QUIMICA ORGANICA - ALCANOS

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    24-Nov-2015

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QUMICA ORGNICA

INTRODUCCINAhora siguiendo en adelante con el curso de Qumica II, vamos a pasar estudiar la Qumica Orgnica, en esta parte del curso vamos a estudiar compuestos formados principalmente por Carbono, Hidrogeno, Oxigeno y Nitrgeno.En nuestro caso solo vamos enfocarnos al estudio de un grupo de todas estas molculas denominadas como Hidrocarburos, los hidrocarburos son la clase ms sencilla de compuestos orgnicos por contener solo molculas de carbono e hidrogeno en su estructura, nuestro inters ser en una clase especfica de estos compuestos orgnicas, los ALCANOS.Los ALCANOS tambin conocidos como PARAFINAS, por tener poca afinidad qumica, se estudiaran en este trabajo, teniendo en cuenta sus frmulas, su nomenclatura, sus propiedades fsicas y qumicas, las reacciones en las que participan sus usos y dems aplicaciones, en la ciencia y vida cotidiana, su impacto en el medio ambiente, etc.Aprenderemos a diferenciar que compuestos se encuentra en estado gas, lquido y slido, o su volatilidad, teniendo como informacin solo su frmula o nombre, los compuestos que forman, sus formas ramificadas, formas simplificadas, todo lo que respecta a los ALCANOS, para tener en claro los conceptos y sus propiedades.En el transcurso tambin conoceremos a los radicales ALQUILO que son un grupo de tomos formado por la eliminacin de un hidrogeno en un alcano, tambin estudiaremos a los ciclo alcanos, que son compuestos formados por que los tomos de carbono forman figuras cerradas en su estructura.Muchos de estos compuestos nos son tan fciles de encontrar, e incluso muchos de ellos se sintetizan en laboratorios o pasan a travs de ciertos procesos, para su extraccin por lo que como anexo veremos la abundancia de cada compuestos a medida que aumenta o disminuye su peso molecular, y los usos industriales que tienen estos, veremos qu tan importantes son sus usos en nuestra era moderna.

HIDROCARBUROSLos hidrocarburos, en qumica corresponden a una familia de compuestos orgnicos que contienen carbono e hidrogeno.Son los compuestos orgnicos ms simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las cuales derivan todos lo dems compuestos orgnicos.CLASIFICACION DE LOS HIDROCARBUROSLos hidrocarburos son compuestos binarios formados nicamente por Carbono e Hidrogeno.Sus fuentes naturales son el petrleo en mayor abundancia, y en menor presencia en el gas natural, la hulla la madera, etc.A continuacin se muestra un esquema general de la clasificacin de los hidrocarburos que consideraremos, por el tipo de enlace, por la cadena y por su naturaleza.A. Segn su tipo de enlace:

HIDROCARBUROSATURADONO SATURADO

DenominacinParafinas o AlcanoOlefinas o AlquenosAcetilnicos o Alquenos

Estructura

EnlacesSimplesDoblesTriples

Hibridacin

Terminacinanoenoino

Longitud de enlace 154133120

B. Segn la cadena Carbonada:

C. Segn su Naturaleza:

ALCANOS

En la estructura de una Alcano se aprecia que los trminos consecutivos forman una serie homologa que se diferencian en un Carbono y dos Hidrgenos llamado grupo metileno. Sus nombres presentan la terminacin (sufijo) ANO y formula general es .

NOMENCLATURA IUPACLa nomenclatura IUPAC (Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada) pretende ser sistemtica, simple y no ambigua. En algunos casos no hay consenso general o aceptacin de las normas y hay variacin de los nombres que se utilizan ampliamente.Debido a la existencia de miles de millones de compuestos orgnicos ha sido necesario crear una nomenclatura prctica y fcil de aprender. La qumica en sus comienzos era confusa y muy poco sistemtica ya que la mayora de los compuestos se nombraba de acuerdo a su fuente de procedencia, as por ejemplo el acetileno es el etino.La nomenclatura IUPAC son reglas para nombrar compuestos qumicos orgnicos e inorgnicos.

La IUPAC a dado una ltima edicin en 1993 de cmo nombrar a estos compuestos. As que estas son las reglas oficiales de nomenclatura de compuestos orgnicos se dan a continuacin:1. Se busca la cadena ms larga y continua2. La cadena principal debe contener el mayor nmero de enlaces dobles, enlaces tripes y grupos funcionales.3. Se enumera la cadena principal a partir del extremo que tiene ms cerca el primer sustituyente (o ramificacin)4. En alquenos se da prioridad al enlace doble.5. En alquinos, se da prioridad al enlace tripe.6. Cuando en la cadena principal existen enlaces dobles y triples en posiciones equivalentes (equivalentes de los extremos), entonces se da prioridad al enlace doble; si las posiciones no son equivalentes, entonces tendr prioridad el ms cercano a un extremo.7. Si los sustituyentes tienen equivalencia de posicin y de tamao, entonces se busca el segundo sustituyente ms cercano al extremo.8. Si hay equivalencia de posicin pero no de tamao, entonces se da prioridad al sustituyente ms complejo.9. Los sustituyentes se nombran en orden alfabtico.10. Cada sustituyente (o radical) debe estar antecedido del numeral que seala su ubicacin en la cadena principal.11. Se usara los prefijos di, tri, tetra, etc; segn se repita 2, 3, 4, etc; veces el mismo sustituyente.12. Si el sustituyente se presenta ms de una vez en un mismo tomo de carbono de la cadena principal, se repite el numeral cuantas veces sea necesario.13. Luego se anota la raz para la cadena principal seguida del sufijo ANO, ENO o INO, segn convenga.14. Si se tratara de un polieno o un poliino se aumenta la letra a a la raz y luego dieno, trieno o diino, triino, etc; segn sea el caso.

La Nomenclatura para los Alcanos ms simples son las siguientes:

EL RADICAL ALQUILO

El radical alquilo, al de alcano y terminacin ilo, es un grupo de tomos formados por la eliminacin de un tomo de hidrogeno en un alcano.Est claro que un miembro del grupo alquilo puede formarse a partir de los alcanos. Estos grupos siempre se encuentran unidos a otro tomo o grupo. Para nombrarlos se cambia la terminacin ANO del alcano por la terminacin IL o ILO.

A continuacin se dan los nombres de algunos grupos alquilo tpicos:Metilo Etilo Propilo Isopropilo Terc-butilo

Ejemplos.- A continuacin mostramos un grupo de radicales ramificados as como tambin la numeracin que le corresponde a las mismas que se indican con las flechas:

a)

b)

c) Otros radicales

Algunos ejemplos de cmo nombrar un compuestoa)

Segn las reglas

1. Cadena ms larga: sucesin de carbonos lo mayor posible3. Si se comienza por la derecha, los localizadores son: 2, 3 y 5 cuya suma es 10. Si por la izquierda son: 2, 4 y 5, cuya suma es 11. Por lo tanto se debe comenzar por la derecha.

b)

Segn las reglas3. Si se comienza por la derecha, los localizadores son: 4 y5 cuya suma es 9. Si por la izquierda, tambin suman 9.8. Predomina la clasificacin alfabtica, y la e est antes que la m, por lo tanto al etil debe ir el nmero ms bajo, por lo que se numera por la derecha.c) Segn las reglas1 y 3. Referencia al comienzo de la numeracin de la cadena principal.9. Referencia a la disposicin alfabtica de los radicales.

ALCANOS CICLICOSLos hidrocarburos cclicos son aquellos que tienen cadenas cerradas de Carbono y de formula general para los alcanos es CICLOALCANOSEs el grupo de hidrocarburos cclicos que tienen solo enlaces simples y tambin se les llama naftenos entre los que tenemos:

RADICALES CICLOALQUILICOSSon Hidrocarburos cclicos que han perdido un hidrogeno.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALCANOSEstructura electrnica del Carbono.El tomo de carbono posee un total de seis electrones, los que estn dispuestos en diferentes orbitales atmicos, como se muestra en el diagrama de energas:

Diagrama N1

Los alcanos y la hibridacin sp3.Cuando el tomo de carbono va a formar parte de una molcula utilizando su saturacin mxima, uno de los electrones del orbital atmico 2s, salta al orbital 2pz que est vaco. Este salto tiene por supuesto un costo en energa, el cual es compensado con la energa que es liberada al formar el enlace entre uno de estos nuevos orbitales hbridos sp3 del carbono y el orbital del otro tomo. Por ejemplo C-C o C-H. As, todos los orbitales del nivel 2 quedan con un electrn cada uno. Y en ese momento al combinarse entre s, dan origen a cuatro orbitales hbridos.

Estos 4 orbitales sp3 tienen un electrn cada uno, son equivalentes en energa y esta es menor que la de los orbitales 2p no hibridizados.

Figura N1

Cada tomo de carbono as hibridizado, puede formar cuatro enlaces sigma covalentes con otros cuatro tomos. Para el caso de los alcanos estos cuatro tomos pueden ser del tipo hidrgeno o carbono.

Ejemplo: el metano

El enlace (C-H)Hay un principio fundamental en fsica que dice que si se combinan n orbitales atmicos de diferentes tomos, se obtiene como resultado n orbitales moleculares. Segn este mismo principio, si se combina un orbital sp3 de un carbono y el orbital 1s de un tomo de hidrgeno, aportando cada uno de ellos un electrn, debern obtenerse dos orbitales moleculares sigma. Uno de ellos es -enlazante y el otro *-anti-enlazante. Vea el diagrama N3.

Diagrama N3(C-H):Energa = 98 - 103Kcal/molLargo =El enlace (Ca-Cb)El enlace sigma entre dos tomos de carbono se forma por combinacin de dos orbitales atmicos sp3 hbridos del carbono, con un solo electrn cada uno. Como en el caso anterior esta combinacin de dos orbitales atmicos diferentes A y B, produce dos orbitales moleculares. Uno de ellos es a,b enlazante y el otro *a,b anti-enlazante. Los dos electrones aportados por cada tomo van a ocupar el orbital enlazante que es el de menor energa entre los dos orbitales moleculares.

Diagrama N4

(c-c)Energa= 83 Kcal/molLargo = 1,54 x 10-8 cm.ngulo C-C-C = 109

En ambos casos examinados, los orbitales moleculares enlazantes (los de menor energa) se forman liberando energa. En general, la formacin de un enlace es un proceso exotrmico.

PUNTOS DE EBULLICIN DE LOS ALCANOS: Los puntos de ebullicin aumentan ligeramente a medida que aumenta el nmero de tomos de carbono y, por tanto, las masas moleculares. Las molculas ms grandes tienen mayores reas superficiales, por lo que aumenta la atraccin intermolecular de Van Der Waals. Este aumento de atraccin ha de ser vencido para que se produzca la vaporizacin y la ebullicin.Como consecuencia, una molcula ms grande, con mayor rea superficial y con atraccin de Van Der Waals ms fuertes, tiene una temperatura de ebullicin ms alta.

Figura 3.3El grfico de los puntos de ebullicin de los n- alcanos respecto al nmero de tomos de carbono (lnea azul de la Figura 3.3) muestra el aumento de los puntos de ebullicin a medida que aumenta la masa molecular. Cada grupo CH2 adicional hace que el punto de ebullicin aumente unos 30C, hasta aproximadamente los alcanos de diez carbonos y unos 20C en alcanos de ms de diez carbonos.La lnea verde de la figura 3.3 representa los puntos de ebullicin de algunos alcanos ramificados. En general, un alcano ramificado tiene un punto de ebullicin ms bajo que el del n alcano con el mismo nmero de tomos de carbono. Esta diferencia en los puntos de ebullicin se debe a que los alcanos ramificados son ms compactos, con menos rea superficial para las interacciones por fuerza de London.PUNTOS DE FUSIN DE LOS ALCANOS: La lnea azul de la figura 3.4 representa la variacin de los puntos de fusin de los n- alcanos con el nmero de tomos de carbono. Al igual que los puntos de ebullicin, los puntos de fusin aumentan al aumentar la masa molecular. El grafico de los puntos de fusin, sin embargo no es uniforme. Los alcanos con un nmero par de tomos de carbono se empaquetan mejor en una estructura slida, por lo que se necesitan altas temperaturas para fundirlos.Los alcanos con nmero impar de tomos de carbono no se empaquetan tan bien, por lo que se funden a temperaturas ms bajas. La grafica con forma de sierra de los puntos de fusin se uniformiza si se representan lneas separadas (verde y rojo) para los alcanos que tienen un nmero de tomos de carbono par o impar.El hecho de que una cadena est ramificada tambin afecta al punto de fusin del alcano. Un alcano ramificado generalmente funde a una temperatura ms alta que la del n- alcano con el mismo nmero de tomos de carbono. La ramificacin de un alcano da lugar a una estructura tridimensional slida ms compacta en la que las molculas pueden empaquetarse ms fcilmente, incrementando el punto de fusin. Los puntos de ebullicin y de fusin de los tres ismeros de formula CH muestran que los puntos de ebullicin decrecen y los puntos de fusin aumentan a medida a medida que la molcula se hace ms ramificada y ms compacta.

Figura 3.4ESTADO FSICOA temperatura ambiente es posible encontrar alcanos en diferentes estados fsicos as: De metano a butano son gaseosos. De pentano a pentadecano son lquidos De hexadecano en adelante son slidos. SOLUBILIDAD Y DENSIDAD DE LOS ALCANOS: Los alcanos son apolares, por lo que se disuelven en disolventes orgnicos apolares o dbilmente polares. Se dice que son hidrofbicos (repelen el agua), ya que no se disuelven en agua. Son buenos lubricantes y protectores de los metales, ya que evitan que el agua haga contacto con la superficie del metal y provoque su corrosin.Los alcanos tienen densidades aproximadas de 0.7 g/mL, comparadas con la densidad de 1.0 g/mL de agua. Como los alcanos son menos densos que el agua e insoluble en ella, una mezcla de un alcano (como la gasolina o el aceite) y agua se separa rpidamente en dos fases, quedando el alcano en la parte superior.A medida que aumenta el nmero de carbonos, las fuerzas intermoleculares son mayores y por lo tanto la cohesin intermolecular. Esto da como resultado un aumento de la proximidad molecular y, por tanto, de la densidad.

PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS ALCANOSEn general, los alcanos muestran una reactividad relativamente baja, porque sus enlaces de carbono son relativamente estables y no pueden ser fcilmente rotos.Los alcanos no son atacados por cidos o bases fuertes, tampoco por agentes oxidantes o reductores. Sin embargo, los alcanos si reaccionan en condiciones severas y constituyen productos de gran utilidad comercial. La mayora de la reacciones de los alcanos tienen lugar en condiciones energticas o a alta temperatura. Estas condiciones son un inconveniente para un laboratorio, ya que se requiere de un equipamiento especial y la velocidad de reaccin es difcil de controlar.COMBUSTIN (REACCIONES CON OXGENO)La combustin es una oxidacin rpida que transcurre a temperaturas altas, transformando los alcanos en dixido de carbono y agua. En este tipo de reaccin se necesita poco control, excepto para moderar la temperatura y controlar la relacin combustible/aire con objeto de conseguir una combustin eficiente.

CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 nCO2 + (n+1)H2OEn ausencia de oxgeno suficiente, puede formarse monxido de carbono o inclusive negro de humo, como se muestra a continuacin:CnH(2n+2) + nO2 (n+1)H2O + nCOCRACKING E HIDROCRACKINGEl cracking consiste en romper o descomponer hidrocarburos de elevado peso molecular (combustibles como el gas oil y fuel oil), en compuestos de menor peso molecular (naftas). En el proceso siempre se forma hidrgeno y compuestos del carbonoExisten dos tipos de cracking, el trmico y el cataltico. El primero se realiza mediante la aplicacin de calor y alta presin; el segundo mediante la combinacin de calor y un catalizador. Como se dijo en el prrafo anterior el cracking cataltico, a altas temperaturas, de los hidrocarburos de cadena da lugar a hidrocarburos de menor nmero de tomos de carbono. Normalmente el proceso del cracking se hace bajo unas condiciones que den rendimiento mximo en gasolina. En el hidrocracking se aade hidrgeno para obtener hidrocarburos saturados. El cracking sin hidrgeno da mezclas de alcanos y alquenos.

HALOGENACINLos alcanos pueden reaccionar con los halgenos (F2, Cl2, Br2, I2) para formar haluros de alquilo. Por ejemplo, el metano reacciona con cloro (Cl2) para formar clorometano (cloruro de metilo), diclorometano (cloruro de metileno), triclorometano (cloroformo) y tetraclorometano (tetracloruro de carbono).

Normalmente se necesita calor o luz para iniciar una reaccin de Halogenacin. Las reacciones de los alcanos con cloro y bromo transcurren a velocidades moderadas y son fciles de controlar; no obstante, las reacciones con flor a menudo son demasiado rpidas y es difcil controlarlas. El yodo o no reacciona o lo hace lentamente.

APLICACIONES DE LOS ALCANOSC1 C2: El metano y el etano son difciles de licuar, por lo general se manejan como gases comprimidos; sin embargo, el metano y el etano se pueden licuar enfrindolos a muy bajas temperaturas (criogenia). El gas natural licuado, constituido principalmente por metano, se puede transportar mejor, en tanques refrigerados especiales, que como gas comprimido.C3 C4: El propano y el butano se licuan fcilmente a temperatura ambiente y a presiones moderadas. Estos gases obtenidos a menuda junto con el petrleo liquido se almacenan en cilindros a baja presin constituyen el denominado gas licuado de petrleo (GLP). El propano y el butano son buenos combustibles, se utilizan para la calefaccin y en los motores de combustin interna. Su combustin es limpia, por lo que raramente son necesarios para sistemas de control de la polucin. En muchas reas agrcolas sustituyen a la gasolina y al gasoil de los tractores, ya que son ms econmicos. El propano y el butano han reemplazado de forma extensiva a los Freones como repelentes en los envases de los aerosoles. A diferencia de los alcanos, los Freones (clorofluorocarbonos) son unos de los responsables del dao que sufre la capa de ozono que protege a la tierra.C5-C8: Estos cuatro alcanos son lquidos voltiles. Los ismeros del pentano, hexano, heptano y octano son los constituyentes principales de la gasolina. Su volatilidad es crucial para su uso como combustible en los en los motores de combustin interna, ya que el sistema de inyeccin lanza solo una pequesima cantidad de gasolina no se evaporase rpidamente, llegara al cilindro en forma de gotas. Las gotas no pueden arder tan eficientemente como el vapor, por lo que el motor generara humo (por combustin incompleta) y tendra un bajo rendimiento de recorrido por litro de gasolina.C9-C16: Estos alcanos son lquidos de punto de ebullicin ms alto y algo viscoso. Forman parte del querosene, combustible de los aviones, y del gasoil, combustible de los motores diesel. El querosene, que tiene el punto de ebullicin ms bajo de estos combustibles antes se utiliza ampliamente, pero ahora es difcil de encontrar; es menos voltil que la gasolina y menos propenso a formar mezclas explosivas. El querosene se usaba en las lmparas de querosene y en estufas de calefaccin, que usaba mechas para permitir que este combustible ms pesado ardiera. El combustible de aviacin es similar al querosene, pero mucho ms refinado y menos oloroso.El gasoil no es muy voltil, por lo que no se evapora en la vlvula de admisin de aire. En un motor diesel, el gasoil se pulveriza directamente, en la parte superior del cilindro, en el momento en que se produce la compresin. El aire caliente altamente comprimido en el cilindro hace que el gasoil queme rpidamente fluyendo y evaporndose segn se va quemando. Algunos de los alcanos del gasoil tiene puntos de solidificacin parcial hace que el gasoil se convierta en una masa semislida crea. Los propietarios de motores diesel de climas fros a menudo mezclan una pequea cantidad de gasoil en el invierno. La gasolina aadida disuelve los alcanos solidificados, permitiendo que sean bombeados a los cilindros con ms facilidad. IGUAL O MAYOR QUE C16: Los alcanos con ms de 16 tomos de carbono se utilizan frecuentemente como lubricantes y combustibles. A veces se les conoce como aceites minerales, ya que se obtiene a partir del petrleo, que era considerado un mineral.La cera de parafina no es realmente una cera, sino una mezcla purificada de alcanos de masa molecular alta con puntos de fusin por encima de la temperatura ambiente. Las verdaderas ceras son esteres de cadena larga.

ANEXOSPRODUCCION DE ALCANOSRefinado del petrleoLos alcanos derivan principalmente del petrleo, son subproductos del mismo. El petrleo con frecuencia llamado crudo, es bombeado a travs de pozos que alcanzan yacimientos, en el interior de la corteza terrestre, que contienen los hidrocarburos derivados de la materia orgnica transformada procedente de organismos vivos prehistricos (plantas y plancton). Los componentes principales del petrleo curda son los alcanos, algunos hidrocarburos aromticos y otros compuestos, no deseados, que contienen nitrgeno y azufre. La composicin del petrleo y la cantidad de contaminantes que lleva vara de una explotacin a otra, por lo que la refinera del petrleo debe ajustar sus condiciones de trabajo para procesar un tipo u otro de crudo petrolfero. Debido a sus diferentes calidades, se pagan distintos precios por el crudo ligero de arabia, por el crudo del oeste de Texas y por otras clases de petrleo crudo.El primer paso para refinar el petrleo consiste en una destilacin fraccionada cuidadosa. Los productos de esa destilacin no son alcanos puros sino mezclas de alcanos con un intervalo de puntos de ebullicin adecuado.

Intervalo de ebullicin (C)Numero de CarbonesFraccinuso

Inferior a 302-4Gas de petrleoGas licuado para calefaccin

30-1804-9GasolinaCombustible de motor de explosin

160-2308-16QuerosenoCalefaccin y combustible de aviacin

200-32010-18GasoilCombustible de motor diesel

300-45016-30Aceite pesadoCalefaccin, lubricacin

>300 (vacio)>25FueloilCera de parafina

Residuo>35asfalto

Preparacin en el laboratorio:Generalmente hay poca necesidad de sintetizar alcanos en el laboratorio, dado que suelen estar disponibles comercialmente. Tambin debido al hecho de que los alcanos son, generalmente, poco reactivos qumica y biolgicamente, y no sufren interconversiones limpias de grupos funcionales. Cuando se producen alcanos en el laboratorio, suele ser un subproducto de una reaccin. Por ejemplo, el uso de N-butil-litio como una base produce el cido conjugado, n-butano como subproducto:C4H9Li + H2O C4H10 + LiOHSin embargo, a veces puede ser deseable convertir una porcin de una molecular en una estructura funcionalmente alcnica (grupo alquilo) usando un mtodo como el de arriba o mtodos similares. Por ejemplo, un grupo etilo es un grupo alquilo; cuando est unido a un grupo hidroxi, constituye el etanol, que no es un alcano. Para convertirlo en alcano, uno de los mtodos ms conocidos es la hidrogenacin de alquenos o alquinos.RCH=CH2 + H2 RCH2CH3 (R = alquilo)Los alcanos o grupos alquilo pueden ser preparados directamente a partir de halo alcanos en la reaccin de Corey-House-Posner-Whitesides. La reaccin de Barton-McCombie[][] elimina el grupo hidroxilo de los alcoholes, por ejemplo.

Y la reduccin de Clemmensen [] o la reduccin de Wolff-Kishner eliminan los grupos carbonilo de los aldehdos y cetonas para formar alcanos o compuestos de sustituidos de alquilo:

RIESGOSEl metano es explosivo cuando est mezclado con aire (1 8% CH4) y es un agente muy fuerte en el efecto invernadero. Otros alcanos menores tambin forman mezclas explosivas con el aire. Los alcanos lquidos 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 estn clasificados como peligrosos para el medio ambiente y nocivos. El ismero de cadena lineal del hexano es una neurotoxina.

CONCLUSIONES Los alcanos se utilizan como combustible a pesar que algunos alcanos estn en fase gaseosa; mientras en algunos casos se utilizan como lubricantes y antidetonantes. Los factores que influyen en el punto de fusin y ebullicin de los alcanos son: El nmero de tomos de carbono presentes en su estructura. Tipo de Atraccin molecular existente entre los tomos que conforman el hidrocarburo. El tipo de estructura slida (en caso de la fusin), del hidrocarburo.