hidrocarburos
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TEMA : Hidrocarburos
(Universidad del Perú. DECANA DE AMÉRICA)
FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE DISENO Y TECNOLOGIA INDUSTRIAL
PROFESORA: Ing. Ana M. Medina Escudero
HIDROCARBUROS • Son compuestos organicos que estan formados por los elementos: carbono e hidrogeno.
• Su fuente de obtencion son el petroleo, madera, la hulla, etc.
• Los primeros compuestos osn gaseosos, luego liquidos y solidos.
• Insolubles en agua, solubles en disolventes organicos comoe l alcohol, eter, cloroformo, etc.
• son combustibles, cuando existe gran cantidad de aire (oxigeno) genera una combustion completa liberando siempres CO2 y H2O pero si la combustion es imcompleta (poca cantidad de aire) genera productos de CO, C y H2O C3H8 + 5O2 ------- 3CO2 + 4H2O 2C3H8 + 7 O2 ------- 6CO + 8H2O
• Formula General: CnH2n + 2 – 2d – 4t donde: n: # de carbonos d: # de enlaces dobles t: # de enlaces triples
CLASIFICACION DE LOS HIDROCARBUROS
GRUPOS O RESTOS ALQUILO
• El grupo alquilo (nombre derivado de alcano con la terminación ilo) es un grupo funcional orgánico monovalente, formado por la separación de un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo saturado o alcano, para que así pueda enlazarse a otro átomo o grupo de átomos.
• Se puede suponer que un grupo alquilo puede formarse a partir de un alcano pero estos grupos no existen por separado (en ese caso se llaman radicales alquilo), o sea, los grupos alquilo no son compuestos en sí mismos, sino partes de compuestos mayores.2 Los grupos alquilo siempre se encuentran unidos a otro átomo o grupo de átomos, como en el gráfico de la derecha.
• A pesar de ello, es interesante considerarlos como partes que se pueden separar pues esto facilita la nomenclatura de los compuestos orgánicos y la comprensión del mecanismo de cietas reacciones como la transmetilación.
•Así, si separamos un hidrógeno de un metano, CH4 , nos quedaría el grupo metilo, CH3-, pero este grupo no puede estar aislado pues en ese caso sería el radical metilo, CH3· altamente reactivo. Son muy frecuentes y aparecen como sustituyentes o unidades estructurales en muchos compuestos orgánicos.3
NOMBRES ESPECIALES DE ALGUNOS RESTOS ALQUILOS
CH3
CH3 – C –
CH3
Comun: tert-butilo IUPAC: 1’, 1’ – dimetiletil
CH3
CH3 – C – CH2 –
CH3
Comun: neopentilo IUPAC: 2’, 2’ – dimetilpropil
CH3 CH – CH2 –CH3
Comun: isobutilo IUPAC: 2’ – metilpropil
CH3 -- HC == CH – CH2 2- butenilo
CH2 ==CH -- Comun y IUPAC: etenilo
CH3
CH2 == C –
Comun: isopropenilo IUPAC: 1’ –metiletenil
ALCANOS • Formula General: CnH2n + 2, solo para alcanos lineale o no ramificados no ciclicos.• Son llamados tambien parafinas debido a que son resistentes a los reactivos.• Hibridizacion sp3 y forman enlaces sigma.
FUENTE DE LOS ALCANOS
1. Petroleo
METODO DE OBTENCION: 1.Sintesis de Wurtz: la reaccion del Na o K con 2 moleculas de un derivado monohalogenado.
CH3I CH3 + 2Na ----- 2INa + CH3I CH3
2. Metodo de Grignard: reaccion de los reactivos Grignard con hidrogenos “acidos”.Ejemplo: agua sobre un cuerpo organomagnesico.
CH3MgI + HOH → CH4 + MgIOH
Halogenuro de alquilmagnesio:
CH3CH2Br + Mg → CH3CH2MgBr Halogenuro de alquilo
MgI2, Mg(OH)2
Eter etilico anhidro
→
Ejemplo: Calentando una sal organo metalica con un hidroxido alcalino. CH3COOK + KOH -------- CO3K2+ CH4
4. Reduccion de halogenuros de alquilo:
CH3CH2CHCH2CH3 + Zn + HI → CH3CH2CH2CH2CH3 + ZnI2
4RX + LiAlH4 4RH + LiX + AlX3
Hidruros de metales alcalinos: LiH, NaBH4
RMgX + HB → RH + MgXB
X: halogeno: Cloro, bromo o yodo. Excepto fluorB: unido a un hidrogeno. Puede ser oxigeno, halogeno o nitrogeno (agua, acidos inorganicos, alcoholes, acidos organicos, fenoles, aminas primarias y otros compuestos con hidrogenos “acidos”)
0
Eter etilico anhidro
4. Reduccion catalitica de alquenos:
CH3CH2CH=CHCH3 + H2 → CH3CH2CH2CH2CH3 Catalizadores mas usados: platino finamente dividido, paladio o niquel.
Catalizador
NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS
REGLA 8: CICLOALCANOS:
EJERCICIOS
METANO
-Fue descubierto por Volta en 1778.- Llamado tambien formeno, gas grisu, gas de los pantanos. METODOS DE OBTENCION1.Sintesis de SABATIER:
CO + 3H2 ------------------------ CH4 + H2O CO2 _ 4H2 ------------------------- CH4 + 2H20
2. Descomposicion del Carburo de Aluminio mediante agua: C3Al4 + 12H2O ------- 3CH4 + 4 Al(OH)3
3. Atacando el acetato de sodio con una base fuerte: CH3-COONa + NaOH --------- CO3Na2 + CH4
NiNi
DERIVADOS:CH3Cl: clorometano o cloruro de metilo (gas), colorante.
CH2Cl2: dicloro metano (liquido)
CHCl3: tricloro metano (liquido) disolvente y anestesico (cloroformo)
CCl4: tretracloro metano (liquido) disolvente de las grasa.
CHI3: triyodo metano antiseptico (iodoformo)
CCl2F2: dicloro difluor metano (refrigerante) (Freon 12)
PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALCANOS 1.PUNTO DE EBULLICION:
- Fuerzas intermoleculares: Van der Waals, mayor fuerzas de este tipo aumenta el punto de ebullición. Hay dos agentes determinantes de la magnitud de las fuerzas de van der Waals: a. el número de electrones que rodean a la molécula, que se incrementa con la masa molecular del alcano . b. el área superficial de la molécula.
- Bajo condiciones estándar, los alcanos desde el CH4 hasta el C4H10 son gases; desde el C5H12 hasta C17H36 son líquidos; y los posteriores a C18H38 son sólidos.
- Como el punto de ebullición de los alcanos está determinado principalmente por el peso, no debería sorprender que los puntos de ebullición tengan una relación casi lineal con la masa molecular de la molécula. Como regla rápida, el punto de ebullición se incrementa entre 20 y 30 °C por cada átomo de carbono agregado a la cadena; esta regla se aplica a otras series homólogas.
- Ejemplo: dos moléculas de 2,3-dimetilbutano pueden "encajar" mutuamente mejor que las moléculas de 2,2-dimetilbutano entre sí, con lo que hay mayores fuerzas de van der Waals.
- Por otra parte, los cicloalcanos tienden a tener mayores puntos de ebullición que sus contrapartes lineales, debido a las conformaciones fijas de las moléculas, que proporcionan planos para el contacto intermolecular.
2. PUNTO DE FUSION - Tendencia similar al punto de ebullición por la misma razón que se explicó anteriormente. A molécula más grande corresponde mayor punto de fusión.
- Hay una diferencia significativa entre los puntos de fusión y los puntos de ebullición: los sólidos tienen una estructura más rígida y fija que los líquidos. Esta estructura rígida requiere energía para poder romperse durante la fusión. Entonces, las estructuras sólidas mejor construidas requerirán mayor energía para la fusión.
- Longitud impar tienen puntos de fusión ligeramente menores que los esperados, comparados con los alcanos de longitud par. Debido a que los alcanos de longitud par se empacan bien en la fase sólida, formando una estructura bien organizada, que requiere mayor energía para romperse.
- Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser mayores o menores que la de los alcanos de cadena lineal, dependiendo nuevamente de la habilidad del alcano en cuestión para empacarse bien en la fase sólida: esto es particularmente verdadero para los isoalcanos (isómeros 2-metil), que suelen tener mayores puntos de fusión que sus análogos lineales.
3. CONDUCTIVIDAD:Los alcanos son malos conductores de la electricidad y no se polarizan sustancialmente por un campo eléctrico.
4. SOLUBILIDAD EN AGUA- No forman enlaces de hidrógeno y son insolubles en solventes polares como el agua. Puesto que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas individuales de agua están apartados de una molécula de alcano, la coexistencia de un alcano y agua conduce a un incremento en el orden molecular - Se dice que los alcanos son hidrofóbicos (repelen el agua).
5. SOLUBILIDAD EN OTROS SOLVENTESSu solubilidad en solventes no polares es relativamente buena, una propiedad que se denomina lipofilicidad. Por ejemplo, los diferentes alcanos son miscibles entre sí en todas las proporciones.
6. DENSIDADLa densidad de los alcanos suele aumentar conforme aumenta el número de átomos de carbono, pero permanece inferior a la del agua. En consecuencia, los alcanos forman la capa superior en una mezcla de alcano-agua.
7. GEOMETRIA MOLECULAR: Estos orbitales, que tienen energías idénticas, están orientados espacialmente en la forma de un tetraedro, con un ángulo de cos−1(−⅓) ≈ 109.47° entre ellos.
8. LONGITUDES DE ENLACE Y ANGULOS DE ENLACE La longitud de enlace es de 1,09×10−10 m para un enlace C – H y 1,54×10−10 m para un enlace C – C
9.CONFORMACIONES -La fórmula estructural y los ángulos de enlace no suelen ser suficientes para describir la geometría de una molécula.
-Hay un grado de libertad para cada enlace carbono – carbono: el ángulo de torsión entre los átomos o grupos unidos a los átomos a cada extremo de un enlace. El arreglo espacial descrito por los ángulos de torsión de la molécula se conoce como su conformación.
-Hay dos conformaciones limitantes importantes: conformación eclipsada y conformación alternada.
-Las dos conformaciones, también conocidas como rotámeros, difieren en energía: la conformación alternada es 12,6 kJ/mol menor en energía (por tanto, más estable) que la conformación eclipsada (menos estable).
La diferencia en energía entre las dos conformaciones, conocida como la energía torsional es baja comparada con la energía térmica de una molécula de etano a temperatura ambiente. Hay rotación constante alrededor del enlace C-C. El tiempo tomado para que una molécula de etano pase de la conformación alternada a la siguiente, equivalente a la rotación de un grupo CH3 en 120° relativo a otro, es del orden de 10−11 segundos.
PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS ALCANOS
1. En general, a temperatura ambiente, los alcanos son inertes a la mayoria de los reactivos comunes (reactividad relativamente baja), porque sus enlaces de carbono son relativamente estables y no pueden ser fácilmente rotos.
Las bases fuertes, los ácidos fuertes, los agentes oxidantes como el permanganato de potasio o los agentes reductores fuertes como los hidruros, no atacan los alcanos.
Los alcanos no sufren reacciones de adición, como la hidrogenación catalítica.
2. La constante de acidez para los alcanos tiene valores inferiores a 60, en consecuencia son prácticamente inertes a los ácidos y bases. Su inercia es la fuente del término parafinas
3. Oxidación. Los alcanos arden con desprendimiento de grandes cantidades de calor.
2CH3CH3 + 7 O2 → 4CO2 + 6H2O ∆H = - 341 kcal/mol de etano
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH4 + O2 → C + 2H2O
-Los radicales libres, moléculas con un número impar de electrones y son importantes en la mayoría de reacciones de los alcanos, tales como el cracking y el reformado, donde los alcanos de cadena larga se convierten en alcanos de cadena corta, y los alcanos de cadena lineal en los isómeros ramificados, respectivamente.
- En los alcanos altamente ramificados, el ángulo de enlace puede diferir significativamente del valor óptimo (109,47°) para permitir a los diferentes grupos suficiente espacio. Esto origina una tensión en la molécula conocida como impedimento estérico, y puede aumentar sustancialmente la reactividad.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
El yodo no reacciona con los alcanos y el fluor reacciona con violencia.
Ademas del derivado monohalogenado, se obtienen derivados di, tri y poli- halogenados.
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
La halogenacion de los alcanos con 3 o mas atomos de carbono da una mezcla de alcanos monohalogenados isomeros junto con un pequenho porcentaje de derivados polihalogenados.
CH3 CH3 CH3 CH3CHCH3 + Cl2 → CH3CHCH2Cl + CH3CCH3 + PRODUCTOS POLIGALOGENADOS
Cl
Luz, calor o peroxidos
calor
4. Halogenacion: en presencia de luz, de peróxidos orgánicos o calentados a temperatura de 300 0 mas.
- Denominada reacción de halogenación radicalaria.
- La reacción es altamente exotérmica, y puede resultar en una explosión.
Estas reacciones son una importante ruta industrial para los hidrocarburos halogenados.
- Los experimentos han mostrado que toda halogenación produce una mezcla de todos los isómeros posibles, indicando que todos los átomos de hidrógeno son susceptibles de reaccionar. Sin embargo, la mezcla producida no es una mezcla estadística: los átomos de hidrógeno secundarios y terciarios son reemplazados preferentemente debido a la mayor estabilidad de los radicales secundarios y terciarios.
EJEMPLO: monobromación del propano
5. CRACKINGConsiste en romper moléculas grandes en unidades más pequeñas. Esta operación puede realizarse con un método térmico o un método catalítico. a.Cracking térmico: sigue un mecanismo de reacción homolítico con formación de radicales libres.
a.El proceso de cracking catalítico: involucra la presencia de un catalizador acido (generalmente acidos sólidos como silica-alúmina y zeolitas), que promueven la heterólisis de los enlaces, produciendo pares de iones de cargas opuestas, generalmente un carbocatión y el anión hidruro, que es muy inestable. Los radicales libres de alquilo y los carbocationes son altamente inestables En ambos tipos de procesos, los reactivos intermediarios (radicales, iones) se regeneran permanentemente, por lo que proceden por un mecanismo de autopropagación en cadena. Eventualmente, la cadena de reacciones termina en una recombinación de iones o radicales.
6. ISOMERIZACION Y REFORMADO La isomerización y reformado son procesos en los que los alcanos de cadena lineal son calentados en presencia de un catalizador de platino.a.Isomerización, los alcanos se convierten en sus isómeros de cadena ramificada. b.Reformado, los alcanos se convierten en sus formas cíclicas o en hidrocarburos aromáticos, liberando hidrógeno como subproducto. Ambos procesos elevan el índice de octano de la sustancia.
APLICACIONES DE LOS ALCANOS • El metano y el etano son los principales componentes del gas natural; pueden ser almacenados como gases bajo presión. Sin embargo, es más fácil transportarlos como líquidos: esto requiere tanto la compresión como el enfriamiento del gas.
El propano (usa en el quemador de gas propano) y el butano (encendedores descartables de cigarrillos) pueden ser líquidos a presiones moderadamente bajas y son conocidos como gases licuados del petróleo (GLP). Estos dos alcanos son usados también como propelentes en pulverizadoresQuemador de gas
propano
Butano: encendedores
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.
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.
Motor de combustion interna
Además de su uso como combustibles, los alcanos medios son buenos solventes para las sustancias no polares.
ALQUENOS- Formula general: CnH2n - Llamados tambien olefinas.- El alqueno mas sencillo es C2H4 conocido como etileno, presenta hibridizacion sp2 y el doble enlace esta formado por un enlace sigma y un enlace pi.- Los alquenos abundan en la naturaleza.
NOMENCLATURA DE LOS ALQUENOS
Los alquenos se nombran reemplazando la terminación -ano del correspondiente alcano por -eno. Los alquenos más simples son el eteno y el propeno, también llamados etileno y propileno a nivel industrial.
1. Sistema IUPAQ
2. Sistema Comun:• Frecuentemente, a los alquenos de bajo peso molecular.• El nombre comun se obtiene anadiendo la terminacion eno al nombre del grupo alquilo.
Ejemplo: eteno = etileno propeno = propileno 1-buteno = α-butileno 2-buteno = β-butileno 2-metil-1-propeno = isobutileno
•
• Dos grupos o radicales importantes y tienen nombres comunes:
Alilo: CH2=CH-CH2-
PREPARACION DE ALQUENOS:
-Todos los alquenos que son de importancia comercial se obtiene mediante el “cracking” de fracciones del petroleo.
- Tambien se obtienen por sintesis.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALQUENOS
La presencia del doble enlace modifica ligeramente las propiedades físicas de los alquenos frente a los alcanos. De ellas, la temperatura de ebullición es la que menos se modifica. La presencia del doble enlace se nota más en aspectos como la polaridad y la acidez.
1. POLARIDAD: Dependiendo de la estructura, puede aparecer un momento dipolar débil. El enlace alquilo-alquenilo está polarizado en la dirección del átomo con orbital sp2, ya que la componente s de un orbital sp2 es mayor que en un sp3 (esto podría interpretarse como la proporción de s a p en la molécula, siendo 1:2 en sp2 y 1:3 ensp3, aunque dicha idea es simplemente intuitiva). Esto es debido a que los electrones situados en orbitales híbridos con mayor componente s están más ligados al núcleo que los p, por tanto el orbital sp2 es ligeramente atrayente de electrones y aparece una polarización neta hacia él. Una vez que tenemos polaridad en el enlace neta, la geometría de la molécula debe permitir que aparezca un momento dipolar neto en la molécula, como se aprecia en la figura
2. ACIDEZ:
El carbono alquenílico tiene mayor acidez frente a los alcanos, debido también a la polaridad del enlace. Así, el etano (alcano) tiene un pKa de 50 (ó un Ka de 10-
50) frente al pKa = 44 del eteno. Este hecho se explica fácilmente considerando que, al desprenderse un electrón de la molécula, queda una carga negativa remanente que en el caso del eteno se deslocaliza más fácilmente en el enlace π y σ que en el enlace σ simple que existe en un alcano. De todas formas, su acidez es menor que la de los alcoholes o los ácidos carboxílicos.
REACCIONES
APLICACIONES DE LOS ALQUENOS
Fabricacion de gasolina con plomo super de 97 octanos y Normal de 92 octanos como aditivo antidetonante
ALQUINOS • La fórmula general de los alquinos es CnH2n-2. • El acetileno, H-CºC-H, que es el alquino más simple, , fue ampliamente usado en la industria como materia prima para la elaboración de acetaldehído, ácido acético, cloruro de vinilo y otros productos químicos, pero ahora son más comunes otros procesos más eficientes en los que se usa etileno como materia prima.• Los átomos de carbono de los alquinos tienen hibridación sp, y el triple enlace está formado por un enlace sigma (s) sp-sp y dos pi (p) p-p. • Existen relativamente pocos métodos generales para la síntesis de alquinos. • Hidridación sp. • Orbitales híbridos sp del carbono adoptan un ángulo de 180º entre sí, a lo largo de un eje perpendicular a los ejes de los dos orbitales no híbridos 2py y 2pz. Cuando dos carbonos con hibridación sp se aproximan uno a otro para enlazarse, la configuración geométrica es adecuada para que se forme un enlace s sp-sp y dos enlaces p p-p; es decir, un triple enlace. De este modo el acetileno, C2H2, es una molécula lineal con ángulos de enlace H-C-C de 180º.
NOMENCLATURA DE ALQUINOS
PROPIEDADES FISICAS
• Los alquinos tienen puntos de ebullición muy similares a los de los correspondientes alcanos y alquenos. • El etino (acetileno) es singular por el hecho de no tener punto de ebullición a presión atmosférica: sublima a -84 ºC. El propino (p.e. -23.2 ºC) y el 1-butino (p.e. 8.1 ºC) son gases, mientras que el 2-butino es prácticamente líquido (p.e. 27 ºC) a temperatura ambiente. • Los alquinos de tamaño medio son líquidos destilables. • Por analogía con los alquenos, el relativo carácter s de los orbitales híbridos del carbono de los alquinos sustituidos se traduce en la presencia de momentos dipolares, excepto en el caso en que los sustituyentes se encuentren distribuidos de forma totalmente simétrica.
REACCIONES DE LOS ALQUINOS
HIDROCARBUROS AROMATICOS
•La característica de los hidrocarburos aromáticos como el benceno, anteriormente mencionada, es la coplanaridad del anillo o la también llamada resonancia, debida a la estructura electrónica de la molécula. •Todos los derivados del benceno, siempre que se mantenga intacto el anillo, se consideran aromáticos. La aromaticidad puede incluso extenderse a sistemas policíclicos, como el naftaleno, antranceno, fenantreno y otros más complejos, incluso ciertos cationes y aniones, como el pentadienilo, que poseen el número adecuado de electrones π y que además son capaces de crear formas resonantes.
NOMENCLATURA DE HA
REACCIONES DE LOS HA
APLICACIONES