Alcano
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Alcanos, también conocido como parafinas, son compuestos químicos que consisten sólo de los elementos de carbono (C) y de hidrógeno (H) (es decir, hidrocarburos), en el que estos átomos están unidos entre sí exclusivamente por enlaces simples (es decir, que son compuestos saturados) sin ninguna estructura cíclica (es decir, bucles). Alcanos pertenecen a una serie homóloga de compuestos orgánicos en los que los miembros difieren por una masa atómica relativa constante de 14.
Cada átomo de carbono debe tener 4 bonos (CH o CC bonos), y cada átomo de hidrógeno debe ser unido a un átomo de carbono (bonos HC). Una serie de átomos de carbono unidos se conoce como el esqueleto de carbono o columna vertebral de carbono. En general, el número de átomos de carbono se utiliza a menudo para definir el tamaño del alcano (por ejemplo, C 2 alcano).
Un alquilo es un grupo grupo funcional o de la cadena lateral que, como un alcano, consiste en átomos de carbono y de hidrógeno unidos exclusivamente de forma individual-, por ejemplo, una metilo o grupo etilo.
Los hidrocarburos saturados pueden ser lineales (fórmula general C n H 2 n 2) en la que los átomos de carbono se unen en una estructura de tipo serpiente, ramificado (fórmula general C n H 2 n 2, n> 3) en el que la columna vertebral de carbono se separa en una o más direcciones, o cíclico (fórmula general C n H 2 n, n> 2) en el que la columna vertebral de carbono está unido a fin de formar un bucle. De acuerdo con la definición de IUPAC, los dos primeros son los alcanos, mientras que el tercer grupo se llama cicloalcanos. En otras palabras, hidrocarburos saturados se dividen en alcanos y cicloalcanos, dependiendo de si tienen o no estructuras cíclicas, y, en el sentido técnico, cicloalcanos no son alcanos. Sin embargo, cicloalcanos a veces se llaman alcanos cíclicos, que puede ser confuso cuando alcanos "reales" se denominan alcanos acíclicos. Los hidrocarburos saturados también pueden combinar cualquiera de los lineal, cíclico (por ejemplo, policíclico) y estructuras de ramificación, y todavía son alcanos (sin fórmula general), siempre y cuando son acíclico (es decir, que no tiene bucles).
El alcano más simple posible (la molécula original) es el metano , CH 4. No hay límite para el número de átomos de carbono que pueden ser ligados entre sí, siendo la única limitación que la molécula es acíclico, es saturado, y es una hidrocarburos. Saturado aceites y ceras son ejemplos de alcanos más grandes, donde el número de carbonos en la cadena principal de carbono tiende a ser mayor que 10.
Alcanos no son muy reactivos y tienen poco actividad biológica. Los alcanos pueden ser vistos como un molecular andamio sobre el cual se pueden colgar las porciones biológicamente activas / reactivas interesantes ( grupos funcionales) de la molécula.
Isomería
Alcanos con más de tres átomos de carbono pueden estar dispuestos en un número múltiple de maneras, formando diferente isómeros estructurales. Un isómero es como una sustancia química anagrama, en la que los átomos de un compuesto químico se arreglan o se unieron en un orden diferente. El isómero más simple de un alcano es aquel en el que los átomos de carbono están dispuestos en una sola cadena sin ramas. Este isómero se denomina a veces el isómero n (n para "normal", aunque no es necesariamente el más común). Sin embargo, la cadena de átomos de carbono también puede ser ramificado en uno o más puntos. El número de posibles isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono (secuencia A000602 en OEIS ). Por ejemplo:
- C 1: 1 de isómeros - metano
- C 2: 1 de isómeros - etano
- C 3: 1 isómero - propano
- C. 4: 2 isómeros - n butano, isobutano
- C 12: 355 isómeros
- C 32: 27711253769 isómeros
- C 60: 22.158.734.535.770.411.074.184 isómeros
Además de estos isómeros, la cadena de átomos de carbono puede formar uno o más bucles. Tales compuestos se denominan cicloalcanos.
Nomenclatura
La Nomenclatura de la IUPAC (forma sistemática de nombrar compuestos) para los alcanos se basa en la identificación de cadenas de hidrocarburos. Cadenas de hidrocarburos no ramificados, saturados se nombran sistemáticamente con un prefijo numérico griego que denota el número de carbonos y el "-ano" sufijo.
August Wilhelm von Hofmann sugirió sistematizar nomenclatura mediante el uso de toda la secuencia de vocales a, e, i, o, u para crear sufijos -ano, eno, ine (o -ino), ona, -UNE, para los hidrocarburos. Los tres primeros hidrocarburos nombres con enlaces simples, dobles y triples; "-ona" Representa una cetona ; "-ol" Representa un alcohol o un grupo OH; "-oxy-" Significa un éter y se refiere al oxígeno entre dos átomos de carbono, por lo que metoxi-metano es el nombre IUPAC para dimetil éter.
Es difícil o imposible encontrar compuestos con más de un nombre IUPAC. Esto se debe a cadenas más cortas unidas a cadenas más largas son prefijos y la convención incluye soportes. Los números en el nombre, en referencia a que el carbono un grupo está unido a, deben ser lo más baja posible, por lo que está implícito 1- y generalmente omitidos de nombres de compuestos orgánicos con sólo un grupo lateral; "1-" está implícito en Nitro-octano. Compuestos simétricos tendrán dos maneras de llegar al mismo nombre.
Alcanos lineales
Alcanos de cadena lineal se indican por el n- prefijo (por lo normal) cuando un no-lineal isómero existe. Aunque esto no es estrictamente necesario, el uso es todavía común en los casos en que hay una importante diferencia en las propiedades entre la de cadena lineal y los isómeros de cadena ramificada, por ejemplo, n-hexano o 2- o 3-metilpentano.
Los primeros cuatro miembros de la serie (en términos de número de átomos de carbono) se denominan de la siguiente manera:
Los alcanos con cinco o más átomos de carbono son nombrados por la adición de la sufijo -ano al prefijo de lengua griega apropiado multiplicador numérica con elisión de cualquier vocal terminal (-a o -o) del término numérica básica. Por lo tanto, pentano, C 5 H 12; hexano, C 6 H 14; heptano, C 7 H 16; octano, C 8 H 18; etc. Para una lista más completa, consulte Lista de alcanos.
Alcanos ramificados
Alcanos ramificados simples a menudo tienen un nombre común usando un prefijo para distinguirlos de los alcanos lineales, por ejemplo n pentano, isopentano, y neopentano.
Convenciones de nomenclatura de la IUPAC se pueden utilizar para producir un nombre sistemático.
Los pasos clave en la denominación de los más complicados alcanos ramificados son los siguientes:
- Identificar la cadena lineal más larga de átomos de carbono
- Nombre esta cadena de raíz más larga usando las reglas de nomenclatura estándar
- Nombre cada cadena lateral cambiando el sufijo del nombre del alcano de "-ano" a "il"
- Número de la cadena de raíz para que la suma de los números asignados a cada grupo lateral será tan bajo como sea posible
- Número y nombre de las cadenas laterales antes del nombre de la cadena de la raíz
- Si hay múltiples cadenas laterales del mismo tipo, usar prefijos tales como "di-" y "tri-" para indicar que como tal, y el número de cada uno de ellos.
| Nombre común | n -pentano | isopentano | neopentano |
|---|---|---|---|
| Nombre IUPAC | pentano | 2-metilbutano | 2,2-dimetilpropano |
| Estructura |  |  |  |
Alcanos cíclicos
Los llamados alcanos cíclicos son, en el sentido técnico, no alcanos, pero cicloalcanos. Son hidrocarburos al igual que los alcanos, pero se contiene uno o más anillos.
Cicloalcanos simples tienen un "ciclo-" prefijo para distinguirlos de los alcanos. Cicloalcanos se nombran como por sus homólogos acíclicos con respecto al número de átomos de carbono, por ejemplo, ciclopentano (C 5 H 10) es un cicloalcano con 5 átomos de carbono igual pentano (C 5 H 12), pero que se unen en un anillo de cinco miembros. De una manera similar, propano y ciclopropano, butano y ciclobutano, etc.
Cicloalcanos sustituidos se nombran similar a alcanos sustituidos - el anillo cicloalcano se indica, y los sustituyentes están de acuerdo con su posición en el anillo, con la numeración decidido por Reglas de Cahn-Ingold-Prelog.
Los nombres vulgares
La (no trivial sistemática ) nombre para alcanos es " parafinas. "Juntos, los alcanos son conocidos como la serie de parafina. Los nombres vulgares de compuestos son generalmente artefactos históricos. Ellos fueron acuñados antes del desarrollo de los nombres sistemáticos, y se han conservado debido a un uso familiar en la industria. cicloalcanos son también llamados naftenos.
Es casi seguro que el término parafina se deriva de la industria petroquímica. Alcanos de cadena ramificada se llaman isoparafinas. El uso del término "parafina" es un término general y, a menudo no distingue entre unos compuestos puros y mezclas de isómeros con la misma fórmula química (es decir, como un producto químico anagrama), por ejemplo, pentano y isopentano.
- Ejemplos
Los siguientes nombres triviales se retienen en el sistema de la IUPAC:
- isobutano para 2-metilpropano
- isopentano para 2-metilbutano
- neopentano de 2,2-dimetilpropano
Aparición
Ocurrencia de alcanos en el Universo
Alcanos forman una parte significativa de la atmósferas de los planetas gaseosos exteriores como Júpiter (0,1% de metano, etano 0,0002%), Saturno (0,2% de metano, etano 0,0005%), Urano (1,99% de metano, etano 0,00025%) y Neptuno (1,5% de metano, etano 1,5 ppm ). Titan (1,6% de metano), un satélite de Saturno, fue examinado por la sonda Huygens, que indican que la atmósfera de Titán llueve periódicamente metano líquido sobre la superficie de la luna. También en Titán, un volcán que escupe metano fue descubierto y esto vulcanismo se cree que es una fuente importante de metano en la atmósfera. También parece ser lagos de metano / etano cerca de las regiones polares del norte de Titán, como descubrió imágenes de radar de la Cassini. El metano y etano también se han detectado en la cola del cometa Hyakutake . El análisis químico mostró que la abundancia de etano y metano eran más o menos iguales, que se piensa dar a entender que sus hielos formados en el espacio interestelar, lejos del Sol, lo que habría evaporado estas moléculas volátiles. Alcanos también se han detectado en meteoritos tales como condritas carbonáceas.
Ocurrencia de alcanos en la Tierra
Los rastros de gas metano (aproximadamente 0,0001% o 1 ppm) se producen en la atmósfera de la Tierra, producido principalmente por organismos tales como Archaea, que se encuentra por ejemplo en el intestino de las vacas.
Las fuentes comerciales más importantes para alcanos son gas natural y petróleo . El gas natural contiene principalmente metano y etano, con algo de propano y butano: aceite es una mezcla de alcanos líquidos y otros hidrocarburos. Estos hidrocarburos se formaron cuando los animales muertos marinos y plantas (zooplancton y fitoplancton) murieron y se hundieron hasta el fondo de los mares antiguos y estaban cubiertos de sedimentos en un ambiente anóxico y convertido durante muchos millones de años a altas temperaturas y alta presión en su forma actual. El gas natural como resultado de ese modo por ejemplo, de la siguiente reacción:
- C 6 H 12 O 6 → 3CH 4 + 2 3CO
Estos hidrocarburos recogidos en las rocas porosas, situado debajo de una roca impermeable tapa y así están atrapados. A diferencia de metano, que se reforma constantemente en grandes cantidades, el aumento de alcanos (alcanos con 9 o más átomos de carbono) rara vez se desarrollan en una medida considerable en la naturaleza. Estos depósitos, por ejemplo, campos de petróleo, se han formado durante millones de años y una vez agotado no puede ser reemplazado fácilmente. El agotamiento de estos hidrocarburos es la base de lo que se conoce como la crisis energética.
Alcanos sólidos se conocen como alquitranes y se forman cuando los alcanos más volátiles como los gases y aceite evaporarse de yacimientos de hidrocarburos. Uno de los mayores yacimientos naturales de alcanos sólidos está en el lago de asfalto conocido como el Pitch Lake en Trinidad y Tobago .
El metano también está presente en lo que se llama biogás, producidos por animales y materia en descomposición, que es una posible fuente de energía renovable .
Alcanos tienen una baja solubilidad en agua, por lo que el contenido en los océanos es despreciable; sin embargo, a altas presiones y bajas temperaturas (tales como en la parte inferior de los océanos), el metano puede co-cristalizar con agua para formar un sólido hidrato de metano. Aunque esto no puede ser explotado comercialmente en el momento actual, la cantidad de energía combustible de los campos de hidrato de metano conocidos excede el contenido de energía de todos los depósitos de gas y petróleo naturales juntos, el metano extraído de hidrato de metano se considera por lo tanto un candidato para combustibles futuros .
Ocurrencia Biológica
Aunque alcanos se producen en la naturaleza en varios manera, no clasifican biológicamente entre los materiales esenciales. Cicloalcanos con 14 a 18 átomos de carbono se producen en almizcle, extraído de ciervos de la familia Moschidae. El resto de información se refiere a (acíclicos) alcanos.
- Las bacterias y arqueas
Ciertos tipos de bacterias pueden metabolizar alcanos: prefieren cadenas de carbono de número par, ya que son más fáciles de degradar que las cadenas impares.
Por otro lado, cierta arqueas, la metanógenos, producir grandes cantidades de metano por el metabolismo de dióxido de carbono u otro compuestos orgánicos oxidados. La energía se libera por la oxidación de hidrógeno :
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
Los metanógenos son también los productores de gas de los pantanos en humedales, y la liberación de cerca de dos mil millones de toneladas de metano al año - el contenido atmosférica de este gas se produce casi exclusivamente por ellos. La salida de metano del ganado y otros herbívoros , que puede liberar hasta 150 litros por día, y de las termitas , se debe también a los metanógenos. También producen este simple de todos los alcanos en el intestinos de los humanos. Archaea metanogénicas son, por lo tanto, al final de la ciclo del carbono, con el carbono que se libera a la atmósfera después de haber sido fijado por la fotosíntesis . Es probable que nuestros depósitos actuales de gas natural se formaron de una manera similar.
- Los hongos y las plantas
Alcanos también juegan un papel, si un papel menor, en la biología de los tres eucariotas grupos de organismos: hongos , plantas y animales. Algunas levaduras especializadas, por ejemplo, Candida tropicale, Pichia sp., Rhodotorula sp., Se puede utilizar alcanos como fuente de carbono y / o energía. El hongo Amorphotheca resinae prefiere los alcanos de cadena larga en combustible de aviación, y puede causar serios problemas para las aeronaves en las regiones tropicales.
En las plantas, son los alcanos de cadena larga sólidos que se encuentran; forman una capa firme de la cera, la cutícula, sobre áreas de la planta expuesta al aire. Esto protege a la planta contra la pérdida de agua, mientras que la prevención de la la lixiviación de minerales importantes por la lluvia. También es una protección contra las bacterias, los hongos y los insectos dañinos - este último fregadero con sus piernas en la sustancia similar a la cera suave y tienen dificultad para moverse. La capa que brilla en frutas como manzanas consiste en alcanos de cadena larga. Las cadenas de carbono son por lo general entre veinte y treinta átomos de carbono de longitud y están hechos por las plantas a partir de ácidos grasos . La composición exacta de la capa de cera no sólo es dependiente de la especie, sino también los cambios con la temporada y factores ambientales tales como condiciones de iluminación, temperatura o humedad.
- Animales
Los alcanos se encuentran en productos de origen animal, a pesar de que son menos importantes que los hidrocarburos no saturados. Un ejemplo es el aceite de hígado de tiburón, que es aproximadamente 14% pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C 19 H 40). Su aparición es más importante en feromonas, materiales mensajero químico, en el que por encima de todos los insectos dependen de la comunicación. Con algunos tipos, como el escarabajo de apoyo Xylotrechus colono, principalmente pentacosano (C 25 H 52), 3-methylpentaicosane (C 26 H 54) y 9-methylpentaicosane (C 26 H 54), se transfieren a través del contacto corporal. Con otros como la mosca tsetsé morsitans Glossina morsitans, la feromona contiene los cuatro alcanos 2-methylheptadecane (C 18 H 38), 17,21 dimethylheptatriacontane (C 39 H 80), 15,19-dimethylheptatriacontane (C 39 H 80) y 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C 40 H 82), y actúa por el olor a través de distancias más largas, una característica útil para control de plagas.
Relaciones ecológicas
Un ejemplo, en el que ambos alcanos vegetales y animales tienen un papel, es la relación ecológica entre el abeja arena ( Andrena nigroaenea) y el orquídea temprano araña ( Ophrys sphegodes); este último es dependiente para la polinización en los primeros. Abejas Arena utilizan feromonas para identificar a un compañero; en el caso de A. nigroaenea, las hembras emiten una mezcla de tricosano (C 23 H 48), pentacosano (C 25 H 52) y heptacosano (C 27 H 56) en la proporción de 3: 3: 1, y los hombres se sienten atraídos por los específicamente este olor. La orquídea se aprovecha de esta disposición de acoplamiento para conseguir la abeja macho para reunir y difundir su polen; partes de su flor no sólo se asemejan a la aparición de abejas de arena, sino que también producen grandes cantidades de los tres alcanos en la misma proporción que las abejas de arena femeninos. Como resultado numerosos machos son atraídos a las flores y el intento de copular con su pareja imaginaria: aunque este esfuerzo no es coronado con el éxito de la abeja, que permite la orquídea para transferir su polen, que se dispersó después de la salida de la frustrada macho a diferentes flores.
Producción
Refinación del petróleo
Como se dijo anteriormente, la fuente más importante de alcanos es el gas natural y petróleo crudo . Los alcanos se separan en una refinería de petróleo por destilación fraccionada y se procesan en muchos productos diferentes
Fischer-Tropsch
La Proceso de Fischer-Tropsch es un método para sintetizar hidrocarburos líquidos, incluyendo alcanos, de monóxido de carbono e hidrógeno. Este método se utiliza para producir sustitutos para destilados de petróleo.
Preparación Laboratorio
Normalmente hay poca necesidad de alcanos a ser sintetizados en el laboratorio, ya que están generalmente disponibles comercialmente. Además, los alcanos son generalmente no reactivo químicamente o biológicamente, y no se someten a interconversiones de grupos funcionales limpiamente. Cuando alcanos se producen en el laboratorio, a menudo es un subproducto de una reacción. Por ejemplo, el uso de n-butil-litio como un fuerte base proporciona el ácido conjugado, n-butano como producto secundario:
- C 4 H 9 Li + H2O → C 4 H 10 + LiOH
Sin embargo, a veces puede ser deseable hacer que una porción de una molécula en un alcano como la funcionalidad ( alquilo grupo) utilizando los métodos anteriores o similares. Por ejemplo, una grupo etilo es un grupo alquilo; cuando este está unido a una grupo hidroxi, da etanol , que no es un alcano. Para ello, los métodos más conocidos son la hidrogenación de alquenos :
- RCH = CH 2 + H 2 → RCH 2 CH 3 (R = alquilo )
Alcanos o grupos alquilo también se pueden preparar directamente a partir de haluros de alquilo en el Reacción Corey-House-Posner-Whitesides. La Barton-McCombie desoxigenación elimina grupos hidroxilo de alcoholes por ejemplo,
y la Reducción de Clemmensen elimina grupos carbonilo a partir de aldehídos y cetonas para formar alcanos o sustituido con alquilo compuestos por ejemplo:
Aplicaciones
Las aplicaciones de una determinada alcano pueden determinarse bastante bien de acuerdo al número de átomos de carbono. Los primeros cuatro alcanos se utilizan principalmente para calefacción y cocina, y en algunos países para la generación de electricidad. El metano y el etano son los principales componentes del gas natural; que normalmente se almacenan como gases bajo presión. Es, sin embargo, más fácil de transportar como líquidos: Esto requiere la compresión y el enfriamiento del gas.
Propano y butano puede ser licuado a presiones relativamente bajas, y son bien conocidos como gas licuado de petróleo (GLP). Propano, por ejemplo, se utiliza en el quemador de gas propano, butano en los encendedores de cigarrillos desechables. Los dos alcanos se utilizan como propelentes en aerosoles.
Desde pentano para octano los alcanos son líquidos razonablemente volátiles. Se utilizan como combustibles en motores de combustión interna, ya que se vaporizan fácilmente en la entrada en la cámara de combustión sin formar gotitas, que puedan menoscabar la unifomity de la combustión. Se prefieren los alcanos de cadena ramificada, ya que son mucho menos propensas a la ignición prematura, lo que provoca golpeando a su homólogo de cadena lineal. Esta propensión a la ignición prematura se mide por el índice de octano del combustible, donde 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 medias son también buenos disolventes para sustancias no polares.
Alcanos de nonano a, por ejemplo, hexadecano (un alcano con dieciséis átomos de carbono) son líquidos de mayor viscosidad, menos y menos adecuados para su uso en la gasolina. Ellos forman lugar la mayor parte de diesel y combustible de aviación. Los combustibles diesel se caracterizan por su número de cetano, cetano ser un antiguo nombre de hexadecano. Sin embargo, los puntos de fusión más altos de estos alcanos pueden causar problemas a bajas temperaturas y en las regiones polares, donde el combustible se vuelve demasiado espesa para fluir correctamente.
Alcanos de hexadecano forman hacia arriba los componentes más importantes de aceite combustible y aceite lubricante. En esta última función, que trabajan al mismo tiempo como agentes anti-corrosivos, ya que su naturaleza hidrófoba significa que el agua no puede llegar a la superficie del metal. Muchos alcanos sólidos encuentran uso como cera de parafina, por ejemplo, en velas. Esto no debe confundirse sin embargo con cierto cera, que se compone principalmente de ésteres.
Alcanos con una longitud de cadena de aproximadamente 35 o más átomos de carbono se encuentran en betún, utilizados, por ejemplo, en revestimiento de carreteras. Sin embargo, los alcanos superiores tienen poco valor y por lo general se dividen en alcanos inferiores por agrietamiento.
Algunos sintética polímeros tales como polietileno y polipropileno son alcanos con cadenas que contienen cientos de miles de átomos de carbono. Estos materiales se utilizan en innumerables aplicaciones, y miles de millones de kilogramos de estos materiales se hacen y se utilizan cada año.
Propiedades físicas
Punto de ebullicion
Alcanos experiencia inter-moleculares fuerzas de van der Waals . Waals inter-molecular de van der fuertes dan lugar a mayores puntos de ebullición de los alcanos.
Hay dos factores determinantes para la fuerza de las fuerzas de van der Waals:
- el número de electrones que rodean la molécula, lo que aumenta con el peso molecular del alcano
- el área de superficie de la molécula
Bajo condiciones estándar, de CH 4 a C 4 H 10 alcanos son gaseosos; de C 5 H 12 a C 17 H 36 son líquidos; y después de C 18 H 38 son sólidos. Como el punto de ebullición de los alcanos está determinado principalmente por el peso, no debería ser una sorpresa que el punto de ebullición tiene casi una relación lineal con el tamaño ( peso molecular ) de la molécula. Como regla general, el punto de ebullición se eleva 20 - 30 ° C para cada carbono añadido a la cadena; esta regla se aplica a otras series homólogas.
Un alcano de cadena lineal tendrá un punto de ebullición más alto que un alcano de cadena ramificada debido a la mayor área de superficie en contacto, por lo tanto, las fuerzas de van der Waals mayor, entre las moléculas adyacentes. Por ejemplo, comparar isobutano y n-butano, que hierve a -12 y 0 ° C, y 2,2-dimetilbutano y 2,3-dimetilbutano que hierven a 50 y 58 ° C, respectivamente. Para este último caso, dos moléculas de 2,3-dimetilbutano puede "bloquear" entre sí mejor que el 2,2-dimetilbutano en forma de cruz, por lo tanto, las fuerzas de van der Waals mayor.
Por otro lado, cicloalcanos tienden a tener puntos de ebullición más altos que sus contrapartes lineales debido a las conformaciones cerradas de las moléculas, que dan un plano de contacto intermolecular.
Punto de fusion
Los puntos de fusión de los alcanos siguen una tendencia similar a puntos de ebullición por la misma razón como se describe anteriormente. Es decir, (todas las otras cosas son iguales) el más grande de la molécula mayor es el punto de fusión. Hay una diferencia significativa entre los puntos de ebullición y puntos de fusión. Los sólidos tienen estructura más estriada y fijo que los líquidos. Esta estructura rígida requiere energía para romper. Así, los mejor juntos estructuras sólidas fuertes requerirán más energía para romper. Para alcanos, esto se puede ver en el gráfico anterior (es decir, la línea azul). Los alcanos impares tienen una tendencia más baja en los puntos de fusión que incluso numerados alcanos. Esto es porque los alcanos de número par paquete bien en la fase sólida, formando una estructura bien organizada, lo que requiere más energía para romper. Los alcanos impar número de paquete menos bien y por lo que el "más flojo" organizado estructura de embalaje sólido, se requiere menos energía para romper.
Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser más altos o más bajos que los de los correspondientes alcanos de cadena lineal, de nuevo dependiendo de la capacidad del alcano en cuestión para embalaje bien en la fase sólida: Esto es particularmente cierto para los isoalcanos (2 isómeros metil), que a menudo tienen puntos de fusión más altos que los de los análogos lineales.
Conductividad
Alcanos no conducen la electricidad , ni son sustancialmente ellos polarizado por un campo eléctrico . Por esta razón no forman enlaces de hidrógeno y son insolubles en disolventes polares como el agua. Dado que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua individuales están alineados lejos de una molécula de alcano, la coexistencia de un alcano y agua conduce a un aumento en orden molecular (una reducción en la entropía ). Como no hay una unión significativa entre las moléculas de agua y moléculas de alcano, la segunda ley de la termodinámica sugiere que esta reducción en la entropía debe minimizarse al minimizar el contacto entre alcano y agua: alcanos se dice que son hidrofóbico en que repelen el agua.
Su solubilidad en disolventes no polares es relativamente buena, una propiedad que se llama lipofilia. Diferentes alcanos son, por ejemplo, miscible en todas las proporciones entre sí.
La densidad de los alcanos por lo general aumenta con el aumento de número de átomos de carbono, pero sigue siendo menor que la del agua. Por lo tanto, alcanos forman la capa superior en una mezcla de agua-alcano.
Geometría molecular
La estructura molecular de los alcanos afecta directamente a sus características físicas y químicas. Se deriva de la configuración electrónica del carbono , que tiene cuatro electrones de valencia. Los átomos de carbono en los alcanos son siempre sp 3 hibridación, es decir que los electrones de valencia se dice que son en cuatro orbitales equivalentes derivados de la combinación de los orbital 2s y los tres orbitales 2p. Estos orbitales, que tienen energías idénticas, se organizan espacialmente en forma de un tetraedro, el ángulo de cos -1 (-⅓) ≈ 109.47 ° entre ellos.
Longitudes de enlace y ángulos de enlace
Una molécula de alcano tiene sólo C - H y C - C bonos individuales. El anterior resultado de la superposición de un sp³-orbital de carbono con los 1s-orbitales de un hidrógeno; la segunda por la superposición de dos sp³ orbitales en átomos de carbono diferentes. La longitudes de enlace cantidad a 1,09 × 10 -10 m para un C - enlace H y 1,54 × 10 -10 m para un C - enlace C.
La disposición espacial de los bonos es similar a la de los cuatro sp³ orbitales - que están dispuestas tetraédricamente, con un ángulo de 109,47 ° entre ellos. Las fórmulas estructurales que representan los bonos como en ángulos rectos entre sí, mientras tanto común y útil, no se corresponden con la realidad.
Conformación
La fórmula estructural y el ángulos de enlace no suelen ser suficientes para describir completamente la geometría de una molécula. Hay una mayor grado de libertad para cada enlace carbono - carbono: la ángulo de torsión entre los átomos o grupos unidos a los átomos en cada extremo del enlace. La disposición espacial descrito por los ángulos de torsión de la molécula se conoce como su conformación.
Etano forma el caso más sencillo para el estudio de la conformación de alcanos, como sólo hay una C - C bond. Si uno mira hacia abajo del eje de la C - C bond, uno verá la llamada Proyección de Newman. Los átomos de hidrógeno en átomos de carbono tanto en la parte delantera y trasera tienen un ángulo de 120 ° entre ellos, que resulta de la proyección de la base del tetraedro sobre un plano plano. Sin embargo, el ángulo de torsión entre un átomo de hidrógeno dado unido al carbono frontal y un átomo de hidrógeno dado unido al carbono trasero puede variar libremente entre 0 ° y 360 °. Esto es una consecuencia de la rotación libre alrededor de un enlace carbono - carbono sencillo. A pesar de esta aparente libertad, sólo dos conformaciones limitantes son importantes: conformación eclipsada y conformación escalonada.
Las dos conformaciones, también conocido como rotámeros, difieren en energía: La conformación alternada es 12.6 kJ / mol menor energía (más estable) que la conformación eclipsada (menos estable).
Esta diferencia de energía entre las dos conformaciones, conocido como el la energía de torsión, es baja en comparación con la energía térmica de una molécula de etano a temperatura ambiente. Hay constante rotación alrededor del enlace CC. El tiempo necesario para que una molécula de etano a pasar de una conformación alternada a la siguiente, equivalente a la rotación de uno CH 3 -Grupo por 120 ° respecto a la otra, es del orden de 10 -11 segundos.
El caso de alcanos superiores es más complejo, pero basado en principios similares, con la conformación antiperiplanar ser siempre la más favorecida alrededor de cada enlace carbono-carbono. Por esta razón, los alcanos son generalmente muestran en una disposición en zigzag en los diagramas o en modelos. La estructura real siempre diferir ligeramente de estas formas idealizadas, como las diferencias de energía entre las conformaciones son pequeñas en comparación con la energía térmica de las moléculas: las moléculas de alcanos no tienen forma estructural fija, independientemente de los modelos pueden sugerir.
Propiedades espectroscópicas
Prácticamente todos los compuestos orgánicos contienen carbono - carbono y carbono - enlaces de hidrógeno, y así muestran algunas de las características de alcanos en sus espectros. Los alcanos son notables por no tener otros grupos, y por lo tanto por la ausencia de otras características espectroscópicas característicos.
La espectroscopía infrarroja
El carbono - hidrógeno modo de estiramiento da una fuerte absorción entre 2850 y 2960 nanómetros, mientras que el carbono - el modo de estiramiento de carbono absorbe entre 800 y 1300 nm. Los modos de carbono - hidrógeno flexión dependen de la naturaleza del grupo: grupos metilo muestran bandas a 1450 nm y 1375 nm, mientras que los grupos metileno muestran bandas a 1465 nm y 1450 nm. Las cadenas de carbono con más de cuatro átomos de carbono muestran una absorción débil a alrededor de 725 nm.
Espectroscopía de RMN
Las resonancias de protones de alcanos se encuentran generalmente en δ H = 0,5 a 1,5. Los 13 carbono-resonancias dependen del número de átomos de hidrógeno unidos al carbono: δ = C de 8 - 30 (primaria, metilo, -CH 3), 15-55 (secundaria, metileno, -CH 2 -), 20-60 (terciario, metino, CH) y cuaternaria. El 13 de carbono-resonancia de átomos de carbono cuaternario es característicamente débil, debido a la falta de Efecto Overhauser Nuclear y la larga tiempo de relajación, y se puede perder en las muestras de debilidad, o muestra de que no se hayan hecho funcionar por un tiempo suficientemente largo.
Espectrometría de masas
Alcanos tienen un alto energía de ionización, y el ion molecular es generalmente débil. El patrón de fragmentación puede ser difícil de interpretar, pero, en el caso de alcanos de cadena ramificada, la cadena de carbono se escinde preferentemente en los carbonos terciarios o cuaternarios debido a la estabilidad relativa de los resultantes radicales libres. El fragmento resultante de la pérdida de un solo grupo metilo (M-15) es a menudo ausente, y otro fragmento son a menudo espaciados por intervalos de catorce unidades de masa, correspondiente a la pérdida secuencial de CH 2 -grupos.
Propiedades químicas
En general, los alcanos muestran una reactividad relativamente baja, debido a que sus bonos C son relativamente estables y no pueden romperse fácilmente. A diferencia de la mayoría de otros compuestos orgánicos, que no poseen grupos funcionales.
Ellos sólo reaccionan muy mal con sustancias polares iónicos u otros. La constante de disociación ácida (PK la ) de todos los valores de alcanos están por encima de 60 años, por lo que son prácticamente inertes a los ácidos y bases (véase: los ácidos de carbono). Esta inercia es la fuente del término parafinas (con el significado aquí de "falta de afinidad"). En crudo las moléculas de alcanos se han mantenido sin cambios químicamente durante millones de años.
Sin embargo redox reacciones de alcanos, en particular con oxígeno y los halógenos, son posibles como los átomos de carbono están en una condición fuertemente reducido; en el caso de metano, el estado de oxidación más bajo posible para el carbono (-4) se alcanza. La reacción con el oxígeno conduce a la combustión sin humo; con halógenos, sustitución. Además, alcanos han demostrado interactuar con, y unirse a, complejos de metales de transición en cierto (Ver: activación enlace carbono-hidrógeno).
Los radicales libres, moléculas con electrones desapareados, juegan un papel importante en la mayoría de las reacciones de los alcanos, tales como el craqueo y la reforma donde alcanos de cadena larga se convierten en alcanos de cadena más corta y alcanos de cadena lineal en los isómeros de cadena ramificada.
En alcanos altamente ramificados, el ángulo de enlace puede diferir significativamente del valor óptimo (109,5 °) con el fin de permitir que los diferentes grupos de espacio suficiente. Esto provoca una tensión en la molécula, conocida como el impedimento estérico, y puede aumentar sustancialmente la reactividad.
Reacciones con oxígeno
Todos los alcanos reaccionan con oxígeno en una reacción de combustión, aunque se vuelven cada vez más difícil de encender como el número de átomos de carbono aumenta. La ecuación general para la combustión completa es:
- CnH2n2+ (1,5n0.5) O2→ (n1) H2O +nCO2
En ausencia de suficiente oxígeno,monóxido de carbonoo inclusose pueden formar hollín, como se muestra a continuación:
por ejemploel metano:
- 2CH4+ 3O2→ 2CO + 4H2O
- CH4+ O2→ C + 2H2O
Vea el alcano calor de la mesa de formación para los datos detallados. La cambio de entalpía estándar de combustión, Δ c H o , por alcanos aumenta en alrededor de 650 kJ / mol por CH 2 grupo. Alcanos de cadena ramificada tienen menores valores de Δ c H o que los alcanos de cadena lineal del mismo número de átomos de carbono, por lo que se pueden ver a ser algo más estable.
Reacciones con halógenos
Los alcanos reaccionan con halógenos en una denominada reacción de halogenación por radicales libres. Los átomos de hidrógeno del alcano se sustituyen progresivamente por átomos de halógeno. Los radicales libres son las especies reactivas que participan en la reacción, que generalmente conduce a una mezcla de productos. La reacción es altamente exotérmica, y puede conducir a una explosión.
Estas reacciones son una importante ruta industrial a los hidrocarburos halogenados. Hay tres pasos:
- Iniciación del halógeno radicales forman por homólisis. Por lo general, se requiere de energía en forma de calor o la luz.
- Reacción en cadena a continuación tiene lugar - los resúmenes radicales halógenos un hidrógeno del alcano para dar un radical alquilo. Este reacciona más.
- 'terminación de la cadena, donde paso los radicales se recombinan.
Los experimentos han demostrado que todos halogenación produce una mezcla de todos los isómeros posibles, lo que indica que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles a la reacción. La mezcla producida, sin embargo, no es una mezcla estadística: átomos de hidrógeno secundarias y terciarias son reemplazados preferentemente debido a la mayor estabilidad de los radicales libres secundarias y terciarias. Un ejemplo puede verse en la monobromación de propano:
Agrietamiento
Cracking rompe moléculas grandes en otras más pequeñas. Esto se puede hacer con un método térmica o catalítica. El proceso de craqueo térmico sigue un mecanismo homolítica con la formación de los radicales libres. El proceso de craqueo catalítico implica la presencia de ácidos catalizadores (ácidos generalmente sólidos tales como sílice-alúmina y zeolitas), los cuales promueven un heterolítica (asimétrica) la rotura de los enlaces que producen pares de iones de cargas opuestas, por lo general un carbo catión y el muy inestable hidruro anión . Los radicales libres y cationes de carbono-localizada son altamente inestables y se someten a procesos de reordenamiento de la cadena, la escisión de CC en la posición beta (es decir, el agrietamiento) y intra y transferencia de hidrógeno intermolecular o transferencia de hidruro. En ambos tipos de procesos, los correspondientes intermedios reactivos (radicales, iones) se regeneran de forma permanente, y por lo tanto se procede por un mecanismo de cadena de auto-propagación. La cadena de reacciones es finalmente terminada por recombinación radical o iónico.
La isomerización y reformación
La isomerización y reformación son procesos en los que los alcanos de cadena lineal se calientan en presencia de un platino catalizador. En la isomerización, los alcanos se convierten en isómeros de cadena ramificada. En la reforma, los alcanos se convierten en cicloalcanos o hidrocarburos aromáticos, desprendiendo hidrógeno como un subproducto. Ambos procesos elevar el índice de octano de la sustancia.
Otras reacciones
Los alcanos reaccionan con vapor en presencia de un níquel catalizador para dar hidrógeno . Alcanos pueden cerca clorosulfonado y nitrados, aunque ambas reacciones requieren condiciones especiales. La fermentación de alcanos a ácidos carboxílicos es de alguna importancia técnica. En el reacción Reed, dióxido de azufre, el cloro y la luz convierten hidrocarburos a cloruros de sulfonilo.
Peligros
El metano es explosivo cuando se mezclan con el aire (1-8% CH 4 ) y es un fuerte de gas de efecto invernadero : Otros alcanos inferiores también pueden formar mezclas explosivas con el aire. Los alcanos líquidos más ligeros son altamente inflamables, aunque este riesgo disminuye con la longitud de la cadena de carbono. Pentano, hexano, heptano y octano están clasificados como peligrosos para el medio ambiente y perjudiciales . El isómero de cadena lineal de hexano es una neurotoxina, y por lo tanto, rara vez se utiliza comercialmente.
