cerradas.Los hidrocarburos se pueden clasificar en dos tipos, que son alifáticos y aromáticos. Los alifáticos, a su vez se pueden clasificar en alcanos, alquenos y alquinos según los tipos de enlace que unen entre sí los átomos de carbono. Las fórmulas generales de los alcanos, alquenos y alquinos son CnH2n+2, CnH2n y CnH2n-2, respectivamente.

Hidrocarburos alifáticos, los cuales carecen de un anillo aromático, que a su vez se clasifican en:

• Hidrocarburos saturados, (alcanos o parafinas), en la que todos sus carbonos tienen cuatro enlaces simples (o más técnicamente, con hibridación sp3).

• Hidrocarburos no saturados o insaturados, que presentan al menos un enlace doble (alquenos u olefinas) o triple (alquino o acetilénico) en sus enlaces de carbono.

Hidrocarburos aromáticos, los cuales presentan al menos una estructura que cumple la regla de Hückel (Estructura cíclica, que todos sus carbonos sean de hibridación sp2 y que el número de electrones en resonancia sea par no divisible entre 4).

Hidrocarburos Saturados

NOMENCLATURA DE ALCANOS

Alcanos normales o lineales

Radicales alquilo

Alcanos ramificados

Cicloalcanos

Los alcanos son hidrocarburos en los cuales todos los enlaces carbono-carbono son enlaces simples, presentan hibridación sp3.

Su fórmula molecular es CnH2n+2

Alcanos

Alcanos normales o lineales

Los cuatro primeros términos lineales reciben nombres especiales.(metano, etano, propano y butano, de 1 , 2, 3 y 4 átomos de carbono respectivamente).

A partir del quinto término, el nombre sistemático se forma de acuerdo con las reglas establecidas por la IUPAQ (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) con un prefijo que indique el número de átomos de carbono que constituyen la cadena y la terminación ano.

Fórmula Nombre

CH4 MetanoCH3 -CH3 EtanoCH3 - CH2 - CH3 PropanoCH3 - CH2 - CH2 - CH3 ButanoCH3 - (CH2) 3 - CH3 PentanoCH3 - (CH2)4 - CH3 HexanoCH3 - (CH2)5 - CH3 HeptanoCH3 - (CH2)6 - CH3 OctanoCH3 - (CH2)7 - CH3 NonanoCH3 – (CH2 )8 - CH3 Decano

Serie Homóloga

Su fórmula molecular es CnH2n+2

n Nombre (-ano) Fórmula (CnH2n+2)

n Nombre (-ano) Fórmula (CnH2n+2)

1 metano* CH4 10 decano CH3(CH2)8CH3

2 etano* CH3CH3 11 undecano CH3(CH2)9CH3

3 propano* CH3CH2CH3 12 dodecano CH3(CH2)10CH3

4 butano* CH3(CH2)2CH3 13 tridecano CH3(CH2)11CH3

4 isobutano (CH3)3CH 14 tetradecano CH3(CH2)12CH3

5 pentano CH3(CH2)3CH3 15 pentadecano CH3(CH2)13CH3

5 isopentano (CH3)2CHCH2CH3 20 eicosano CH3(CH2)18CH3

5 neopentano (CH3)4C 21 heneicosano CH3(CH2)19CH3

6 hexano CH3(CH2)4CH3 22 docosano CH3(CH2)20CH3

7 heptano CH3(CH2)5CH3 30 triacontano CH3(CH2)28CH3

8 octano CH3(CH2)6CH3 40 tetracontano CH3(CH2)38CH3

9 nonano CH3(CH2)7CH3 50 pentacontano CH3(CH2)48CH3

ESQUELETOS CARBONADOS

Nomenclatura Común

N-pentano

isopentano

neopentano

9

• Primarios (a) CH3 CH3 • Secundarios (b) CH3–C–CH2–CH–CH3 • Terciarios (c) CH2• Cuaternarios (d) CH3

a a

a

a

a

Tipos de átomos de carbono(en las cadenas carbonadas)

b

b

d

c

10

• CH3 CH3

CH3–C – CH–CH2 – C – CH2 –CH–CH3

CH2 CH3 CH3 CH3

CH3

Ejercicio: Indica el tipo de carbono, primario (a), secundario (b), terciario (c) o cuaternario (d) que hay en la siguiente cadena carbonada:

b b

b

c cd d

a a

a a

a a

a a

Los prefijos que se anteponen al nombre del radical alquilo son: iso, sec, y terc.

El prefijo iso indica que un grupo CH3 - está unido al segundo átomo de carbono de una cadena lineal.

El prefijo sec indica que en el alcano normal se ha quitado un hidrógeno del carbón secundario número dos.

El prefijo terc indica que del alcano de cuatro átomos de carbono se ha quitado un hidrógeno al carbón terciario.

Radicales alquilo

Grupos alquilo

CH3 CH

CH3

CH3 CH

CH3

CH2 CH3 CH

CH3

CH2 CH2

isopropilo isobutilo isopentilo

CH3 CH2 CH

CH3

CH3 C

CH3

CH3

CH3 C

CH3

CH2

CH3

sec-butilo terc-butilo neopentilo

Alcanos ramificados

1. Seleccionar la cadena más larga posible de átomos de carbono y numerarla, empezando por el extremo que tenga las ramificaciones o arborescencias más próximas.Se prefiere el nombre en el que los sustituyentes se designen con números más pequeños.

2. Nombrar las ramificaciones, por orden alfabético, sin tomar en cuenta los prefijos, indicando la posición que corresponda al número de carbono al cual se encuentra unido.

3. Si en una cadena se encuentra más de una vez el mismo radical alquilo, se indica con los prefijos: di, tri, tetra, penta, etc. Unido al nombre del sustituyente.

4. Nombrar el alcano de la cadena principal con una sola palabra, separando los nombres de los números con guiones y los números con comas. El nombre del último radical se emplea como prefijo del alcano básico, formando con este una sola palabra.

Reglas principales para nombrar un alcano complejo La cadena más larga es la cadena principal. Si hay varias cadenas más largas de la misma longitud, la

principal es la que más sustituyentes tenga. Numerarla de un extremo a otro, de forma que los

sustituyentes queden con los números localizadores más pequeños.

Si se compara una serie de localizadores con otra, la más baja es la correcta. La serie más baja es la que contiene el número más bajo en el primer punto de diferencia.

Los sustituyentes toman el nombre del alcano correspondiente (ver tabla), sustituyendo la terminación -ano por -ilo. Existen prefijos que no hay más remedio que memorizar (iso-, sec-, tert-, neo-, ciclo-).

Si hay dos o más sustituyentes sencillos iguales, se utilizarán los prefijos di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, etc.

Cuando existan dos o más sustituyentes en posiciones equivalentes, se asigna el número menor al que se cite por orden alfabético en primer lugar, salvo que la numeración de la cadena ya haya sido decidida por otra regla de orden superior.

A los sustituyentes complejos se les nombra como derivados de la cadena carbonada más larga. La descripción del sustituyente se distingue de la que corresponde a la cadena principal encerrándola entre paréntesis.

Los sustituyentes se nombran por orden alfabético. Los prefijos di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, sec-, terc-, no se cuentan a la hora de establecer el orden alfabético. Los iso-, neo-, ciclo- en cambio sí.

Si hay varios sustituyentes complejos unidos a la cadena principal se nombran poniendo entre los números localizadores y el paréntesis los prefijos bis, tris, tetraquis, etc.

Representación de moléculas orgánicas. Tipos de fórmulas.

• Empírica. Ej. CH2O

• Molecular Ej. C3H6O3

• Semidesarrollada (Es la más utilizada en la química orgánica) Ej. CH3–CHOH–COOH

• Desarrollada Ej. H O–H

(no se usa demasiado) H–C–C–C=O

H H O–H• Con distribución espacial

(utilizadas en estereoisomería)

No sirven para identificar compuestos

Ejemplos: Fórmula Nombre 1 2 3 4CH3 CH CH2 CH3

| CH3 2 metilbutano

CH3 CH3

CH3 CH CH CH CH3 3 – etil – 2,4 dimetilpentano CH2

CH3

CH31 2 | 3 4 5 6 7 8CH3 CH2 C CH2 CH2 CH CH2 CH3 | CH2 CH3 – C – CH3 |

CH3 CH3

6 terbutil 3 etil 3 metiloctano

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10CH3 CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH2 CH3 CH2 CH – CH3 CH2 | CH3 CH3 CH2 CH3

3 etil 5 – Isopropil 7 propildecano

PROPIEDADES FÍSICAS: • Punto de ebullición: aumenta al aumentar el número de átomos de

carbono. Para los isómeros el que tenga la cadena más ramificada tendrá un punto de ebullición menor.

• Solubilidad. Los alcanos son casi totalmente insolubles en agua debido a su baja polaridad y a su incapacidad para formar enlaces con el hidrógeno. Los alcanos líquidos son miscibles entre sí y generalmente se disuelven en disolventes de baja polaridad. Los buenos disolventes para

los alcanos son:benceno, tetracloruro de carbono, cloroformo y otros alcanos.

Puesto que los alcanos son inodoros, los proveedores de gas natural le agregan compuestos que tengan un fuerte olor , por ejemplo el butilmercaptano, como medida preventiva para ayudar al consumidor a detectar fugas de gas.También se usa en la odorización de gas natural aterc-butil mercaptano, n-propil mercaptano, isopropil mercaptano y sec-butil mercaptano.

PROPIEDADES FÍSICAS DE ALCANOS DE CADENA ABIERTA

Puntos de Ebullición de alcanosEl punto de ebullición aumenta con el tamaño del alcano porque las fuerzas

intramoleculares atractivas (fuerzas de van der Waals y de London) son más efectivas cuanto mayor es la superficie de la  molécula.

P. Ebullición de los alcanos isómeros de fórmula C5H12

Estos alcanos tienen el mismo número de carbonos y sus puntos de ebullición son muy distintos. La superficie efectiva de contacto entre dos moléculas disminuye cuanto más ramificadas sean éstas. Las fuerzas intermoleculares son menores en los alcanos ramificados y tienen puntos de ebullición más bajos

Interacciones Dipolo-Dipolo

FUERZAS DE DISPERSIÓN DE LONDON

SOLUBILIDAD

SOLUBILIDAD

DENSIDAD DE LOS ALCANOS

Cuanto mayor es el número de carbonos las fuerzas intermoleculares son mayores y la cohesión intermolecular aumenta, resultando en un aumento de la proximidad molecular y, por tanto, de la densidad. Nótese que en todos los casos es inferior a uno.

Puntos de fusión de alcanosEl punto de fusión también aumenta con el tamaño del alcano por la misma

razón. Los alcanos con número de carbonos impar se empaquetan peor en la estructura cristalina y poseen puntos de ebullición un poco menores de lo esperado.

Reacciones QuímicasRuptura homolítica u homolisis Es propia de dos átomos que no tienen una gran diferencia en electronegatividad. Cada átomo "se lleva" un electrón de cada pareja de electrones de enlace: da lugar a radicales libres. Así se mide la Energía de Disociación.

Ruptura heterolítica o heterolisis Es propia de dos átomos cuya electronegatividad es diferente. El átomo electronegativo "se lleva" los dos electrones de enlace: da lugar a iones. En general este proceso es menos costoso energéticamente que la ruptura homolítica.

Que un enlace sea fuerte (tenga una energía de disociación homolítica alta) no significa necesariamente que no sea reactivo, si sus electrones pueden polarizarse fácilmente y darse así una ruptura heterolítica. Este es el caso de HCl, donde el enlace está fuertemente polarizado, pero no el de un alcano, donde la diferencia de electronegatividad entre carbono e hidrógeno es mucho más pequeña.

1.- Halogenación – Reacción de Sustitución La funcionalización de un alcano se puede llevar a cabo por reacción con cloro, dando una reacción de sustitución de hidrógeno por cloro, resultando un cloruro de alquilo y cloruro de hidrógeno.

El balance energético es favorable. Pero a pesar de ser exotérmica, la reacción no se produce espontáneamente, se necesita irradiar la mezcla de los gases con luz ultravioleta o “calentar” a 3000C, porque hay una etapa de la reacción con una energía de activación alta que impide que la reacción sea espontánea.

Reacciones Químicas de los alcanos

¿Es posible la reacción de un alcano con otros halógenos diferentes del cloro?

El balance energético para el cloro y bromo es razonablemente exotérmica porque libera tanta calor que la reacción térmica y la reacción es practicable. El del flúor es explosiva. La reacción con el yodo es endotérmica y carece de utilidad práctica.

El siguiente es el orden de reactividad relativa de los radicales halógeno en la abstracción de hidrógeno:

·F > ·Cl > ·Br > ·I

¿Qué ocurre cuando halogenamos alcanos superiores al metano?

En el caso del propano hay dos tipos de hidrógenos: 6primarios y 2 secundarios. ¿Qué ocurre al hacerlo reaccionarcon cloro?

La probabilidad de que el cloro choque con el propano en la zona de los hidrógenos primarios es mayor porque hay un número mayor de ellos y, además, están más expuestos hacia el exterior. Sin embargo, el cloruro de isopropilo se produce en una ligera mayor proporción a 25ºC, a pesar de que el número de hidrógenos secundarios es más pequeño. Esto es fruto de la mayor estabilidad de un radical secundario.

Si el alcano se encuentra con un exceso de halógeno (y no al revés), se obtienen mezclas de alcanos polihalogenados.

2.- CombustiónTodos los hidrocarburos son capaces de quemarse y a partir de ciertas mezclas de alcanos se obtiene energía:

Compuesto Nombre DH0comb(kcal/mol)

CH4(g) metano -212.8C2H6(g) etano -372.8CH3CH2CH3(g) propano -530.6CH3CH2CH2CH3(g) butano -687.4(CH3)3CH(g) 2-metilpropano -685.4CH3(CH2)4CH3(l) hexano -995.0(CH2)6 ciclohexano -936.9CH3CH2OH(g) etanol -336.4C12H22O11(s) azucar de caña -1348.2

La combustión de alcanos es una reacción muy importante que afecta muy directamente a nuestra vida cotidiana.Es una de las fuentes de energía más importantes de la sociedad actual.

COMBUSTION

1. DEFINICION Y FACTORES2. ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONES

2.1.- COMBUSTION COMPLETA2.2.- COMBUSTION INCOMPLETA2.3.- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA

2.3.1.- PODER COMBURIVORO2.3.2.- PODER FUMIGENO2.3.3.- COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE

COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRECOMBUSTION CON EXCESO DE AIRECOMPLETAINCOMPLETA

PREPARACION DE ALCANOSLos alcanos se obtienen de forma natural mediante el fraccionamiento del petróleo. Pero este proceso da lugar a mezclas difíciles de purificar. Si queremos obtener un alcano puro es más conveniente plantear en el laboratorio un esquema de preparación (síntesis) adecuado. Partiremos de un compuesto puro con grupos funcionales, a ser posible asequible comercialmente, y buscaremos reacciones que supriman esos grupos funcionales. Esto es lo contrario de lo que haremos normalmente pero, si necesitamos un determinado alcano puro, no tendremos más remedio que hacerlo.

Hidrogenación de alquenos y alquinos Los alquenos reaccionan con hidrógeno, en la superficie porosa de un metal de transición, para dar alcanos. La nube p del doble enlace interacciona con el hidrógeno dando lugar a dos nuevos enlaces sigma C-H.

Los alquinos también reaccionan con hidrógeno (2 moles), de una forma análoga a los alquenos, para dar alcanos. Las dos nubes p del triple enlace interaccionan con sendas moléculas de hidrógeno, dando lugar a cuatro nuevos enlaces sigma C-H.

Hidrogenolisis de haluros de alquilo

En un haluro de alquilo el C unido al Br tiene una densidad electrónica baja por el efecto de la mayor electronegatividad del halógeno. El metal Znº, muy rico en electrones apantallados y fáciles de ceder (características típicas de un reductor), dona  dos electrones al carbono  con lo que se forma Zn2+ (el metal se oxida) y se rompe el enlace C-Br. El carbono que ha recibido electrones (se ha reducido) los comparte con el protón del HBr, formándose ZnBr2 como subproducto.

Alquilación de alquinos terminales

El hidrógeno terminal de un alquino es débilmente ácido. El anión pentinuro resultante de extraer el protón con una base fuerte, como el amiduro sódico NaNH2, reside en un orbital híbrido sp. El gran carácter s del orbital estabiliza relativamente la carga negativa. Por ello el alquino terminal tiene cierta acidez. El carbono aniónico, con exceso de densidad electrónica, ataca al 2-bromopropano en el carbono unido al Br con deficiencia electrónica. Se forma un nuevo enlace C-C. La hidrogenación del alquino dará lugar al alcano deseado.

Octano(componente de la gasolina)

Oxígeno

Motor(combustión interna)

Dióxido de Carbono

Agua

Aplicaciones e importancia de los alcanos

Aplicaciones e importancia de los alcanos

APLICACIONESPueden ser determinadas de acuerdo al número de átomos de carbono. Los cuatro primeros alcanos son usados principalmente para propósitos de calefacción y cocina, y en algunos países para generación de electricidad. El metano y el etano son principales componentes del gas natural; pueden almacenarse como gases bajo presión. Pero, es más fácil transportarlos como líquidos, por lo que requiere la compresión y el enfriamiento del gas.El propano y el butano pueden ser líquidos a presiones moderadamente bajas y son conocidos como gases licuados del petróleo (GLP). El propano se usa en el quemador de gas propano, el butano en encendedores descartables de cigarrillos. Ambos son usados también como propelentes en pulverizadores.

Desde el pentano hasta el octano, los alcanos son líquidos razonablemente volátiles. Se usan como combustibles en motores de combustión interna, puesto que pueden vaporizarse rápidamente al entrar en la cámara de combustión, sin formar gotas, que romperían la uniformidad de la combustión. Se prefieren los alcanos de cadena ramificada, puesto que son menos susceptibles a la ignición prematura, que causa el cascabeleo en los motores, que sus análogos de cadena lineal. Esta propensión a la ignición prematura es medida por el índice de octano del combustible, donde el 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) tiene un valor arbitrario de 100, y heptano tiene un valor de cero. Además de su uso como combustibles, los alcanos medios son buenos solventes para las sustancias no polares.

Los alcanos a partir del hexadecano en adelante constituyen los componentes más importantes del aceite combustible y aceite lubricante. La función de los últimos es también actuar como agentes anticorrosivos, por su naturaleza hidrofóbica implica que el agua no puede llegar a la superficie del metal. Muchos alcanos sólidos encuentran uso como cera de parafina, por ejemplo en vela. Ésta no debe confundirse con la verdadera cera, que consiste principalmente de esteres.Los alcanos con una longitud de cadena de aproximadamente 35 o más átomos de carbono se encuentran en el betún, se usa por ejemplo, para asfaltar los caminos. Sin embargo, los alcanos superiores tienen poco valor, y se suelen romper en alcanos menores mediante cracking.Algunos polímeros sintéticos tales como el polietileno y el polipropileno son alcanos con cadenas que contienen cientos de miles de átomos de carbono. Estos materiales se usan en innumerables aplicaciones, y se fabrican y usan 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 efecto invernadero.

Otros alcanos menores también forman mezclas explosivas con el aire.

Los alcanos líquidos ligeros son altamente inflamables, aunque este riesgo decrece con el aumento de la longitud de la cadena de carbono.

El pentano, hexano, heptano y octano están clasificados como peligrosos para el medio ambiente y nocivos.

El isómero de cadena lineal del hexano es una neurotoxina.

Si el alcano no tiene ramificaciones, solamente se le antepone el prefijo ciclo al nombre que le corresponda, según el número de carbonos.

1. Si tiene ramificaciones, numerar el anillo a partir del carbono que tenga el radical alquilo al que corresponda la prioridad alfabética, de tal forma que los radicales alquilo se encuentren insertados en los átomos de carbono de menor numeración.

2. Nombrar los radicales por orden alfabético e indicar su colocación por medio de un número.

3. Nombrar el cicloalcano, anteponiéndole el prefijo ciclo al nombre del alcano correspondiente al número de átomos de carbono que constituye el anillo.

Alcanos cíclicos

CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

Ciclopentano

CH2

H2C CH2

Ciclopropano

H2C CH2

H2C CH2

Ciclobutano

1– Etil – 2 – metilciclopropano

CH2 – CH3H3C 12

3 CH3

1

23

4–

metilciclobutano

–1

23

4

56 CH3

– CH3

1,2 – dimetilciclohexano

Los alcanos de 3, 4, 5 y 6 átomos de carbono se pueden representar con la figura geométrica correspondiente.

Cantidad (%Volumen)

Punto de ebullición

(0C)

Atomos de carbono

Productos

1-2 <30 1-4Gas natural, metano, propano,

butano, gas licuado

15-30 30-200 4-12Eter de petróleo (C5,6), ligroína

(C7), nafta, gasolina cruda

5-20 200-300 12-15 Queroseno

10-40 300-400 15-25Gas-oil, Fuel-oil, aceites

lubricantes, ceras, asfaltos

8-69 >400 >25 Aceite residual, parafinas, brea

PETRÓLEO

Petróleo bruto Gas natural

Fracciones Gaseosas

Metano Etano

Propano Butano Etileno

Propileno

Butilenos Butadieno

Fracciones Líquidas y

Sólidas

Benceno Tolueno Xileno

Gasolina ligera Fracciones aromáticas

pesadas

Parafinas

AplicacionesAbonos nitrogenados

Materias plásticas Disolventes

Fibras sintéticas Fibras artificiales Anticongelantes

Cauchos sintéticos Detergentes Plastificantes Insecticidas Colorantes Explosivos

Resinas

Productos de transformación Acetileno

Acetaldehído Acetona

Acrilonitrilo ALcohol butílico Alcohol etílico

Alcohol isopropílico Alcohol metílico

Alcoholes de síntesis Cloruro de vinilo

Dicloroetano Etilenglicol Etilbenceno

Estireno Fenol

Formaldehído Glicerol

Isopreno Óxido de etileno Propileno-glicol

Tripropileno Tetrapropileno

Productos de transformación Etilbenceno

Estireno Fenol

Ciclohexano Ácido adípico

Dodecilbenceno Ácidos sulfónicos

Toluendiisociantao T.N.T.

Ortoxileno Anhídrido ftálico

Xilenos Ácido tereftálico

Ácido acético Negro de carbono

Resinas de petróleo Olefinas superiores

Aditivos Parafinas cloradas

Sabemos que un compuesto orgánico tiene de fórmula empírica C2H5N y su masa molecular aproximada es de 130 g/mol. Escribe cual será su fórmula molecular.

Un compuesto orgánico dio los siguientes porcentajes en su composición: 71,7 % de cloro y 4,1 % de hidrógeno. Además, 1 litro de dicho compuesto en estado gaseoso medido a 745 mm Hg y 110 ºC tiene una masa de 3,12 g. Hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular.

EJERCICIOS

Isómeros Estructurales

Definición de isómerosSe llaman isómeros a moléculas que tienen la misma formula molecular pero distinta estructura. Se clasifican en isómeros de cadena, posición y función.

Isómeros de cadenaSe distinguen por la diferente estructura de las cadenas carbonadas. Un ejemplo de este tipo de isómeros son el butano y el 2-metilpropano.

Isómeros de posiciónEl grupo funcional ocupa una posición diferente en cada isómero. El 2-pentanol y el 3-pentanol son isómeros de posición.

Isómeros de funciónEl grupo funcional es diferente. El 2-butanol y el dietil éter presentan la misma fórmula molecular, pero pertenecen a familias diferentes -alcohol y éter- por ello se clasifican como isómeros de función.