A pesar de que los alcanos son inactivos, son capaces de liberar grandes cantidades de energía cuando interactúan con halógenos u otros radicales libres. Los alcanos y las reacciones con ellos se utilizan constantemente en muchas industrias.
Datos sobre los alcanos
Los alcanos ocupan un lugar importante en la química orgánica. La fórmula de los alcanos en química es C H2n+2. A diferencia de los aromáticos, que tienen un anillo de benceno, los alcanos se consideran alifáticos (acíclicos).
En la molécula de cualquier alcano, todos los elementos están conectados por un enlace simple. Por lo tanto, este grupo de sustancias tiene la terminación "-an". En consecuencia, los alquenos tienen un doble enlace y los alquinos tienen un triple enlace. Los alcodienos, por ejemplo, tienen dos dobles enlaces.
Los alcanos son hidrocarburos saturados. Es decir, contienen el número máximo de átomos de H (hidrógeno). Todos los átomos de carbono en un alcano están en la posición sp3 – hibridación. Esto significa que la molécula de alcano se construye de acuerdo con la regla tetraédrica. La molécula de metano (CH4) se asemeja a un tetraedro,y los alcanos restantes tienen una estructura en zigzag.
Todos los átomos de C en los alcanos están conectados mediante enlaces ơ (enlaces sigma). Los enlaces C–C no son polares, los enlaces C–H son débilmente polares.
Propiedades de los alcanos
Como se mencionó anteriormente, el grupo alcano tiene poca actividad. Los enlaces entre dos átomos de C y entre los átomos de C y H son fuertes, por lo que son difíciles de destruir por influencias externas. Todos los enlaces en los alcanos son enlaces ơ, por lo que si se rompen, generalmente se forman radicales.
Halogenación de alcanos
Debido a las propiedades especiales de los enlaces de los átomos, los alcanos son inherentes a las reacciones de sustitución y descomposición. En las reacciones de sustitución en los alcanos, los átomos de hidrógeno reemplazan a otros átomos o moléculas. Los alcanos reaccionan bien con los halógenos, sustancias que se encuentran en el grupo 17 de la tabla periódica de Mendeleev. Los halógenos son flúor (F), bromo (Br), cloro (Cl), yodo (I), astato (At) y tennessina (Ts). Los halógenos son agentes oxidantes muy fuertes. Reaccionan con casi todas las sustancias de la tabla de D. I. Mendeleev.
Reacciones de cloración de alcanos
En la práctica, el bromo y el cloro suelen participar en la halogenación de los alcanos. El flúor es un elemento demasiado activo, con él la reacción será explosiva. El yodo es débil, por lo que la reacción de sustitución no lo acompañará. Y el astato es muy raro en la naturaleza, por lo que es difícil recolectar suficiente para los experimentos.
Pasos de halogenación
Todos los alcanos pasan por tres etapas de halogenación:
- El origen de la cadena o iniciación. Bajo influenciala luz del sol, el calor o la radiación ultravioleta, la molécula de cloro Cl2 se descompone en dos radicales libres. Cada uno tiene un electrón desapareado en la capa exterior.
- Desarrollo o crecimiento de la cadena. Los radicales interactúan con las moléculas de metano.
- La terminación de la cadena es la parte final de la halogenación de alcanos. Todos los radicales comienzan a combinarse entre sí y finalmente desaparecen por completo.
Brominación de alcanos
Al halogenar alcanos superiores después del etano, la dificultad es la formación de isómeros. Se pueden formar diferentes isómeros a partir de una sustancia bajo la acción de la luz solar. Esto sucede como resultado de una reacción de sustitución. Esta es una prueba de que cualquier átomo de H en el alcano puede sustituirse por un radical libre durante la halogenación. Un alcano complejo se descompone en dos sustancias, cuyo porcentaje puede variar mucho según las condiciones de reacción.
Brominación de propano (2-bromopropano). En la reacción de halogenación de propano con una molécula de Br2 bajo la influencia de altas temperaturas y luz solar, se libera 1-bromopropano - 3 % y 2-bromopropano - 97 %.
Bromación del butano. Cuando se broma el butano bajo la acción de la luz y las altas temperaturas, sale un 2% de 1-bromobutano y un 98% de 2-bromobutano.
La diferencia entre cloración y bromación de alcanos
La cloración se usa más comúnmente en la industria. Por ejemplo, para la producción de disolventes que contengan una mezcla de isómeros. Al recibir el haloalcanodifíciles de separar unos de otros, pero en el mercado la mezcla es más económica que el producto puro. En los laboratorios, la bromación es más común. El bromo es más débil que el cloro. Tiene baja reactividad, por lo que los átomos de bromo tienen una alta selectividad. Esto significa que durante la reacción, los átomos "escogen" qué átomo de hidrógeno reemplazar.
La naturaleza de la reacción de cloración
Al clorar alcanos, se forman isómeros en cantidades aproximadamente iguales en su fracción de masa. Por ejemplo, la cloración del propano con un catalizador en forma de aumento de la temperatura a 454 grados nos da 2-cloropropano y 1-cloropropano en una proporción del 25% y 75%, respectivamente. Si la reacción de halogenación tiene lugar únicamente con la ayuda de radiación ultravioleta, se obtiene un 43% de 1-cloropropano y un 57% de 2-cloropropano. Dependiendo de las condiciones de reacción, la proporción de los isómeros obtenidos puede variar.
La naturaleza de la reacción de bromación
Como resultado de las reacciones de bromación de los alcanos, se libera fácilmente una sustancia casi pura. Por ejemplo, 1-bromopropano - 3%, 2-bromopropano - 97% de la molécula de n-propano. Por lo tanto, la bromación se usa a menudo en los laboratorios para sintetizar una sustancia específica.
Sulfatación de alcanos
Los alcanos también se sulfonan por el mecanismo de sustitución de radicales. Para que ocurra la reacción, el oxígeno y el óxido de azufre SO2 (anhídrido sulfuroso) actúan simultáneamente sobre el alcano. Como resultado de la reacción, el alcano se convierte en un ácido sulfónico de alquilo. Ejemplo de sulfonación de butano:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Fórmula general para la sulfoxidación de alcanos:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfocloración de alcanos
En el caso de la sulfocloración, en lugar de oxígeno, se utiliza cloro como agente oxidante. De esta forma se obtienen cloruros alcanosulfónicos. La reacción de sulfocloración es común a todos los hidrocarburos. Ocurre a temperatura ambiente y luz solar. Los peróxidos orgánicos también se utilizan como catalizadores. Tal reacción afecta solo a los enlaces primarios y secundarios relacionados con los átomos de carbono e hidrógeno. La materia no llega a los átomos terciarios, ya que la cadena de reacción se rompe.
Reacción de Konovalov
La reacción de nitración, como la reacción de halogenación de los alcanos, procede según el mecanismo de los radicales libres. La reacción se lleva a cabo usando ácido nítrico (HNO3) altamente diluido (10 - 20%). Mecanismo de reacción: como resultado de la reacción, los alcanos forman una mezcla de compuestos. Para catalizar la reacción se utiliza un aumento de temperatura hasta 140⁰ y presión ambiente normal o elevada. Durante la nitración se destruyen los enlaces C-C y no solo C-H, a diferencia de las reacciones de sustitución anteriores. Esto significa que se está produciendo el agrietamiento. Esa es la reacción de división.
Reacciones de oxidación y combustión
Los alcanos también se oxidan según el tipo de radical libre. Para las parafinas, existen tres tipos de procesamiento mediante una reacción oxidativa.
- En fase gaseosa. Asi queobtener aldehídos y alcoholes inferiores.
- En fase líquida. Utilice la oxidación térmica con la adición de ácido bórico. Con este método se obtienen alcoholes superiores desde С10 hasta С20.
- En fase líquida. Los alcanos se oxidan para sintetizar ácidos carboxílicos.
En el proceso de oxidación, el radical libre O2 reemplaza total o parcialmente al componente de hidrógeno. La oxidación completa es combustión.
Los alcanos de buena combustión se utilizan como combustible para centrales térmicas y motores de combustión interna. Los alcanos ardientes producen mucha energía térmica. Los alcanos complejos se colocan en motores de combustión interna. La interacción con el oxígeno en los alcanos simples puede provocar una explosión. El asf alto, la parafina y diversos lubricantes para la industria se fabrican a partir de productos de desecho resultantes de reacciones con alcanos.
