alcanos
Propiedades físicas En estado puro, los alcanos son incoloros, presentan una densidad menor que la del agua y debido a su naturaleza apolar, son insolubles en agua, pero solubles en solventes orgánicos como el tetracloruro de carbono o el benceno. En cuanto al estado de agregación, a temperatura ambiente, los cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano), son gases; del pentano al heptadecano son líquidos, mientras que cadenas mayores se encuentran como sólidos. En general, a medida que aumenta el número de carbonos presentes (es decir, el peso molecular), se observa un aumento gradual en el valor de constantes físicas como los puntos de fusión y de ebullición y la densidad . Sin embargo, la presencia de ramificaciones en la cadena se relaciona con un descenso de las mismas. Por ejemplo, el pentano hierve a 36,5 °C, el isopentano (2-metilbutano) con una ramificación, hierve a 27,85 °C, mientras que el neopentano (2,2-dimetilpropano) con dos ramificaciones, hierve a 9,5 °C. Este comportamiento se relaciona con la acción de fuerzas intermoleculares débiles, conocidas como fuerzas de Van der Waals.
La intensidad de las fuerzas de Van der Waals aumentan con el tamaño de las moléculas, por lo que es necesario suministrar una mayor cantidad de energía para vencerlas y pasar del estado líquido al gaseoso. Esto explica el incremento de los puntos de ebullición con relación al número de carbonos. Los alcanos ramificados presentan una forma más esférica que los de cadena lineal; como resultado de lo cual tienen menor área superficial y por consiguiente, el efecto de las fuerzas de Van der Waals es menor.
Propiedades químicas
Los alcanos, también llamados parafi nas, se caracterizan por ser poco reactivos, por lo que se dice que tienen una gran inercia química. Esto se debe a que el enlace entre carbonos y entre carbonos e hidrógenos es muy fuerte y difícil de romper, por lo que las reacciones suelen ser lentas y frecuentemente deben llevarse a cabo a temperaturas y presiones elevadas y en presencia de catalizadores. No obstante, los alcanos reaccionan con el oxígeno, el cloro y los compuestos nitrogenados. Veamos. ■ Combustión: los alcanos reaccionan con el oxígeno durante el proceso conocido como combustión, en el cual se forma CO2 y agua y se libera gran cantidad de energía en forma de calor y luz (fi gura 3). Si la cantidad de oxígeno es mínima se dice que la combustión no es completa. Dependiendo de qué tan escaso sea entonces el oxígeno, los productos fi nales serán carbono, agua y energía o monóxido de carbono, agua y energía:
Halogenación fotoquímica: cuando un alcano reacciona con un halógeno —lo cual ocurre a temperaturas entre 250 °C y 400 °C o en presencia de luz ultravioleta— ocurre sustitución de algunos de los hidrógenos por parte de los átomos del halógeno,
■ Nitración en fase gaseosa: en condiciones apropiadas, el ácido nítrico (HNO3) reacciona con los alcanos remplazando un hidrógeno por un grupo nitro (NO2). Esta reacción se lleva a cabo por lo general en fase de vapor a temperaturas de 400 °C y se puede representar como sigue:
Métodos de obtención de alcanos
A escala industrial el medio más importante para obtener alcanos es la destilación fraccionada del petróleo crudo, como se detallará más adelante. A través de este proceso se extraen del petróleo numerosos subproductos y derivados. Igualmente, el gas natural es una fuente de alcanos ya que está compuesto por una mezcla de hidrocarburos ligeros, como metano, etano, propano y butano, principalmente. En el laboratorio se emplean varios métodos. Mencionaremos los más importantes a continuación.
■ Hidrogenación catalítica de hidrocarburos insaturados (alquenos y alquinos): el proceso consiste en una reducción con hidrógeno en presencia de catalizadores como el platino, paladio y níquel:
■ Reacción de Würtz: este método se fundamenta en la condensación de dos moléculas de un halogenuro de alquilo (R—X) que se produce por calentamiento en presencia de un metal alcalino, preferentemente sodio:
■ Reducción de halogenuros de alquilo: los derivados halogenados de hidrocarburos alifáticos se pueden reducir al adicionar ciertos metales como el Zn a ácidos diluidos como el HCl, produciéndose hidrógeno que actúa como un fuerte agente reductor. La reacción general es:
Propiedades de los hidrocarburos insaturados Propiedades físicas Al igual que los alcanos, los alquenos y los alquinos muestran un progresivo aumento de los valores de constantes físicas como puntos de ebullición y fusión a medida que se adicionan carbonos a las cadenas. Igualmente, aquellos con pocos carbonos, como el eteno y el etino son gases, del C5 al C18 son líquidos y los términos superiores son sólidos. Son insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos como el éter y el alcohol. A diferencia de los alcanos son solubles en ácido sulfúrico concentrado y frío. Propiedades químicas Los enlaces múltiples presentan en la parte externa enlaces pi, relativamente fáciles de romper, en comparación con los enlaces sigma. La concentración de electrones en los enlaces pi, alrededor de los enlaces múltiples, les confiere un comportamiento netamente nucleófilo. Por esta razón las reacciones más comunes en las que intervienen los hidrocarburos insaturados son las de adición electrofílica. Como su nombre lo indica, en estas reacciones ocurre adición de especies electrófilas en la zona del enlace múltiple, dando como resultado la saturación total o parcial de las posibilidades de enlace de los carbonos. Así la adición de átomos de cloro o hidrógeno a un enlace triple dará como resultado un derivado de alqueno. Del mismo modo, al adicionar alguna de estas especies electrófilas al doble enlace de un alqueno se formará el derivado del alcano correspondiente. Veamos:
Observa que el hidrógeno del ácido se une al carbono del doble o triple enlace que tiene el mayor número de hidrógenos, lo que se conoce como regla de Markovnikov.
Obtención de hidrocarburos insaturados Los hidrocarburos insaturados, al igual que los alcanos se obtienen principalmente de la refinación del petróleo crudo, a través de pirólisis, es decir, descomposición por acción del calor. Por ejemplo:
