Hidrocarburos 1

Un hidrocarburo es un compuesto orgánico binario formado exclusivamente por átomos de carbono e hidrógeno. Su fórmula general se representa como:

$$C_xH_y$$

Pueden ser gases, líquidos o sólidos a temperatura ambiente, dependiendo del tamaño y de la forma de sus moléculas. Por ejemplo, el metano $CH_4$ es un gas; la gasolina es una mezcla líquida de hidrocarburos; la parafina y el betún son sólidos.

La principal fuente natural de los hidrocarburos es el petróleo, acompañado por el gas natural y, en menor medida, por el alquitrán de hulla. En el Perú, una de las reservas más importantes de gas natural es el yacimiento Camisea, ubicado en la selva de Cusco.

Los hidrocarburos se caracterizan por ser compuestos covalentes, poco solubles en agua, menos densos que ella y buenos combustibles. Su combustión libera gran cantidad de energía, por lo que se usan como fuentes de calor y de trabajo.

Atendiendo a la estructura de la cadena carbonada y a la presencia o ausencia de enlaces múltiples, los hidrocarburos se clasifican en dos grandes grupos:

También se puede clasificar según el grado de saturación:

• Hidrocarburos saturados: solo contienen enlaces simples carbono–carbono. Pertenecen a este grupo los alcanos y los cicloalcanos.
• Hidrocarburos insaturados: contienen al menos un enlace doble o triple. Pertenecen a este grupo los alquenos, alquinos, cicloalquenos, etc.

Esta clasificación es clave porque determina las reacciones características. Los alcanos reaccionan principalmente por sustitución; los alquenos y alquinos, en cambio, reaccionan por adición al enlace múltiple.

3.1 Estructura y enlace

Los alcanos son hidrocarburos acíclicos saturados: todos sus carbonos están unidos únicamente mediante enlaces simples $C-C$ y $C-H$. Como cada carbono está unido a cuatro átomos mediante enlaces sigma, su hibridación es $sp^3$ y su geometría local es tetraédrica.

La fórmula general de un alcano no cíclico es:

$$C_nH_{2n+2}$$

Por ejemplo, para $n = 4$, la fórmula es $C_4H_{10}$, que corresponde al butano.

Los alcanos de cadena lineal se nombran con un prefijo que indica el número de carbonos seguido de la terminación -ano. Los principales prefijos son:

3.2 Grupos alquilo o radicales alquilo

Cuando un alcano pierde un átomo de hidrógeno, se forma un grupo alquilo, que ya no es una molécula estable sino un sustituyente que aparece unido a una cadena principal. Se nombran cambiando la terminación -ano por -il o -ilo.

Los grupos alquilo más importantes son:

En un alcano ramificado, los grupos alquilo constituyen las ramificaciones o sustituyentes.

3.3 Nomenclatura de alcanos ramificados

Para nombrar un alcano ramificado se siguen cuatro pasos:

1. Encontrar la cadena principal: la secuencia continua más larga de átomos de carbono. El nombre base será el del alcano correspondiente a esa cadena.
2. Identificar los sustituyentes: cada grupo unido a la cadena principal se nombra como grupo alquilo.
3. Numerar la cadena principal de manera que los sustituyentes reciban los localizadores más bajos posibles. Si hay empate, se aplica el menor localizador al sustituyente que va primero en orden alfabético.
4. Escribir el nombre completo: se nombran primero los sustituyentes en orden alfabético, cada uno con su localizador; se usan prefijos di-, tri-, tetra- para indicar repetición; y finalmente se escribe el nombre del alcano base.

Ejemplo:

$$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-CH_3$$

La cadena principal tiene cinco carbonos: pentano. Hay un grupo metilo en el carbono 2. El nombre es 2-metilpentano.

Si hay varios sustituyentes, se ordenan alfabéticamente sin considerar los prefijos de cantidad di-, tri-:

$$CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_2CH_3)-CH_2-CH_3$$

Cadena principal: cinco carbonos. Sustituyentes: un metilo en el carbono 2 y un etilo en el carbono 3. El nombre es 3-etil-2-metilpentano (e antes que m).

3.4 Propiedades y reacciones de los alcanos

Los alcanos son poco reactivos a temperatura ambiente, pero participan en dos reacciones muy importantes:

• Combustión: reaccionan con oxígeno liberando energía.
• Halogenación: un hidrógeno puede ser reemplazado por un halógeno (cloro, bromo) mediante una reacción de sustitución.

La reacción más característica desde el punto de vista energético es la combustión.

4.1 Estructura, hibridación y enlace

Un alqueno es un hidrocarburo insaturado que contiene al menos un enlace doble carbono–carbono $C=C$. Los dos carbonos que forman el doble enlace tienen hibridación $sp^2$. Cada uno forma tres enlaces sigma y un enlace pi. La geometría alrededor de cada carbono $sp^2$ es trigonal plana, con ángulos de $120^\circ$.

El enlace doble está conformado por:

$$\text{1 enlace } \sigma + \text{1 enlace } \pi$$

El enlace pi es más débil que el enlace sigma y, por ello, los alquenos son más reactivos que los alcanos: el enlace pi puede romperse y dar lugar a reacciones de adición.

La fórmula general de un alqueno acíclico con un solo doble enlace es:

$$C_nH_{2n}$$

Ejemplo: eteno $C_2H_4$, propeno $C_3H_6$, buteno $C_4H_8$.

4.2 Nomenclatura de alquenos

Las reglas son similares a las de los alcanos, con dos diferencias:

1. La terminación es -eno.
2. La numeración de la cadena principal debe asignar el menor localizador posible al enlace doble. El enlace doble tiene prioridad sobre los sustituyentes para elegir la numeración.

El localizador del doble enlace se escribe antes del nombre base:

$$CH_2=CH-CH_2-CH_3$$

Cadena de cuatro carbonos: buteno. El doble enlace empieza en el carbono 1. Nombre: but-1-eno.

Si hay más de un doble enlace, se usan los prefijos di-, tri-, etc., y la terminación -dieno, -trieno, etc.:

$$CH_2=CH-CH=CH_2$$

Nombre: buta-1,3-dieno.

4.3 Reacciones de adición de los alquenos

La reacción típica de un alqueno es la adición: el enlace pi se rompe y dos átomos o grupos se agregan a los carbonos del doble enlace.

Un caso muy importante para el examen es la hidrogenación:

$$CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3-CH_3$$

Cada mol de doble enlace requiere un mol de moléculas de hidrógeno, $H_2$, para saturarse. Hay que recordar que un mol de $H_2$ contiene dos moles de átomos de hidrógeno.

5.1 Estructura e hibridación

Un alquino es un hidrocarburo insaturado que contiene al menos un enlace triple carbono–carbono $C \equiv C$. Los dos carbonos del triple enlace tienen hibridación $sp$, geometría lineal y ángulos de $180^\circ$.

El enlace triple está formado por:

$$\text{1 enlace } \sigma + \text{2 enlaces } \pi$$

La fórmula general de un alquino acíclico con un solo triple enlace es:

$$C_nH_{2n-2}$$

El alquino más sencillo es el etino o acetileno:

$$CH \equiv CH \quad \text{cuya fórmula es } C_2H_2$$

El etino tiene la molécula lineal: los dos carbonos unidos por triple enlace y cada uno unido a un hidrógeno.

En los alquinos, la presencia de dos enlaces pi en el triple enlace hace que puedan adicionar dos moles de moléculas de hidrógeno o de halógeno por cada triple enlace.

5.2 Nomenclatura de alquinos

La terminación característica es -ino. La cadena principal debe contener el triple enlace y se numera dándole el menor localizador posible al triple enlace.

Ejemplo:

$$CH_3-C \equiv C-CH_2-CH_3$$

Cadena de cinco carbonos con triple enlace entre el carbono 2 y el 3. El localizador más bajo para el triple enlace es 2. Nombre: pent-2-ino.

Si hay varios triples enlaces, se usan los prefijos di-, tri- y la terminación -diino, -triino.

5.3 Alqueninos: cuando hay dobles y triples enlaces

Si una molécula contiene a la vez enlaces dobles y triples, se nombra con las terminaciones -en-ino o -enino, y se asigna la numeración que dé los localizadores más bajos a los enlaces múltiples como conjunto. En caso de empate, el doble enlace recibe el menor localizador.

Los hidrocarburos alifáticos también pueden formar cadenas cerradas o anillos. Estos compuestos se denominan cíclicos y se subdividen en cicloalcanos, cicloalquenos y cicloalquinos.

6.1 Cicloalcanos

Un cicloalcano es un hidrocarburo saturado formado por un anillo de carbonos unidos solo por enlaces simples. Se nombran anteponiendo el prefijo ciclo- al nombre del alcano de igual número de carbonos.

La fórmula general de un cicloalcano no sustituido es:

$$C_nH_{2n}$$

Por ejemplo, el ciclohexano es $C_6H_{12}$. La pérdida de dos hidrógenos respecto al hexano $C_6H_{14}$ se debe a que los dos extremos de la cadena se unen para cerrar el anillo.

Cuando un cicloalcano lleva sustituyentes, la nomenclatura sigue las mismas reglas: se numera el anillo para dar los localizadores más bajos a los sustituyentes. Si solo hay un sustituyente, no es necesario indicar el localizador 1.

Ejemplo: un anillo de seis carbonos con un grupo etilo se llama etilciclohexano.

6.2 Cicloalquenos y cicloalquinos

Si el anillo contiene un doble enlace, se trata de un cicloalqueno. Se nombran con el prefijo ciclo- y la terminación -eno. La numeración del anillo comienza por uno de los carbonos del doble enlace.

Ejemplo: un anillo de cinco carbonos con un doble enlace entre el carbono 1 y el 2 y un metilo en el carbono 3 se llama 3-metilciclopenteno.

Los cicloalquinos son menos comunes, pero siguen un patrón análogo con la terminación -ino.

Junto a los hidrocarburos alifáticos, existe otra gran familia: los hidrocarburos aromáticos. Su representante más sencillo es el benceno, cuya fórmula molecular es:

$$C_6H_6$$

El benceno es un anillo de seis carbonos con enlaces que no se comportan como simples o dobles fijos, sino que presentan resonancia: los seis electrones pi están deslocalizados por todo el anillo. Por eso, al benceno se le representa mediante un círculo dentro de un hexágono o mediante dos estructuras resonantes equivalentes.

La regla de Hückel exige $4n+2$ electrones pi deslocalizados para que un anillo sea aromático. El benceno, con 6 electrones pi, cumple esta condición.

Un aromático de dos anillos fusionados es el naftaleno, $C_{10}H_8$, usado como repelente de polillas. Presenta dos estructuras resonantes y en total diez electrones pi deslocalizados. Para contar los electrones pi en un compuesto insaturado, cada enlace doble aporta dos electrones pi. En el naftaleno hay cinco enlaces dobles en cada estructura resonante; por lo tanto, hay $5 \times 2 = 10$ electrones pi.

Los polienos conjugados, como el betacaroteno, también contienen numerosos enlaces dobles alternados con enlaces simples. En estos sistemas, los electrones pi se deslocalizan a lo largo de la cadena, lo que origina color. Para contar los electrones pi se cuentan los enlaces dobles y se multiplican por dos.

Una de las propiedades más importantes de los hidrocarburos es su capacidad de arder en presencia de oxígeno. La combustión puede ser completa o incompleta.

8.1 Combustión completa

En la combustión completa, el hidrocarburo reacciona con suficiente oxígeno y los productos son siempre:

$$CO_2 + H_2O$$

La ecuación general de combustión completa de un hidrocarburo $C_xH_y$ es:

$$C_xH_y + \left( x + \frac{y}{4} \right) O_2 \rightarrow x\,CO_2 + \frac{y}{2}\,H_2O$$

Ejemplo con etino:

$$2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$$

En la combustión, el hidrocarburo se oxida; por lo tanto, actúa como agente reductor, mientras que el oxígeno es el agente oxidante.

8.2 Combustión incompleta

Si el oxígeno es insuficiente, la combustión es incompleta y puede producir monóxido de carbono $CO$ o carbono elemental $C$, además de agua:

$$CH_4 + \frac{3}{2}O_2 \rightarrow CO + 2H_2O$$

o bien:

$$CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O$$

La combustión incompleta es indeseable porque libera menos energía y produce monóxido de carbono, un gas tóxico.

Los alquenos y alquinos, al poseer enlaces pi, reaccionan principalmente por adición. La molécula insaturada adiciona átomos o moléculas sobre los carbonos del enlace múltiple, y el enlace pi se rompe.

La hidrogenación es un caso particular muy evaluado. Consiste en adicionar hidrógeno molecular $H_2$ para transformar un enlace doble o triple en enlace simple.

• Un mol de doble enlace adiciona 1 mol de $H_2$.
• Un mol de triple enlace adiciona 2 moles de $H_2$.

Ejemplo con eteno:

$$CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3-CH_3$$

Ejemplo con etino:

$$CH \equiv CH + 2H_2 \rightarrow CH_3-CH_3$$

En el segundo caso, como se trata de un mol de etino, se requieren dos moles de $H_2$. Dado que cada molécula de $H_2$ tiene dos átomos de hidrógeno, se requieren cuatro moles de átomos de hidrógeno.

En los problemas de cantidad de sustancia, recuerda usar el número de Avogadro:

$$N_A = 6{,}022 \times 10^{23} \text{ partículas/mol}$$

Si se hidrogenan 10 moles de un compuesto con un doble enlace, se necesitan 10 moles de $H_2$, que equivalen a 20 moles de átomos de hidrógeno, es decir, $20 \times 6{,}022 \times 10^{23} \approx 1{,}2 \times 10^{25}$ átomos de hidrógeno.

Otras reacciones de adición importantes son:

• Halogenación: adición de $Cl_2$ o $Br_2$ al doble o triple enlace.
• Hidrohalogenación: adición de $HCl$, $HBr$ o $HI$.
• Hidratación: adición de agua en medio ácido.

Todas siguen el mismo principio: el enlace pi se rompe y se forman nuevos enlaces sigma.