GinaMed
Cursuri - Chimie - 3. Alcani

3. Alcani

Cuprins:

3.1. Definiție și serie omoloagă
3.2. Denumirea alcanilor
3.3. Izomeria alcanilor
3.4. Denumirea alcanilor cu catenă ramificată
3.5. Structura alcanilor
3.6. Proprietăți fizice
3.7. Proprietăți chimice
3.8. Acțiunea alcanilor asupra mediului și asupra oamenilor

3.1. Definiție și serie omoloagă

Alcanii sunt hidrocarburi aciclice saturate.

Formula generală: CnH2n+2

Moleculele alcanilor conțin doar legături simple de tip σ (sigma) care se stabilesc între carbon-carbon și carbon-hidrogen.

Seria omoloagă a alcanilor are ca punct de plecare formula lor generală (CnH2n+2), în care „n” ia valori întregi și succesive, de la 1, 2, 3, etc.

3.2. Denumirea alcanilor

În seria omoloagă a alcanilor, primii 4 termeni prezintă denumiri specifice, uzuale care prezintă terminația (sufixul) „-an”. Primul termen este metanul, urmat de etan, propan, butan.

Formulele și denumirea primilor 4 alcani cu formulele moleculare și denumirile alcanilor C5-C11; C20:

n Formula moleculară Formula de proiecție Formula de structură plană Denumire
1 CH4
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
CH4 metan
2 C2H6
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
CH3–CH3 etan
3 C3H8
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
CH3–CH2–CH3 propan
4 C4H10
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
CH3–CH2–CH2–CH3 sau 
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
butan
5 C5H12 pentan
6 C6H14 hexan
7 C7H16 heptan
8 C8H18 octan
9 C9H20 nonan
10 C10H22 decan
11 C11H24 undecan
20 C20H42 eicosan
Formula Lewis a metanului Formula de proiecție a metanului
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Pentru denumirea compușilor organici, se aplică regulile stabilite de IUPAC (Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată).

Cel de-al cincilea termen din seria omoloagă a alcanilor este primul a cărui denumire de compune din adăugarea sufixului „-an” la cuvântul grecesc care indica numărul de atomi de carbon din moleculă. De exemplu: pentan, hexan, heptan, etc.

Diferența de omologie (rație de omolog) se numește gruparea –CH2– care face diferența între fiecare substanță din seria omoloagă a alcanilor și cea precedentă sau de următoarea.

Completare: De exemplu, omologul superior al pentanului este hexanul, iar omologul inferior este butanul.

3.3. Izomeria alcanilor

Introducere

Substanțele care prezintă aceeași formulă moleculară, însă diferă prin structura lor și implicit prin proprietățile lor, poartă numele de izomeri.

Alcanii care au formula moleculară C4H10 sunt izomeri (substanțe izomere). N-butan cu catenă liniară și izobutan sau i-butan cu catenă ramificată.
n-butan i-butan
C4H10 C4H10
CH3–CH2–CH2–CH3
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Alcanii se diferențiază în funcție de tipul catenei în:

  • alcani cu catene liniare – denumiți uzual, normal alcani sau n-alcani;
  • alcani cu catene ramificate – denumiți izoalcani sau i-alcani.

Substanțele izomere care se diferențiază doar prin modul de aranjare a atomilor de carbon în catene liniare sau ramificate, poartă numele de izomeri de catenă. De exemplu, n-butan și izobutanul sunt izomeri de catenă.

În seria alcanilor, concomitent cu creșterea numărului de atomi de carbon, crește și numărul izomerilor de catenă care corespund aceleiași formule moleculare.

Numărul de izomeri de catenă care corespund alcanilor cu C4-C7 și C10:

Formula moleculară Nr. de izomeri de catenă
C4H10 2
C5H12 3
C6H14 5
C7H16 9
C10H22 75

Denumirea izoalcanilor

Pentru denumirea corectă a alcanilor cu catenă ramificată trebuie să se țină cont de următoarele:

  • respectarea unor reguli generale impuse de IUPAC;
  • cunoașterea numelor catenelor care reprezintă ramificațiile legate de catena de bază. Ramificațiile catenei de bază poartă numele radicalilor hidrocarbonați (radicali de hidrocarbură) corespunzători.

Radicalul hidrocarbonat sau radicalul de hidrocarbură rezultă, în mod formal, prin îndepărtarea unuia sau a mai multor atomi de hidrogen (H) dintr-o hidrocarbură.

Denumirea radicalilor hidrocarbonați proveniți de la alcani se realizează prin înlocuirea sufixului „-an” din numele alcanului, cu sufixul corespunzător numărului de atomi de H (hidrogen) îndepărtați de la atomul de C (carbon).

Astfel, prin îndepărtarea:

  • unui atom de hidrogen, sufixul „-an” din denumirea alcanului este înlocuit cu sufixul „-il”, rezultând radicali monovalenți, care mai poartă numele de radicali alchil.
  • a 2 atomi de hidrogen, sufixul „-an” din denumirea alcanului este înlocuit cu sufixul „-iliden” sau „ilen”, rezultând radicali divalenți alchiliden sau alchilen.
  • a 3 atomi de hidrogen, sufixul „-an” din denumirea alcanului este înlocuit cu sufixul „-ilidin” sau „-in”, rezultând radicali trivalenți alchilidin sau alchin.

Radicalii hidrocarbonați care provin de la metan:

Metan Metil Metiliden (metilen) Metilidin (metin)
CH4
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.1 Obținerea formală a radicalilor de la alcani și denumirea lor.

3.4. Denumirea alcanilor cu catenă ramificată

Pentru denumirea alcanilor cu catenă ramificată se respectă următoarele reguli:

1. Se stabilește care este cea mai lungă catenă de atomi de carbon, aceasta considerându-se a fi catena de bază.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Prima este alegerea corectă pentru că cea mai lungă catenă prezintă 7 atomi, față de a doua situație în care catena cea mai lungă este formată din 6 atomi de carbon.

Observație: În cazul în care există două catene cu număr identic de atomi de carbon, catena de bază va fi cea care prezintă cele mai multe ramificații.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

În ambele cazuri catena cea mai lungă este alcătuită din 6 atomi de carbon, însă în primul exemplu se consideră a fi alegerea corectă pentru că prezintă 3 ramificații, față de două, cum se întâlnesc în cel de-al doilea exemplu.

2. După identificarea catenei de bază, se numerotează atomii de carbon din alcătuirea acesteia, folosind cifre arabe. Aceste cifre constituie indicii de poziții ale ramificațiilor catenei. Numerotarea se poate începe de la o extremitate sau alta a catenei. Varianta corectă însă, este cea în care suma indicilor de poziție a tuturor ramificațiilor este minimă (cea mai mică).

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

În primul exemplu, suma indicilor de poziție a ramificațiilor este 9 (adică 2+3+4), față de cel de-al doilea exemplu unde suma este 12 (adică, 3+4+5). Deci alegerea primul exemplu este corect.

3. În completarea numelui alcanului care corespunde catenei de bază, se adaugă numele ramificațiilor (radicalilor), în ordine alfabetică, indicând:

  • prin cifre arabe pozițiile ramificațiilor (radicalilor);
  • prin prefixele: di-, tri-, tetra-, penta-, etc, multiplicitatea lor pe catenă. Ordinea alfabetică a ramificațiilor nu este modificată de prefixe.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Denumirea corectă este cea de „3-etil-2,4-dimetilhexan” (primul exemplu), nu „2,4-dimetil-3-etilhexan” (al doilea exemplu).

În unele cazuri, sunt hidrocarburi care pe lângă denumirile IUPAC mai prezintă și denumiri uzuale. Astfel:

  • pentru alcanii care prezintă o grupă metil la cel de-al doilea atom de carbon al catenei de bază, se recurge la folosirea prefixului „izo-„ adăugat la numele n-alcanului izomer, în locul lui n:
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
  • pentru alcanii care prezintă două grupe metil la cel de-al doilea atom de carbon al catenei de bază, se recurge la folosirea prefixului „neo-„ adăugat la numele n-alcanului izomer, în locul lui n:
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Structura grupelor de atomi cărora le corespund prefixe folosite în denumirea alcanilor care le conțin:

neo izo
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

3.5. Structura alcanilor

În tabelul periodic, atomul de carbon este un element care se află în grupa 14 (IV A) și perioada a 2-a. Configurația electronică a unui atom de carbon este: 1s2 2s2 2p2. Aceasta este totodată și starea fundamentală a atomului de carbon.
a. Starea fundamentală a atomului de carbon; b. Starea de valență a atomului de carbon (E - nivelul de energie).
Figura 3.2 a. Starea fundamentală a atomului de carbon; b. Starea de valență a atomului de carbon (E - nivelul de energie).

Se observă că atomul de carbon prezintă pe ultimul strat 4 electroni, distribuiți astfel:

  • 2 în orbitali de tip s și au spin opus;
  • 2 în orbitali de tip p și au spin paralel.

În cazul în care atomul de carbon ar participa la formarea de legături chimice doar cu cei 2 orbitali de tip p, atunci carbonul ar avea valența 2 în compușii săi. Însă, în realitate, în toți compușii săi organici, atomul de carbon are valența 4.

Cu scopul de a forma legături chimice stabile, atomul de carbon trece din starea fundamentală în starea de valență. Această trecere are loc prin combinarea orbitalilor de tip s și p din stratul 2 al stării fundamentale și formarea unor noi orbitali. Acești noi orbitali prezintă toți geometrie și energie identice, dar care diferă complet de cele ale orbitalilor s și p.

Dacă se combină 1 orbital de tip s cu 3 orbitali de tip p, rezultă 4 orbitali cu aceeași geometrie și energie, care poartă numele de orbitali sp3. Fiecare dintre acești orbitali sp3, care este orientat după una dintre cele 3 axe de coordonate, este ocupat de câte un electron. Un atom de carbon aflat în această stare de valență prezintă geometrie tetraedrică. Astfel, împreună cu hidrogenul formează un compus cu formula CH4 (metanul), în care fiecare atom de hidrogen este legat de atomul de carbon printr-o legătură simplă σ.
a. Geometria atomului de carbon în starea de valență; b. Geometria tetraedrică a atomului de carbon în stare de valență; c. Geometria metanului (bilele de culoare gri reprezintă atomii de hidrogen).
Figura 3.3 a. Geometria atomului de carbon în starea de valență; b. Geometria tetraedrică a atomului de carbon în stare de valență; c. Geometria metanului (bilele de culoare gri reprezintă atomii de hidrogen).
Primul termen din seria alcanilor, metanul (CH4), este alcătuit dintr-un singur atom de carbon și 4 atomi de hidrogen. Geometria metanului urmează orientarea unui tetraedru regulat. În molecula metanului, lungimea dintre atomul de carbon și un atom de hidrogen este de 1,094 Å. Valențele atomului de carbon sunt orientate în spațiu după vârfurile unui tetraedru regulat, iar unghiul dintre două valențe este de 109°28’.

Toți alcanii prezintă legături simple σ care se stabilesc între doi atomi de carbon, dar și între atomii de carbon și hidrogen. Lungimea legăturii simple C–C este de 1,54 Å, cu posibilitatea efectuării unei rotații în jurul acestei legături (pentru că unghiul dintre două valențe este de 109°28’).

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.4 Lungimea legăturii sigma C-C în alcani (1,54 Å), precum și valoarea unghiului dintre două valențe (109°28’).

Alcanii care prezintă catene mai mari de 3 atomi de carbon prezintă o structură în formă de zig-zag dată de orientarea tetraedrică a valențelor atomilor de carbon.

Imaginea moleculei de pentan la care se remarcă structura în zig-zag.
Figura 3.5 Imaginea moleculei de pentan la care se remarcă structura în zig-zag.

3.6. Proprietăți fizice

Starea de agregare

În condiții standard caracterizate prin temperatura de 25°C și presiunea = 1 atm, primii 4 alcani (metan, etan, propan, butan) și neopentanul sunt gaze. Începând cu termenii mijlocii, incluzând și C17, prezintă stare de agregare lichidă, iar alcanii superiori sunt solizi.

Punctele de fierbere și de topire

Punctele de fierbere și de topire ale normal alcanilor variază în funcție de:

  • numărul de atomi de carbon din moleculă sau
  • valoarea masei molare.

Astfel, punctele de fierbere și de topire cresc proporțional cu creșterea numărului de atomi de carbon din moleculă. Totodată, creșterea punctelor de fierbere este mai constantă (mai uniformă), comparativ cu creșterea punctelor de topire, dependent de creșterea numărului de atomi de carbon din moleculă.

Variația temperaturilor de fierbere și de topire raportată la numărul atomilor de carbon din moleculă.
Figura 3.6 Variația temperaturilor de fierbere și de topire raportată la numărul atomilor de carbon din moleculă.

În ceea ce privește izoalcanii, aceștia prezintă puncte de fierbere mai scăzute comparativ cu normal-alcanii cu același număr de atomi de carbon.

Pentru alcanii care prezintă același număr de atomi de carbon, izomerul cu catena cea mai ramificată prezintă punctul de fierbere cel mai scăzut. Deci, odată cu creșterea ramificației catenei, punctul de fierbere scade. De exemplu, n-pentan are punctul de fierbere de 36,1°C, izo-pentan de 27,8°C, iar neo-pentan de 9,4°C.

Valorile punctelor de fierbere ale unor alcani:

Nume Structură Valoare punct de fierbere
N-octan
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
127,7°C
N-pentan
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
36,1°C
Izo-pentan
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
27,8°C
Neo-pentan
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
9,4°C
2,2,3,3-tetrametilbutan
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
106,3°C

Solubilitate și densitate

ACTIVITATE EXPERIMENTALĂ

Mod de lucru: În 3 eprubete se pun câte aproximativ 3 cm3 de vaselină. Vaselina reprezintă un amestec de alcani superiori. În fiecare eprubetă se toarnă câte unul din lichidele următoare: apă, benzină și tetraclorură de carbon.

Observații: În urma activității experimentale se observă că vaselina plutește deasupra apei pentru că nu se dizolvă în apă și prezintă o densitate mai scăzută decât a apei. Vaselina se dizolvă în benzină și în tetraclorură de carbon.

Astfel, alcanii au molecule nepolare și se dizolvă în solvenți nepolari, care la rândul lor au molecule nepolare. Exemple de solvenți nepolari: benzină, tetraclorură de carbon.

Apa este un solvent polar, iar alcanii nu se dizolvă în apă.

Alcanii solizi plutesc pe apă, iar cei lichizi stau la suprafața apei, pentru că au o densitate mai mică decât a apei.

Variația densității alcanilor în funcție de numărul de atomi de carbon din moleculă.
Figura 3.7 Variația densității alcanilor în funcție de numărul de atomi de carbon din moleculă.

Completare: Densitatea alcanilor crește odată cu creșterea numărului de atomi de carbon din moleculă, însă valoarea rămâne tot inferioară apei.

Miros

Alcanii inferiori sunt inodori, iar alcanii superiori prezintă un miros caracteristic. Totuși, pentru a putea identifica scurgerile de gaz din conducte sau din butelii, la amestecul gazos format din alcani se adaugă compuși organici care conțin sulf în moleculă, care poartă numele de mercaptani. Aceștia se caracterizează printr-un miros neplăcut și pot fi identificați cu ușurință în cazul unor fisuri ale recipientelor transportoare.

3.7. Proprietăți chimice

Alcanii mai poartă numele de parafine, de la parum affinis care înseamnă lipsă de afinitate. Această denumire indică nereactivitatea alcanilor la temperaturi scăzute.

Moleculele alcanilor prezintă doar legături covalente simple Carbon – Carbon și Carbon – Hidrogen, ceea ce le conferă acestora o mare stabilitate chimică. Astfel, sunt necesare condiții energice care să favorizeze ruperea legăturilor σ C–C sau C–H din molecula alcanului, permițând acestuia să reacționeze.

În cursul reacției chimice la care sunt supuși alcanii, anumite legături se scindează și în funcție de tipul lor, se pot atribui proprietăți chimice ale alcanilor, precum și tipul de reacții chimice la care aceștia participă. Astfel:

  • reacții care duc la scindarea legăturii C–C: cracarea, izomerizarea, arderea;
  • reacții care duc la scindarea legăturii C–H: substituția, dehidrogenarea, oxidarea.

Reacția de substituție

Reacția de substituție este o reacție chimică ce caracterizează substanțele organice care conțin legături simple σ în moleculă. În cadrul unei reacții de substituție, unul sau mai mulți atomi de hidrogen sunt înlocuiți (substituiți) cu unul sau mai mulți atomi sau grupe de atomi.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.8 Ecuația generală a reacției de substituție.

Reacția de halogenare

Reacția de halogenare a alcanilor presupune înlocuirea unor atomi de hidrogen din molecula unui alcan cu atomi de halogen, X2 (unde X poate fi Cl, Br, I), rezultând derivați halogenați.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.9 Reacția de halogenare (care este un tip de reacție de substituție). Reacția se desfășoară în condiții diferite, dependent de natura halogenului.  

Alcanii reacționează direct cu clorul și bromul, în următoarele condiții:

  • la lumină (fotochimic, lumină solară, lumina unui bec puternic, lumina ultravioletă) sau
  • la întuneric și temperaturi ridicate (încălzire termică la 300 – 400°C, 300 – 600°C). 
Reacția de clorurare fotochimică a alcanilor se desfășoară sub acțiunea radiației luminoase (hν), în urma căreia rezultă întotdeauna un amestec de mono- și poli-cloroalcani.

Clorurarea fotochimică a metanului duce la formarea unui amestec de derivați clorurați:

  • clorometan (clorură de metil)
  • diclorometan (clorură de metilen)
  • triclorometan (clorură de metin, cloroform)
  • tetraclorometan (tetraclorură de carbon)
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Spre deosebire de reacția de clorurare, fluorurarea și iodurarea alcanilor au loc în mod indirect.

Pentru alcanii care prezinta atomi de hidrogen echivalenți între ei, prin reacția de halogenare va rezulta un singur compus monohalogenat.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.10 Reacția de clorurare a etanului în prezența luminii care conduce la cloroetan. 
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.11 Reacția de bromurare a 2,2-dimetilpropan (neopentan) care conduce la 1-bromo-2,2-dimetilpropan (bromura de neopentil). 

Monohalogenarea alcanilor care prezintă mai mult de 2 atomi de carbon în moleculă (începând cu propanul) determină obținerea de amestecuri de compuși monohalogenați care sunt izomeri de poziție. Astfel, la alcanii superiori, începând cu propanul, reacția de halogenare este neorientată, adică poate fi substituit hidrogenul de la oricare atom de carbon.

Prin monoclorurarea fotochimică a propanului rezultă un amestec de izomeri monoclorurați:

  • 1-cloropropan (clorură de propil):
    This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
  • 2-cloropropan (clorură de izopropil):
    This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Proporția izomerilor de poziție din amestecul final rezultat prin halogenarea alcanilor, depinde de:

  • reactivitatea atomului de hidrogen;
  • reactivitatea halogenului;
  • temperatura de lucru.
În reacția de halogenare, reactivitatea atomilor de hidrogen este influențată de tăria legăturii C–H, care crește în ordinea: H–Cprimar < H–Csecundar < H–Cterțiar. Astfel, în amestecul de reacție vor predomina izomeri care prezintă halogenul legat de atomul de carbon terțiar sau secundar, comparativ cu izomeri care prezintă halogenul legat de un atom de carbon primar. 

Energia de legătură se referă la energia care se absoarbe la ruperea unei legături. În funcție de valoarea acestei energii, se poate aprecia tăria unei legături. În acest fel, legăturile slabe sunt caracterizate de energii de legătură mici:

  • legătura C–H din (CH3)3C–H are energia de legătură de 85 kcal/mol;
  • legătura C–H din (CH3)2CH–H are energia de legătură de 89 kcal/mol;
  • legătura C–H din CH3-CH2-CH2–H are energia de legătură de 95 kcal/mol.

Clorul este mai activ decât bromul. În acest fel, clorul va ataca toți atomii de hidrogen, pe când bromul va ataca atomii de hidrogen mai reactivi. Din acest motiv, compușii bromurați secundari și terțiari se formează în proporție mai mare comparativ cu compușii clorurați corespunzători.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.12 Compoziția amestecului de reacție rezultat în urma interacțiunii dintre propan și brom la 130°C: se obțin 1-bromopropan (2%) și 2-bromopropan (98%).
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.13 Compoziția amestecului de reacție rezultat în urma interacțiunii dintre n-butan și clor la 300°C: se obțin 1-clorobutan (28%) și 2-clorobutan (72%).

În ambele reacții de mai sus intervine și temperatura și influențează compoziția amestecului de reacție.

În baza celor menționate mai sus, bromurarea izobutanului se desfășoară la 130°C și se obțin compuși monobromurați, dintre care în proporția cea mai mare rezultă 2-bromo-izobutan (99%) și 1-bromo-izobutan (1%).  

Reacția de izomerizare

Reacțiile de izomerizare sunt reacții în urma cărora n-alcanii se transformă în izoalcani și invers, rezultând un amestec de hidrocarburi izomere. Reacțiile de izomerizare sunt reversibile.

Reacțiile de transpoziție constau în migrarea unor atomi sau grupe de atomi dintr-o parte a moleculei în alta. Izomerizarea alcanilor este un exemplu de reacție de transpoziție deoarece n-alcanii trec în izomeri cu catenă ramificată.

Reacțiile de izomerizare se desfășoară în prezența unuia dintre catalizatori:

  • AlCl3 (clorură de aluminiu) umedă, la temperaturi relativ joase (50-100°C);
  • AlBr3 (bromură de aluminiu) umedă, la temperaturi relativ joase (50-100°C);
  • silicați de aluminiu (naturali sau sintetici), denumiți zeoliți, la temperaturi ceva mai ridicate (250-300°C).

Savantul român, C.D. Nenițescu, și-a adus contribuția în Chimie, studiind reacția de izomerizarea a butanului, motiv pentru care această reacție poartă numele său, în semn de apreciere pentru studiul acestui echilibru de reacție.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.14 Reacția de izomerizare a n-butanului.

Reacția de izomerizare alcan – izoalcan, este reversibilă. Astfel, izomerizarea butanului se desfășoară în ambele sensuri. La finalul procesului rezultă un amestec care conține procentual: 80% izobutan (2-metilpropan) și 20% n-butan.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.15 Reacția de izomerizare a n-pentan care conduce la izopentan (50%) și neopentan (50%). Reacția are loc în prezență de platină (Pt) și trioxid de aluminiu. Izopentanul rezultat din reacția de izomerizare este folosit pentru obținerea izoprenului, un monomer important în industria cauciucului sintetic.

În industria petrochimică, cea mai importantă aplicație practică a reacțiilor de izomerizare este obținerea benzinelor de calitate superioară, în compoziția cărora intră izoalcani. Aceștia se comportă mai bine la aprindere în motoarele cu explozie, comparativ cu n-alcanii.

Cifra octanică (C.O.) este un indicator de apreciere a calității benzinei. Existența unei scări convenționale ajută la stabilirea valorii cifrei octanice. Cifra octanică este un parametru care caracterizează rezistența la detonație a benzinelor. De exemplu, izooctanul (sau 2,2,4-trimetilpentan) prezintă cifra octanică 100 și este deosebit de rezistent la detonare, față de n-heptan care prezintă cifra octanică 0 și este puternic detonant.

Cifra octanică constituie procentul (%) masic (de masă) de izooctan dintr-un amestec cu n-heptan care prezintă aceeași rezistență de detonație ca benzina examinată.

Reacția de descompunere termică

Temperaturile relativ mari sunt o condiție necesar obligatorie pentru ca reacția de descompunere termică a alcanilor să aibă loc. Rezultă astfel un amestec de alcani și alchene care conțin în molecule un număr mai mic de atomi de carbon (alcani și alchene inferioare).

Temperaturile mai mici de 650°C favorizează descompunerea termică a alcanilor, proces care poartă convențional numele de cracare (din limba engleză, to crack = a sparge). În urma procesului de cracare se scindează (se rup) legături C–C, rezultând un amestec de alcani și alchene inferioare.

Temperaturile mai mari de 650°C favorizează descompunerea termică a alcanilor, proces denumit piroliză (din limba greacă, piros = foc, lisis = scindare). În aceste condiții, pe lângă reacțiile de cracare, au loc reacții de dehidrogenare.

Cu cât dimensiunea moleculei alcanului crește, cu atât descompunerea termică a acestora are loc la temperaturi mai mici (mai joase). De exemplu, metanul este stabil până la o temperatură aproximativă de 900°C, pe când alcanii superiori se descompun la temperaturi mai scăzute (400-600°C), când au loc reacții de cracare și dehidrogenare.

ACTIVITATE EXPERIMENTALĂ

Mod de lucru: Într-o eprubetă mare din sticlă rezistentă termic (indicată pe imagine prin cifra 1) se introduc câteva bucățele de parafină (o sursă ar putea fi o lumânare fără fitil). La capătul eprubetei punem un dop traversat prin mijloc de un tub de sticlă în forma literei „L”. Celălalt capăt al tubului de sticlă pătrunde într-un pahar de sticlă (Berzelius) (indicat pe imagine prin cifra 2) în care se află soluție de brom în tetraclorură de carbon (CCl4). Se încălzește eprubeta cu ajutorul unei flăcări.
Instalația folosită pentru a evidenția descompunerea termică a alcanilor.
Figura 3.16 Instalația folosită pentru a evidenția descompunerea termică a alcanilor.

Observații: Prin încălzirea eprubetei se remarcă cum în paharul de sticlă barbotează un gaz care decolorează soluția de brom în tetraclorură de carbon. Încălzirea eprubetei descompune termic alcanii și vor rezulta alchene gazoase (etenă, propenă, 1-butenă, 2-butenă) care decolorează soluția de brom în tetraclorură de carbon.

Astfel, prin descompunerea termică a n-butanului la 600°C au loc următoarele reacții chimice:

  • reacții de cracare
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
  • reacții de dehidrogenare
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Piroliza metanului

Creșterea temperaturii peste 1200°C determină reacția de piroliză a metanului.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.17 Reacția de piroliză a metanului în urma căreia se obține acetilena.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.18 Reprezentarea formală a pirolizei metanului.

La temperaturi de peste 1200°C se stabilește un echilibru în sens favorabil formării acetilenei, când aceasta este totuși instabilă. Pentru a împiedica descompunerea acetilenei formare, temperatura trebuie să fie rapid scăzută sub 100°C.

Din piroliza metanului rezultă un produs secundar, sub formă de praf foarte fin, și anume carbon elemental, denumit negru de fum.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.19 Reacția de obținere a negrului de fum ca produs secundar din piroliza metanului.

Reacția de oxidare

În funcție de produșii de oxidare rezultați din reacție, oxidarea compușilor organici, poate fi:

  • Oxidare completă (denumită, în general, ardere) – reacție în urma căreia rezultă CO2 și H2O indiferent de natura compușilor organici. Totodată, în urma reacției se degajă o cantitate mare de energie sub formă de căldură și lumină.
  • Oxidare incompletă sau parțială (denumită, în general, oxidare) – reacție în urma căreia rezultă compuși organici care conțin grupe funcționale cu oxigen. În funcție de agenții de oxidare utilizați și de condițiile de reacție, oxidarea poate fi blândă sau energică.

Arderea alcanilor

Procesul de transformare oxidativă ce caracterizează toate substanțele organice se numește ardere. Arderea substanțelor organice este însoțită de degajarea unei cantități mari de energie: căldură și lumină. În urma procesului de ardere a oricărui alcan în oxigen sau aer, rezultă CO2 și H2O.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.20 Ecuația generală a reacției de ardere a alcanilor (Q – cantitatea de căldură degajată din reacție).

Faptul că în urma reacției de ardere în aer a alcanilor se degajă o cantitate mare de căldură, favorizează utilizarea acestora ca și combustibili:

  • gazul metan – pentru încălzirea locuințelor;
  • aragazul (amestec de propan și butan);
  • butanul – pentru încălzirea locuințelor;
  • gazul natural și aragazul – pentru pregătirea hranei;
  • benzinele – pentru a pune în mișcare vehicule care dispun de motoare cu combustie internă (automobil, avion)

Alte întrebuințări ale reacției de ardere a alcanilor:

  • flăcările lumânărilor și opaițelor utilizate pentru iluminatul încăperilor, au fost înlocuite cu lămpile cu gaz lampant, înainte de descoperirea curentului electric;
  • la începutul secolului trecut, a fost folosit gazul metan pentru iluminatul public; Bucureștiul fiind printre primele orașe din lume iluminate stradal cu felinare stradale cu gaz.

În general, arderea nu are loc spontan. Combustibilul trebuie să fie mai întâi încălzit – de exemplu, se aprinde cu flacăra unui chibrit sau cu o scânteie electrică.

Căldura de ardere

Q – sau căldura de ardere, constituie căldura degajată la arderea unui mol de substanță. Aceasta se măsoară în kJ sau kcal. (1 cal = 4,18 J)

Puterea calorică a unui combustibil reprezintă cantitatea de căldură degajată la arderea completă a unei mase de 1 kg de combustibil solid sau lichid sau a unui volum de 1 m3 de combustibil gazos.

Puterea calorică a combustibililor diferă și poate crește în următorul sens: lemn < cărbune brun < antracit < cocs < gaz natural < benzină.

Problemă rezolvată

Scrie ecuația reacției chimice de ardere a metanului. Știind că la arderea unui mol de CH4 se degajă 212 kcal, calculează puterea calorică a metanului.

Rezolvare:

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.21 Reacția chimică de ardere a metanului.
Metanul fiind gaz, puterea calorică a metanului reprezintă cantitatea de căldură degajată la arderea unui volum de 1 m3 (c.n.) de metan.
1 m3 = 1000 L

n – numărul de moli

 n = 1000 L/ 22,4 L/mol= 44,64 moli CH4
1 mol CH4 .............. 212 kcal

44,64 moli .............. x kcal

Rezultă: x = 44,64 ∙ 212 = 9463,68 kcal = > Q = 9463,68 kcal/ m3

Oxidarea incompletă (oxidare)

Se cunoaște faptul că în reacțiile de oxido-reducere numărul de oxidare (N.O.) al unor elemente din compușii care reacționează se modifică astfel:

  • numărul de oxidare al elementului chimic crește în reacțiile de oxidare;
  • numărul de oxidare al elementului chimic scade în reacțiile de reducere.

Același lucru este valabil și pentru reacțiile de oxidare și reducere în care sunt implicați compuși organici. Variația conținutului de oxigen sau de hidrogen al compușilor organici este un criteriu practic, utilizat în chimia organică cu scopul de a sistematiza reacțiile de oxido-reducere care au loc.

Reacțiile de oxidare se consideră a fi reacțiile care conduc la:

  • creșterea conținutului în oxigen a unei molecule;
  • creșterea numărului de legături chimice prin care oxigenul se leagă de carbon;
  • scăderea conținutului de hidrogen al moleculei.

Conform acestui criteriu, creșterea gradului de oxidare al compusului organic, precum și creșterea numărului de oxidare al atomului de carbon are loc în sensul:

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Cu alte cuvinte, gradul de oxidare al compusului organic variază direct proporțional cu numărul de oxidare al atomului de carbon.

La acțiunea agenților oxidanți, alcanii rămân stabili. În prezența unor catalizatori, alcanii superiori (parafina) se oxidează (cu sau fără ruperea moleculei), rezultând acizi carboxilici superiori (cu număr mare de atomi de carbon, acizi grași) folosiți la fabricarea săpunurilor.

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.
Figura 3.22 Reacția generală de oxidare a unui alcan superior la un acid carboxilic superior.

Chimizarea metanului prin oxidare

Metanul, este un component major al atmosferei planetelor Jupiter, Neptun, Saturn și Uranus. Metanul este un gaz ce a fost detectat și în spațiul interstelar.

Metanul a fost descoperit de Volta în anul 1770 și denumit de acesta – gaz de baltă. În natură, metanul se formează ca urmare a acțiunii anaerobe a unor bacterii asupra resturilor animale și vegetale de pe fundul lacurilor. Acest proces natural de putrezire este utilizat în prezent, în mod controlat, cu scopul de a descompune deșeurile organice din apele reziduale ale orașelor mari, în compuși netoxici.

Metanul constituie componentul principal din gazele naturale. În România, zăcămintele de gaz metan prezintă puritate crescută (98-99%). De exemplu, zăcământul de la Sărmășel conține 99,18% gaz metan.

Din gazele de sondă fac parte:

  • metan;
  • etan;
  • propan;
  • n-butan;
  • izo-butan.

Metanul face parte și din gazul de cocserie în proporție de 25%. În minele de cărbuni se întâlnește și metanul. O concentrație mare de metan poate forma împreună cu aerul un amestec exploziv, care poartă numele de gaz grizu.

Totodată, cantități mari de metan sunt folosite ca și combustibil gazos cu putere calorică mare.

Prin executarea unor reacții chimice în care este implicat metanul, rezultă substanțe cu importanță practică. În condiții diferite de lucru, reacțiile de oxidare blândă a metanului, reprezintă o direcție de chimizare a metanului.

ACTIVITATE EXPERIMENTALĂ

Mod de lucru: Se prinde un bec de gaz și se reglează admisia de aer, astfel încât flacăra să fie colorată în galben, ceea ce justifică o ardere incompletă a gazului metan. Cu ajutorul unui clește de metal se ține deasupra flăcării o placă albă de faianță sau un pahar cu gura în jos.

Observații: Placa de faianță se acoperă de un strat subțire de cărbune, iar pe peretele și pe fundul paharului apar picături de apă.

Astfel, ca urmare a arderii metanului în aer, în atmosferă săracă în oxigen, rezultă carbon fin divizat (negru de fum) și apă:

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Negrul de fum este utilizat la:

  • fabricarea vopselelor;
  • fabricarea anvelopelor de automobile.

În urma arderii incomplete a metanului rezultă gazul de sinteză (amestec de monoxid de carbon și hidrogen, în raport molar 1:2):

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Gazul de sinteză este utilizat pentru sinteza de alcani superiori și alcool metilic (metanol). Hidrogenul poate fi utilizat pentru sinteza amoniacului și alte scopuri.

Metanul trecut împreună cu vapori de apă peste un catalizator de nichel (Ni) la aproximativ 800°C suferă o reacție de oxidare incompletă, rezultând un amestec de monoxid de carbon (CO) și hidrogen, în raport molar 1:3 (amestec denumit gaz de apă):

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

Un amestec de metan și oxigen se încălzește la 400°C, sub o presiune de 60 atm și se formează alcool metilic (metanol):

This svg is property of GinaMed. Aceast svg este facut de GinaMed. Distribuirea necesita acordul GinaMed.

În urma încălzirii metanului la 400-600°C, însă în prezența catalizatorilor oxizi de azot, metanul se oxidează la metanal (aldehidă formică):