ALCANOS
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN “CULTURA Y DEPORTE” 1
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE EDUCACIÓN “CULTURA Y DEPORTE”
Coro, 04 de Julio de 2.013.
1
INTRODUCCIÓN
Para entender la vida tal como la conocemos, primero debemos entender un poco de
química orgánica. Las moléculas orgánicas contienen carbono e hidrógeno. Mientras que
muchos químicos orgánicos también contienen otros elementos, es la unión del carbono -
hidrógeno lo que los define como orgánicos. La química orgánica define la vida. Así como
hay millones de diferentes tipos de organismos vivos en este planeta, hay millones de
moléculas orgánicas diferentes, cada una con propiedades químicas y físicas diferentes. La
diversidad de químicos orgánicos tiene su origen en la versatilidad del átomo de carbono.
La química orgánica o química del carbono es la rama de la química que estudia una
clase numerosa de moléculas que contienen carbono formando enlaces covalentes carbono-
carbono o carbono-hidrógeno, también conocidos como compuestos orgánicos.
El carbono (C) aparece en la segunda hilera de la tabla periódica y tiene cuatro
electrones de enlace en su envoltura de valencia. Al igual que otros no metales, el carbono
necesita ocho electrones para completar su envoltura de valencia. Por consiguiente, el
carbono forma cuatro enlaces con otros átomos (cada enlace representa a uno de los
electrones de carbono y uno de los electrones del átomo que se enlazan). Cada valencia de
electrón participa en el enlace, por consiguiente el enlace del átomo de carbono se
distribuirá parejamente sobre la superficie del átomo.
Los químicos orgánicos toman su diversidad de muchas diferentes maneras en las
que el carbono puede enlazarse con otros átomos. Los químicos orgánicos más simples,
llamados hidrocarbonos, contienen sólo carbono y átomos de hidrógeno; el hidrocarbóno
más simple
La química inorgánica es la que se encarga del estudio integrado de la formación,
composición, estructura y reacciones químicas de los elementos y compuestos inorgánicos
es decir, los que no poseen enlaces carbono-hidrógeno, porque éstos pertenecen al campo
de la química orgánica.
2
ÍNDICE
Pág.
Química…………………………………………………………………………....... 5
Átomo
1. Definición ………………………………………………………………….. 6
2. Los científicos y el átomo…………………………………………………... 7
3. El modelo de Dalton………………………………………………………... 8
3.1. Constitución del átomo y modelos
atómicos………………………………
9
3.1.1. El modelo de Thomson………………………………………………… 10
3.1.2. El modelo de Rutherford……………………………………………… 10
3.1.3. El modelo de Bohr……………………………………………………… 11
3.1.4. Modelo Mecano - Cuántico…………………………………………… 11
Alcanos
1. Definición………………………………………………………………… 12
2. Nomenclatura……………………………………………………………… 13
3. Cicloalcanos………………………………………………………………… 14
4. Propiedades físicas………………………………………………………….. 14
5. Propiedades químicas………………………………………………………. 17
6. Reacciones………………………………………………………………….. 18
7. Ejemplos………………………………………………………………….... 20
Alquenos
1. Definición…………………………………………………………………... 22
2. Nomenclatura……………………………………………………………….. 22
3. Propiedades físicas………………………………………………………….. 24
4. Propiedades químicas………………………………………………………. 25
5. Reacciones………………………………………………………………….. 25
6. Ejemplos…………………………………………………………………… 26
Alquinos
1. Definición……………………………………………………………….… 27
2. Nomenclatura……………………………………………………………… 27
3. Propiedades físicas………………………………………………………….. 28
3
4. Propiedades químicas………………………………………………………. 28
5. Reacciones………………………………………………………………….. 29
6. Ejemplos……………………………………………………………………. 31
Cetona
1. Definición…………………………………………………………………... 32
2. Nomenclatura………………………………………………………………. 32
3. Propiedades físicas………………………………………………………… 34
4. Propiedades químicas……………………………………………………… 34
5. Reacciones………………………………………………………………….. 34
6. Ejemplos……………………………………………………………………. 35
4
QUÍMICA
La química es una ciencia experimental que utiliza unos métodos rigurosos para
resolver los problemas que les suscitan a los científicos, para lo cual se necesita tener
mucha creatividad para idear los experimentos controlados que expliquen los fenómenos
que resuelvan el problema.
Pero no solamente se necesita creatividad, sino también conocimientos teóricos del
fenómeno, formular hipótesis, experimentar para la obtención de datos reales, analizar y
discutir los datos y resultados y emitir conclusiones; es decir se debe seguir todos los
postulados del Método Científico de Investigación en Ciencia.
La investigación científica en Química, sigue dos caminos:
La investigación básica que consiste en la investigación de los materiales químicos
solamente por el conocimiento de sus propiedades y características sin importar la
aplicabilidad del conocimiento adquirido al corto plazo.
La investigación aplicada resuelve problemas específicos o crea productos con el
propósito de brindar beneficios a la humanidad. La investigación aplicada se
fundamenta en los conocimientos adquiridos en la investigación básica.
Tener conocimientos de química forma parte de la formación integral que debe
poseer todo individuo, ya que su conocimiento es aplicable en el hogar, en los cosméticos,
detergentes, insecticidas, medicinas, alimentos, etc.
5
ÁTOMO.
1. Definición .
En el siglo V antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito postuló, sin evidencia
científica, que el Universo estaba compuesto por partículas muy pequeñas e indivisibles,
que llamó "átomos".
Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la
antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más
pequeño que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término
moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en
griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy
lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.
Sin embargo, los avances científicos de este siglo han demostrado que la estructura
atómica integra a partículas más pequeñas.
Así una definición de átomo sería: El átomo es la parte más pequeña en la que se puede
obtener materia de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componen no
pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. El átomo está formado
por un núcleo, compuesto a su vez por protones y neutrones, y por una corteza que lo rodea
en la cual se encuentran los electrones, en igual número que los protones.
Protón, descubierto por Ernest Rutherford a principios del siglo XX, el protón es
una partícula elemental que constituye parte del núcleo de cualquier átomo. El número de
protones en el núcleo atómico, denominado número atómico, es el que determina las
propiedades químicas del átomo en cuestión. Los protones poseen carga eléctrica positiva y
una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones.
Neutrón, partícula elemental que constituye parte del núcleo de los átomos. Fueron
descubiertos en 1930 por dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker. La masa del
neutrón es ligeramente superior a la del protón, pero el número de neutrones en el núcleo
no determina las propiedades químicas del átomo, aunque sí su estabilidad frente a posibles
6
procesos nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad). Los neutrones carecen de
carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo, desintegrándose para dar
un protón, un electrón y un antineutrino.
Electrón, partícula elemental que constituye parte de cualquier átomo, descubierta
en 1897 por J. J. Thomson. Los electrones de un átomo giran en torno a su núcleo,
formando la denominada corteza electrónica. La masa del electrón es 1836 veces menor
que la del protón y tiene carga opuesta, es decir, negativa. En condiciones normales un
átomo tiene el mismo número de protones que electrones, lo que convierte a los átomos en
entidades eléctricamente neutras. Si un átomo capta o pierde electrones, se convierte en un
ion.
2. Los científicos y el átomo.
Ernest Rutherford, científico nacido en Nueva Zelandia, demostró en 1911 la
existencia del núcleo atómico, complementando el conocimiento del electrón, descubierto
en 1897 por J.J. Thompson. Desde entonces, múltiples experiencias han demostrado que el
núcleo está compuesto por partículas más pequeñas, los protones y neutrones. Y en 1963,
Murray Gell-Mann postuló que protones y neutrones están compuestos por partículas aún
más pequeñas, a las que llamó "quarks".
La experiencia de Rutherford fue crucial en la determinación de la estructura
atómica. Los párrafos que siguen son un extracto de su propia comunicación (1911):
"Es un hecho bien conocido que las partículas alfa y beta sufren desviaciones de
sus trayectorias rectilíneas a causa de las interacciones con los átomos de la materia.
Parece indudable que estas partículas de movimiento veloz pasan en su recorrido a
través de los átomos, y las desviaciones observadas son debidas al campo eléctrico dentro
del sistema atómico.
Las observaciones de Geiger y Mardsen sobre la dispersión de partículas alfa,
indican que algunas de estas partículas deben de experimentar en un solo encuentro
desviaciones superiores a un ángulo recto.
7
Un cálculo simple demuestra que el átomo debe de ser asiento de un intenso campo
eléctrico para que se produzca una gran desviación en una colisión simple..."
En aquella época Thomson había elaborado un modelo de átomo consistente en un
cierto número N de corpúsculos cargados negativamente, acompañados de una cantidad
igual de electricidad positiva distribuida uniformemente en toda una esfera. Rutherford
pone a prueba este modelo y sugiere el actual modelo de átomo.
"La teoría de Thomson está basada en la hipótesis de que la dispersión debida a un
simple choque atómico es pequeña y que la estructura supuesta para el átomo no admite
una desviación muy grande de una partícula alfa que incida sobre el mismo, a menos que
se suponga que el diámetro de la esfera de electricidad positiva es pequeño en
comparación con el diámetro de influencia del átomo.
Puesto que las partículas alfa y beta atraviesan el átomo, un estudio riguroso de la
naturaleza de la desviación debe proporcionar cierta luz sobre la constitución del átomo,
capaz de producir los efectos observados. En efecto, la dispersión de partículas cargadas
de alta velocidad por los átomos de la materia constituyen uno de los métodos más
prometedores de ataque del problema.."
En la simulación de la experiencia de Rutherford, consideramos una muestra de un
determinado material a elegir entre varios y la situamos en el centro de un conjunto de
detectores dispuestos a su alrededor. El blanco es bombardeado por partículas alfa de cierta
energía producidas por un material radioactivo. Se observa que muy pocas partículas son
desviadas un ángulo apreciable, y se producen muy raramente sucesos en los que la
partícula alfa retrocede.
3. El modelo de Dalton.
En 1803 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la
constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes
grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por unidades
fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se
8
constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en
proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando el hecho de
que los átomos eran partículas indivisibles.
Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se
componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el
electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio
Nobel de Física en 1906. Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus
trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en
órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas
alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un
denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.
El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad
de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911. El
experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una
plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las
partículas , se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.
3.1. Constitución del átomo y modelos atómicos
La descripción básica de la constitución atómica, reconoce la existencia de
partículas con carga eléctrica negativa, llamados electrones, los cuales giran en diversas
órbitas (niveles de energía) alrededor de un núcleo central con carga eléctrica positiva. El
átomo en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente
neutro.
El núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que
no poseen carga eléctrica.
El tamaño de los núcleos atómicos para los diversos elementos están comprendidos
entre una cienmilésima y una diezmilésima del tamaño del átomo.
9
La cantidad de protones y de electrones presentes en cada átomo es la misma. Esta
cantidad recibe el nombre de número atómico, y se designa por la letra "Z". A la cantidad
total de protones más neutrones presentes en un núcleo atómico se le llama número másico
y se designa por la letra "A".
Si bien hoy en día todas las características anteriores de la constitución atómica son
bastante conocidas y aceptadas, a través de la historia han surgido diversos modelos que
han intentado dar respuesta sobre la estructura del átomo.
Algunos de tales modelos son los siguientes:
3.1.1. El Modelo de Thomson.
Thomson sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del
electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los
electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro.
Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos
hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos
llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.
3.1.2. El Modelo de Rutherford.
Basado en los resultados de su trabajo que demostró la existencia del núcleo
atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un
núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del
núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga
eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí,
provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.
El modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los
electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón terminaría
describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo,
este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando
10
el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como el padre
de la era nuclear.
3.1.3. El Modelo de Bohr.
El físico danés Niels Bohr ( Premio Nobel de Física 1922), postula que los
electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los electrones se
disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía.
El electrón puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber"
energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita la
energía absorbida (por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha
perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear.
3.1.4. Modelo Mecano - Cuántico.
Se inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el Premio
Nobel de Física en 1929. Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad de
movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un
comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades
elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es difícil conocer en forma simultánea
su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrar un
electrón en cierto momento y en una región dada en el átomo, denominando a tales regiones
como niveles de energía. La idea principal del postulado se conoce con el nombre de
Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
11
ALCANOS
1. Definición.
Los alcanos son hidrocarburos, es decir, que tienen solo átomos de carbono e
hidrógeno. La fórmula general para alcanos alifáticos (de cadena lineal) es CnH2n+2,1 y para
cicloalcanos es CnH2n.2 También reciben el nombre de hidrocarburos saturados.
Los alcanos son compuestos formados solo por átomos de carbono e hidrógeno, no
presentan funcionalización alguna, es decir, sin la presencia de grupos funcionales como el
carbonilo (-CO), carboxilo (-COOH), amida (-CON=), etc. La relación C/H es de CnH2n+2
siendo n el número de átomos de carbono de la molécula, (como se verá después esto es
válido para alcanos de cadena lineal y cadena ramificada pero no para alcanos cíclicos).
Esto hace que su reactividad sea muy reducida en comparación con otros compuestos
orgánicos, y es la causa de su nombre no sistemático: parafinas (del latín, poca afinidad).
Todos los enlaces dentro de las moléculas de alcano son de tipo simple o sigma, es decir,
covalentes por compartición de un par de electrones en un orbital s, por lo cual la estructura
de un alcano sería de la forma:
Fórmula general de los alcanos
donde cada línea representa un enlace covalente. El alcano más sencillo es el metano con
un solo átomo de carbono. Otros alcanos conocidos son el etano, propano y el butano con
dos, tres y cuatro átomos de carbono respectivamente. A partir de cinco carbonos, los
nombres se derivan de numerales griegos: pentano, hexano, heptano.
12
2. Nomenclatura.
La nomenclatura IUPAC (forma sistemática de denominar a los compuestos) para
los alcanos es el punto de partida para todo el sistema de nomenclatura. Se basa en
identificar a las cadenas hidrocarbonadas. Las cadenas de hidrocarburos saturados lineales
son nombradas sistemáticamente con un prefijo numérico griego que denota el número de
átomos de carbono, y el sufijo "-ano".
Los 4 primeros reciben los nombres de metano, etano, propano y butano. Los
alcanos se obtienen mayoritariamente del petróleo, ya sea directamente o mediante cracking
o pirólisis, esto es, rotura térmica de moléculas mayores. Son los productos base para la
obtención de otros compuestos orgánicos. Estos son algunos ejemplos de alcanos:
C NOMBRE FÓRMULA MODELO1 Metano CH4
2 Etano C2H6
3 Propano C3H8
4 n-Butano C4H10
5 n-Pentano C5H12
6 n-Hexano C6H14
7 n-Heptano C7H16
8 n-Octano C8H18
C NOMBRE FÓRMULA MODELO
13
9 n-Nonano C9H20
10 n-Decano C10H22
11 n-Undecano
C11H24
12 n-Dodecano
C12H26
3. Cicloalcanos.
Los alcanos cíclicos o cicloalcanos son, como su nombre indica hidrocarburos
alcanos de cadena cíclica. En ellos la relación C/H es CnH2n. Sus características físicas son
similares a las de los alcanos no cíclicos, pero sus características químicas difieren
sensiblemente, especialmente aquellos de cadena más corta, de estos siendo más similares a
las de los alquinos.
4. Propiedades físicas.
4.1. Punto de ebullición
Los alcanos experimentan fuerzas intermoleculares de van der Waals y al
presentarse mayores fuerzas de este tipo aumenta el punto de ebullición, además los alcanos
se caracterizan por tener enlaces simples.5
Hay dos agentes determinantes de la magnitud de las fuerzas de van der Waals:
El número de electrones que rodean a la molécula, que se incrementa con la masa
molecular del alcano
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
14
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.5
Un alcano de cadena lineal tendrá un mayor punto de ebullición que un alcano de
cadena ramificada, debido a la mayor área de la superficie de contacto, con lo que hay
mayores fuerzas de van der Waals, entre moléculas adyacentes. Por ejemplo, compárese el
isobutano y el n-butano, que hierven a -12 y 0 °C, y el 2,2-dimetilbutano y 2,3-
dimetilbutano que hierven a 50 y 58 °C, respectivamente.5 En el último caso, 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.[cita requerida]
4.2. Punto de fusión
El punto de fusión de los alcanos sigue una tendencia similar al punto de ebullición
por la misma razón que se explicó anteriormente. Esto es, (si todas las demás características
se mantienen iguales), 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. Para los alcanos, esto puede verse en el
gráfico anterior. Los alcanos de longitud impar tienen puntos de fusión ligeramente
menores que los esperados, comparados con los alcanos de longitud par. Esto es 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 alcanos de longitud impar
se empacan con menor eficiencia, con lo que el empaquetamiento más desordenado
requiere menos energía para romperse.12
15
Los puntos de fusión de los alcanos de cadena ramificada pueden ser mayores o
menores que la de los alquenos
4.3. Conductividad
Los alcanos son malos conductores de la electricidad y no se polarizan
sustancialmente por un campo eléctrico.
4.4. 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 (reducción de entropía). Como no hay enlaces
significativos entre las moléculas de agua y las moléculas de alcano, la segunda ley de la
termodinámica sugiere que esta reducción en la entropía se minimizaría al minimizar el
contacto entre el alcano y el agua: se dice que los alcanos son hidrofóbicos (repelen el
agua).
4.5. Solubilidad en otros solventes
Su 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 demás proporciones.
4.6. Densidad
La 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.
16
5. Propiedades químicas
En general, los alcanos muestran una reactividad relativamente baja, porque sus
enlaces de carbono son relativamente estables y no pueden ser fácilmente rotos. A
diferencia de muchos otros compuestos orgánicos, no tienen grupo funcional.
Solo reaccionan muy pobremente con sustancias iónicas o polares. 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 (que significa
"falto de afinidad"). En el petróleo crudo, las moléculas de alcanos permanecen
químicamente sin cambios por millones de años.
Sin embargo, es posible reacciones redox de los alcanos, en particular con el
oxígeno y los halógenos, puesto que los átomos de carbono están en una condición
fuertemente reducida; en el caso del metano, se alcanza el menor estado de oxidación
posible para el carbono (-4). La reacción con el oxígeno conduce a la combustión sin humo;
con los halógenos, a la reacción de sustitución. Además, los alcanos interactúan con, y se
unen a, ciertos complejos de metales de transición (ver: activación del enlace carbono-
hidrógeno).
Los radicales libres, moléculas con un número impar de electrones, juegan un papel
importante 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.
17
6. Reacciones
6.1. Reacciones con oxígeno
Todos los alcanos reaccionan con oxígeno en una reacción de combustión, si bien se
torna más difícil de inflamar al aumentar el número de átomos de carbono. La ecuación
general para la combustión completa es:
CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 → (n+1)H2O + nCO2
En ausencia de oxígeno suficiente, puede formarse monóxido de carbono o
inclusive negro de humo, como se muestra a continuación:
CnH(2n+2) + ½ nO2 → (n+1)H2 + nCO
por ejemplo metano:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH4 + O2 → CO + 2H2O
El cambio de entalpía estándar de combustión, ΔcHo, para los alcanos se incrementa
aproximadamente en 650 kJ/mol por cada grupo CH2 en una serie homóloga. Los alcanos
de cadena ramificada tienen menores valores de ΔcHo que los alcanos de cadena lineal del
mismo número de átomos de carbono, por lo que pueden ser vistos como algo más estables.
6.2. Reacciones con halógenos
Los alcanos reaccionan con halógenos en la denominada reacción de halogenación
radicalaria. Los átomos de hidrógeno del alcano son reemplazados progresivamente por
átomos de halógeno. Los radicales libres son las especies que participan en la reacción, que
generalmente conduce a una mezcla de productos. La reacción es altamente exotérmica, y
puede resultar en una explosión.
Estas reacciones son una importante ruta industrial para los hidrocarburos
halogenados.
18
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. Un ejemplo puede verse en la
monobromación del propano:5
6.3. Cracking
El cracking rompe moléculas grandes en unidades más pequeñas. Esta operación
puede realizarse con un método térmico o un método catalítico. El proceso de cracking
térmico sigue un mecanismo de reacción homolítico con formación de radicales libres. El
proceso de cracking catalítico involucra la presencia de un catalizador ácido (generalmente
ácidos sólidos como silica-alúmina y zeolitas), que promueven la heterólisis (ruptura
asimétrica) 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, y sufren
procesos de reordenamiento de la cadena, y la escisión del enlace C-C en la posición beta,
además de transferencias de hidrógeno o hidruro intramolecular y extramolecular. 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.
6.4. Isomerización 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. En la isomerización, los alcanos se
19
convierten en sus isómeros de cadena ramificada. En el 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.
6.5. Otras reacciones
Los alcanos reaccionan con vapor en presencia de un catalizador de níquel para
producir hidrógeno. Los alcanos pueden ser clorosulfonados y nitrados, aunque ambas
reacciones requieren condiciones especiales. La fermentación de los alcanos a ácidos
carboxílicos es de importancia técnica. En la reacción de Reed, el dióxido de azufre y cloro
convierten a los hidrocarburos en cloruros de sulfonilo, en un proceso inducido por luz.
7. Ejemplos
7.1. Ejemplo 1:
Cadena principal: propano (por tener tres átomos de carbono en la cadena principal)
Radicales: 3-metil (El número tres "3" es la posición en la cual se encuentra el radical)
Nombre: 3-metil-propano
7.2. Ejemplo 2:
20
Cadena principal: decano (por tener 10 átomos de carbono en la cadena principal)
Radicales: 4,6- dimetil
4-propil
Nombre: 4,6-dimetil-4-propil-decano.
21
ALQUENOS
1. Definición.
Los alquenos son hidrocarburos insaturados que tienen uno o varios dobles enlaces
carbono-carbono en su molécula. Se puede decir que un alqueno no es más que un alcano
que ha perdido dos átomos de hidrógeno produciendo como resultado un enlace doble entre
dos carbonos. Los alquenos cíclicos reciben el nombre de cicloalquenos.
Antiguamente se les conocía como olefinas dadas las propiedades que presentaban
sus representantes más simples, principalmente el eteno, para reaccionar con halógenos y
producir óleos.
El alqueno más simple de todos es el eteno.
2. Nomenclatura.
La fórmula general de un alqueno de cadena abierta con un sólo doble enlace es
CnH2n. Por cada doble enlace adicional habrá dos átomos de hidrógeno menos de los
indicados en esta fórmula.
2.1. Nombres tradicionales
Al igual que ocurre con otros compuestos orgánicos, algunos alquenos se conocen todavía
por sus nombres no sistemáticos, en cuyo caso se sustituye la terminación -eno sistemática
por -ileno, como es el caso del eteno que en ocasiones se llama etileno, o propeno por
propileno.
22
2.2. Nomenclatura sistemática (IUPAC)
Nombrar al hidrocarburo principal: Se ha de encontrar la cadena carbonada más
larga que contenga el enlace doble, no necesariamente la de mayor tamaño,
colocando los localizadores que tengan el menor número en los enlaces dobles,
numerando los átomos de carbono en la cadena comenzando en el extremo más
cercano al enlace doble. NOTA: Si al enumerar de izquierda a derecha como de
derecha a izquierda, los localizadores de las insaturaciones son iguales, se busca que
los dobles enlaces tenga menor posición o localizador más bajo.
Si la cadena principal tiene sustituyentes iguales en el mismo átomo de carbono
separando por comas los números localizadores que se repiten en el átomo, estos se
separan por un guion de los prefijos: Di, Tri, Tetra, etc. Respectivamente al número
de veces que se repita el sustituyente.
Los sustituyentes se escriben de acuerdo al orden alfabético con su respectivo
localizador.
Si en la cadena principal existen varios sustituyentes ramificados iguales se coloca
el número localizador en la cadena principal separando por un guion, y se escribe el
prefijo correspondiente al número de veces que se repita con los prefijos: Bis, Tris,
Tetraquis, Pentaquis, etc. Seguido de un paréntesis dentro de cual se nombra al
sustituyente complejo con la terminación –IL
Realizado todo lo anterior con relación a los sustituyentes, se coloca el número de
localizador del doble enlace en la cadena principal separada de un guion, seguido
del nombre de acuerdo al número de átomos de carbono reemplazando la
terminación -ano por el sufijo -eno.
Si se presentan más de un enlace doble, se nombra indicando la posición de cada
uno de los dobles enlaces con su respectivo número localizador, se escribe la raíz
del nombre del alqueno del cual proviene, seguido de un prefijo de cantidad: di, tri,
tetra, etc. y utilizando el sufijo -eno. Ej:-dieno, -trieno y así sucesivamente.
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3. Propiedades físicas.
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.
3.1. 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 en sp3, 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 inferior.
'La primera molécula' es cis y tenemos un momento dipolar neto, pero la segunda
trans, pese a tener dos enlaces ligeramente polarizados el momento dipolar neto es nulo al
anularse ambos momentos dipolares.
3.2. 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
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alcano. De todas formas, su acidez el menor que la de los alcoholes o los ácidos
carboxílicos.
4. Propiedades químicas.
Los alquenos son mucho más reactivos que los alcanos. Esto se debe a la presencia
de la doble ligadura que permite las reacciones de adición. Las reacciones de adición son
las que se presentan cuando se rompe la doble ligadura, este evento permite que se
adicionen átomos de otras sustancias.
5. Reacciones.
Los alquenos son más reactivos que los alcanos. Sus reacciones características son
las de adición de otras moléculas, como haluros de hidrógeno, hidrógeno y halógenos.
También sufren reacciones de polimerización, muy importantes industrialmente.
5.1. Hidrohalogenación: se refiere a la reacción con haluros de hidrógeno formando
alcanos halogenados del modo CH3-CH2=CH2 + HX → CH3CHXCH3. Por
ejemplo, halogenación con el ácido HBr:
Estas reacciones deben seguir la Regla de Markownikoff de enlaces dobles.
1. Hidrogenación: se refiere a la hidrogenación catalítica (usando Pt, Pd, o Ni)
formando alcanos del modo CH2=CH2 + H2 → CH3CH3.
2. Halogenación: se refiere a la reacción con halógenos (representados por la X) del
modo CH2=CH2 + X2 → XCH2CH2X. Por ejemplo, halogenación con bromo:
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3. Polimerización: Forman polímeros del modo n CH2=CH2 → (-CH2-CH2-)n
polímero, (polietileno en este caso).
6. Ejemplos.
6.1. Ejemplo 1.
6.2. Ejemplo 2.
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ALQUINOS
1. Definición.
Los alquinos son hidrocarburos alifáticos con al menos un triple enlace -C≡C- entre
dos átomos de carbono. Se trata de compuestos metaestables debido a la alta energía del
triple enlace carbono-carbono. Su fórmula general es CnH2n-2.
2. Nomenclatura.
Para que den nombre a los hidrocarburos del tipo alquino se siguen ciertas reglas
similares a las de los alquenos.
Se toma como cadena principal la cadena continua más larga que contenga el o los
triples enlaces.
La cadena se numera de forma que los átomos del carbono del triple enlace tengan
los números más bajos posibles.
Dicha cadena principal a uno de los átomos de carbono del enlace triple. Dicho
número se sitúa antes de la terminación -ino. Ej.: CH3-CH2-CH2-CH2-C≡C-CH3,
hept-2-ino.
Si hay varios triples enlaces, se indica con los prefijos di, tri, tetra... Ej.: octa-
1,3,5,7-tetraino, CH≡C-C≡C-C≡C-C≡CH.
Si existen dobles y triples enlaces, se da el número más bajo al doble enlace. Ej.:
pent-2-en-4-ino, CH3-CH=CH-C≡CH
Los sustituyentes tales como átomos de halógeno o grupos alquilo se indican
mediante su nombre y un número, de la misma forma que para el caso de los
alcanos. Ej.: 3-cloropropino, CH≡C-CH2Cl; 2,5-dimetilhex-3-ino, CH3-C(CH3)-
C≡C-C(CH3)-CH3.
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Nomenclatura de alquinos
CH CH etino(acetileno)
CH3–C CH propino
CH3–CH2–C CH 1-butino
CH3-C C-CH3 2-butino
CH C- etinilo
CH C-CH2– 2-propinilo
CH3–C C- 1-propinino
CH3–CH2–CH2–C CH 1-pentino
3. Propiedades físicas
Son insolubles en agua, pero bastante solubles en disolventes orgánicos usuales y de
baja polaridad: ligroína, éter, benceno, tetracloruro de carbono. Son menos densos que el
agua y sus puntos de ebullición muestran el aumento usual con el incremento del número
de carbonos y el efecto habitual de ramificación de las cadenas. Los puntos de ebullición
son casi los mismos que para los alcanos o alquenos con el mismo esqueleto carbonado.
Los tres primeros términos son gases; los demás son líquidos o sólidos. A medida
que aumenta el peso molecular aumentan la densidad, el punto de fusión y el punto de
ebullición.
Los acetilenos son compuestos de baja polaridad, por lo cual sus propiedades físicas
son muy semejantes a la de los alquenos y alcanos.
4. Propiedades químicas.
Como sabemos aquellos compuestos orgánicos que solo tienen carbono e hidrogeno
en su composición se denominan hidrocarburs. Los alcanos pertenecen a este grupo de
compuestos, es decir son hidrocarburos.
Bajo el término de alquinos se encuentran aquellos hidrocarburos alifáticos no saturados que
tienen un enlace triple en la molécula. La fórmula empírica general de los alquinos es
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CH2H2n-2. Se conocen también como acetilenos, al ser el gas acetileno (HC≡CH), el más simple de
los alquinos. La molécula del acetileno es lineal, igualmente son lineales aquellas moléculas producto de las
sustitución, R-C≡C-R, por tal motivo la existencia de isómeros cos y trans no es posible.
5. Reacciones.
Las reacciones más frecuentes son las de adición: de hidrógeno, halógeno, agua, etc.
En estas reacciones se rompe el triple enlace y se forman enlaces de menor polaridad:
dobles o sencillos.
Las reacciones más frecuentes son las de adición: de hidrógeno, halógeno, agua, etc.
En estas reacciones se rompe el triple enlace y se forman enlaces de menor polaridad:
dobles o sencillos.
Hidrogenación en presencia de un catalizador: cis.
5.1. Hidrogenación de alquinos
Los alquinos pueden ser hidrogenados para dar los correspondientes cis-alquenos
(doble enlace) tratándolos con hidrógeno en presencia de un catalizador de paladio sobre
sulfato de bario o sobre carbonato de calcio (catalizador Lindlar) parcialmente envenenado
con óxido de plomo. Si se utiliza paladio sobre carbón activo el producto obtenido suele ser
el alcano correspondiente (enlace sencillo).
CH≡CH + H2 → CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3
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Aunque la densidad de electrones y con esto de carga negativa en el triple enlace es
elevada pueden ser atacados por nucleófilos. La razón se encuentra en la relativa estabilidad
del anión de vinilo formado.
Frente al sodio o el litio en amoníaco líquido, se hidrogena produciendo trans-
alquenos.
CH3-C≡C-CH3 + 2 Na + 2 NH3 → CH3-CH=CH-CH3 (trans) + 2 NaNHH2
5.2. Halogenación, hidrohalogenación e hidratación de alquinos.
Así como les ocurre a los alquenos, los alquinos participan en otras reacciones de
adición:
5.2.1. Halogenación
Dependiendo de las condiciones y de la cantidad añadida de halógeno (flúor, F2;
cloro, Cl2; bromo, Br2...), se puede obtener derivados halogenados del alqueno o del alcano
correspondiente.
HC≡CH + Br2 → HCBr=CHBr
HC≡CH + 2 Br2 → HCBr2-CHBr2
5.2.2. Hidrohalogenación, hidratación, etc.
El triple enlace también puede adicionar halogenuros de hidrógeno, agua, alcohol,
etc., con formación de enlaces dobles o sencillos. En general se sigue la regla de
Markovnikov.
HC≡CH + H-X → CH2=CHX donde X = F, Cl, Br...
HC≡CH + H2O → CHOH=CH2
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5.3. Acidez del hidrógeno terminal
En algunas reacciones (frente a bases fuertes, como amiduro de sodio Na-NH2 en
amoniaco NH3) actúan como ácidos débiles pues el hidrógeno terminal presenta cierta
acidez. Se forman acetiluros (base conjugada del alquino)que son buenos nucleófilos y dan
mecanismos de sustitución nucleófila con los reactivos adecuados. Esto permite obtener
otros alquinos de cadena más larga.
HC≡CH + Na-NH2 → HC≡C:- Na+
HC≡C:- Na+ + Br-CH3 → HC≡C-CH3 + NaBr
En este caso el acetiluro de sodio formado ha reaccionado con bromometano con
formación de propino.
6. Ejercicios.
6.1. Ejercicio 1.
4,4-dimetil-1-pentino
6.2. Ejercicio 2.
4,4-dimetil-2-hexino
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CETONA
1. Definición.
Una cetona es un compuesto orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional
carbonilo unido a dos átomos de carbono, a diferencia de un aldehído, en donde el grupo
carbonilo se encuentra unido al menos a un átomo de hidrógeno.1 Cuando el grupo
funcional carbonilo es el de mayor relevancia en dicho compuesto orgánico, las cetonas se
nombran agregando el sufijo -ona al hidrocarburo del cual provienen (hexano, hexanona;
heptano, heptanona; etc). También se puede nombrar posponiendo cetona a los radicales a
los cuales está unido (por ejemplo: metilfenil cetona). Cuando el grupo carbonilo no es el
grupo prioritario, se utiliza el prefijo oxo- (ejemplo: 2-oxopropanal).
El grupo funcional carbonilo consiste en un átomo de carbono unido con un doble
enlace covalente a un átomo de oxígeno.
El tener dos radicales orgánicos unidos al grupo carbonilo, es lo que lo diferencia de
los ácidos carboxílicos, aldehídos, ésteres. El doble enlace con el oxígeno, es lo que lo
diferencia de los alcoholes y éteres. Las cetonas suelen ser menos reactivas que los
aldehídos dado que los grupos alquílicos actúan como dadores de electrones por efecto
inductivo.
2. Nomenclatura.
2.1. Nomenclatura sustitutiva
En la nomenclatura de cetonas para nombrarlas se toma en cuenta el número de
átomos de carbono y se cambia la terminación por ONA, indicando el carbono que lleva el
grupo carbonilo (CO). Además se debe tomar como cadena principal la de mayor longitud
que contenga el grupo carbonilo y luego se enumera de tal manera que éste tome el
localizador más bajo.
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2.2. Nomenclatura radicofuncional
Otro tipo de nomenclatura para las cetonas, consiste en nombrar las cadenas como
sustituyentes, ordenándolas alfabéticamente, se nombran los radicales y se aumenta la
palabra CETONA. Si los dos radicales son iguales es una cetona simétrica, y si los
radicales son diferentes es una cetona asimétrica.
2.3. Nomenclatura en casos especiales
En los casos en los que existen dos o más grupos carbonilos en una misma cadena,
se puede usar la nomenclatura sustitutiva. En esta nomenclatura si existen dos o más grupos
CO aumentamos los prefijos (di, tri, tetra, etc.), antes de la terminación -ona.
Así como en la nomenclatura sustitutiva, también en la nomenclatura radico
funcional, si exísten dos o más grupos CO en una misma cadena se nombra normalmente
los radicales y se antepone el prefijo (di, tri, tetra, etc) a la palabra cetona.
Para algunos compuestos en los que el grupo carbonilo CO se encuentra
directamente unido a un anillo bencénico o naftalénico se puede utilizar las nomenclaturas
ya antes nombradas y también este otro tipo de nomenclatura que consiste en indicar los
grupos:
CH3-CO-
CH3-CH2-CO-
CH3-CH2-CH2-CO- , etc
mediante los nombres aceto, propio, butiro, etc. y agregarles la terminación fenona o
naftona.
2.4. Nomenclatura de cetonas que actúan como radicales dentro de la cadena
La nomenclatura ya antes nombrada se toma para casos considerados en que la
función cetona tiene prioridad, pero cuando la cetona no es el grupo funcional principal, si
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no que hay otra función u otras funciones con mayor preferencia se emplea esta
nomenclatura: Para indicar al grupo CO se emplea el prefijo OXO.
3. Propiedades físicas
Los compuestos carbonílicos presentan puntos de ebullición más bajos que los
alcoholes de su mismo peso molecular. No hay grandes diferencias entre los puntos de
ebullición de aldehídos y cetonas de igual peso molecular. Los compuestos carbonílicos de
cadena corta son solubles en agua y a medida que aumenta la longitud de la cadena
disminuye la solubilidad.
4. Propiedades químicas
Al hallarse el grupo carbonilo en un carbono secundario son menos reactivas que los
aldehídos. Sólo pueden ser oxidadas por oxidantes fuertes como el permanganato de
potasio, dando como productos dos ácidos con menor número de átomos de carbono. Por
reducción dan alcoholes secundarios. No reaccionan con el reactivo de Tollens para dar el
espejo de plata como los aldehídos, lo que se utiliza para diferenciarlos. Tampoco
reaccionan con los reactivos de Fehling y Schiff.
5. Reacciones.
Las reacciones de los aldehídos y cetonas son esencialmente de tres tipos; adición
nucleofílica, oxidación y reducción.
Adición nucleofílica: Debido a la resonancia del grupo carbonilo la reacción más
importante de aldehídos y cetonas es la reacción de adición nucleofílica cuyo mecanismo es
el siguiente:
Siguen este esquema la reacción con hidruros ( NaBH4, LiAlH4 ) donde Nu- = H- y
la reacción con organometálicos (RMgLi, RLi) donde Nu- = R-.
Adición nucleofílica de alcoholes.
Adición de amina primaria.
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Adición de Hidroxilamina.
Adición de hidracinas.
Adición de Ácido Cianhídrico.
Ejemplos de reacciones de cetonas son la reacción de Grignard, la reacción de
Reformatski, Transposición de Baker-Venkataraman.
Las cetonas se pueden oxidar para formar ésteres en la Oxidación de Baeyer-
Villiger. Las cetonas que poseen hidrógenos en posición α al grupo carbonilo dan también
reacciones de condensación mediante un mecanismo en el que una base fuerte sustrae un
hidrógeno α de la cetona generando un enolato, el cual (en su forma carbaniónica) actúa
como nucleófilo sobre el grupo carbonilo de otra molécula de la misma cetona o de otro
compuesto carbonílico (otra cetona, aldehído, éster, etcétera). Luego de la adición
nucleofílica del carbanión al grupo carbonilo se genera un aldol mediante la acidificación
del medio, el cual puede deshidratarse por calentamiento de la mezcla de reacción,
obteniéndose un compuesto carbonílico α,ß-insaturado. Cabe aclarar que no siempre es
necesaria la acidificación del medio de reacción y que en muchas reacciones de
condensación se obtiene el producto deshidratado de manera espontánea (esto depende de
la estabilidad relativa de los posibles productos de la condensación).
El carbonilo de las cetonas puede reaccionar con alquenos en cicloadiciones [2 + 2]
para formar oxetanos (Reacción de Paterno-Büchi).
6. Ejercicios.
6.1. Ejercicio 1.
35
6.2. Ejercicio 2.
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