QUÍMICA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO HIDROCARBUROS TEORIA DE PREPARATORIA DE PREUNIVERSITARIOS

Estudia a los compuestos del carbono y a los elementos organógenos: C, H, O, N y a los biogenésicos: P, Ca, Mg, Na, F, I, Fe, etc

PROPIEDADES DEL CARBONO
1) TETRAVALENCIA
El carbono formo 4 enlaces covalentes
2) AUTOSATURACIÓN
Enlace entre átomos de carbono.
3) COVALENCIA
Compartición de par de electrones.
4) FORMA TETRAEDRICA
Según VAN´T HOFF el carbono se hibridiza y forma un tetraedro (sp3).

HIBRIDACRÓN:

    ALCANO   ALQUENO   ALQUINO


TIPOS DE CARBONO
CARBONO Nº ÁTOMOS DE “C” AL QUE ESTÁ UNIDO
Primario
Secundario
Terciario

Grupo Alquino (R-)

CH₃ – metil

C₂H₅ - <> CH₃ – CH₂ – etil

CH₃

|

CH₃–CH – CH₂–  2-metilpropoil (isobutil)

3    2    1

     1    2    3

CH₃–CH – CH₂–CH₃    

1-metilpropil(sec-butil)

CH₃

|

CH₃– C-  CH₃

|

       1   2  1,1 – dimetileti (ter-butil)

HIDROCARBUROS
Compuestos Binarios formados por H y C.

I. Acíclicos. Cadena abierta
a. Saturado Alcano CnH2n+2
b. No Saturado Alqueno CnH2n
Alquino CnH2n-2

II. Cíclicos: Cadena cerrada
a) Aliciclico: Ciclo alcano CnH2n
Ciclo Alqueno CnH2n-2
Ciclo Alquino CnH2n-4

b) Aromático

1. Alcanos o Parafinas


Cn H2n + 2 - C -  C -



1,2,3.....

F.Global F.Semidesarrollada F.Condensada F.Desarrollada

   H H
     
C2H6 CH3–CH3 CH3 CH3 H–C–C–H
Etano (IUPAC)      
   H H


Grupo Alquino (R-)
CH3 – metil
C2H5 - <> CH3 – CH2 – etil

CH3

CH3–CH – CH2–  2-metilpropoil (isobutil)
3 2 1

1 2 3
CH3–CH – CH2–CH3
1-metilpropil(sec-butil)

CH3

CH3– C-  CH3

       1   2 1,1 – dimetileti (ter-butil)

III. Isomeros del C5H12 (de Cadena)
IUPA común
1) CH3–CH2–CH2–CH2–CH3– pentano n-pentano

2) 1 2       3     4
   CH3– CH - CH2–CH3 2-metilbutano isopentano

CH3

3) CH3

CH3–C-CH3 2,2-dimetilpropano neopentano
  1    2  3
      CH3

PROPIEDADES:
• Son moléculas no polares
• Sus moléculas están unidas por fuerzas de vander waals
• El punto de ebullición aumenta con el número de carbonos.
• En isómeros de cadena a mayor ramificación menor punto de ebullición.
• Son sustancias de poca reactividad (parafinas)
• Son usados como combustibles
• Dan reacciones de sustitución, no de adición (saturados)
• Halogenación:
CH4 + Cl2  luz CH3 Cl + HCl


• Combustión:
a) Completa. Exceso de O2
CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O + calor

• Incompleta. Deficiencia de O2

2CH4 + 3O2  2CO + 4H2O+calor

2. Alquenos u Olefinas


Cn H2n  C = C



n: 2,3,4.....

C2H4 CH2 = CH2 eteno (etileno)

C4H8       CH2 = CH – CH2 – CH3 buteno
(2 isómeros
de posición)  CH3-CH = CH – CH3 2-buteno
        1        2      3   4

3. Alquinos o Acetilénicos

C2H2 CH CH etino (acetileno)

C4H6       CH  C – CH2 – CH3 butino
(2 isómeros
de posición)  CH3-C  C – CH3 2-butino
        1        2 3     4

PROPIEDADES:
• La mayor parte de las propiedades físicas de los alquenos y alquinos son semejantes a los alcanos correspondientes.
• Los alquenos y alquinos dan reacciones de adición.
• Los alquenos tienden a ser ligeramente más polares que los alcanos.
• Los alquinos son más ácidos que los alquenos y éstos más ácidos que los alcanos correspondientes.
• Los alquenos presentan isomería geométrica

Cl Cl Cl      H

C = C     C = C

H H H      Cl

µ = 2,95D µ = 0D
p.e. = 60ºC p.e. = 48ºC
cis 1,2–dicloroeteno trans 1,2-dicloro eteno

• Hidrogenación:

CH = CH + H2  Pt  CH2 = CH2


CH2 = CH2 + H2  Pt  CH3 - CH3


• Obtención de etino (acetileno)

CaC2 + 2H2O  C2H2 + Ca(OH)2

HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS

Ciclo Propano Ciclo butano     Ciclo buteno

PROPIEDADES:
• Los anillos de más de 5 carbonos son más estables.
• Los anillos de 3 o 4 carbonos dan reacciones de adición y los anillos de 5 y 6 carbonos se comportan como los alcanos.

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
• Son moléculas planas
• Son apolares
• Los átomos de carbono están hibridados sp²
• Presentan resonancia, lo que le da estabilidad a anillo.
• Dan reacciones de sustitución


Benceno   Tolueno  Naftaleno

ISÓMEROS DE POSICIÓN


1,2-diclorobenceno   1,3-diclorobenceno 1,4-diclorobenceno
orto-diclorobenceno meta-diclorobenceno para-diclorobenceno

FUNCIONES OXIGENADAS Y NITROGENADAS

Función Fórmula
Alcohol

Eter
Aldehido
Cetona
Acido carboxilico
Ester
Amina
amida R-OH

R-O-R
R-CHO
R-CO-R
R-COOH
R-COO-R
R-NH2
R-CONH2

Nombre Ejemplo
...ol


...eter
...al
...ona
acido...oico
...ato de ...ilo
...amina
...amida CH3 – CH – CH2 – CH3 2-BUTANOL
            
OH
CH3 – O - CH3  DIMETILETER
CH3 –CHO        ETANAL
CH3  - CO-CH3  PROPANONA (ACETONA)
CH3 – COOH    ACIDO ETANOICO
CH3 –COO-CH3  ETANOATO DE METILO
CH3 –NH2          METILAMINA
CH3 – CONH2     ETANAMIDA

Isómeros de función: Se diferencian por tener distintos grupos funcionales.
H2 – CHO aldeido

C3H6O

CH3 – C O - CH3 cetona


PETRÓLEO

Es una mezcla mineral compleja de hidrocarburos sólidos, líquidos y gaseosos. El petróleo contiene también compuestos nitrogenados, oxigenados y sulfurados. El azufre es un elemento inconveniente.

Tiene origen marino (Hipótesis mas aceptable)

PROPIEDADES
• Son líquidos de consistencia oleosa, viscosos, fluorescentes.
• Insolubles en agua.
• Color variable, pardo rojizo con reflejo verdoso y oscuro
• Menos denso que el agua (0,78 – 0,91 g/ml)

REFINACIÓN:
Es la separación de fracciones útiles del petróleo crudo. En primer lugar se separan los sólidos en suspensión, el agua y las sales orgánicas. Luego se somete a destilación fraccionada.

PRINCIPALES FRACCIONES DEL PETRÓLEO:

Fracción Nº átomos de C T. ebullición (ºC)
Gas natural
Eter de petróleo
Ligroina
Gasolina
Queroseno
Aceite lubricante C1-C4
C5 – C6
C7
C6 – C12
C11 – C16
C15 – C24 -161 a 20
30 a 60
20 a 135
30 a 180
170 a 290
300 a 370

Cracking (Ruptura pirolítica)
Es la ruptura de moléculas grandes de Hidrocarburos por efecto de una elevada temperatura y presión obteniéndose alcanos y alquenos de baja masa molar.



Cracking térmico.
Se realiza a una temperatura de 470ºC a 510ºC y 50 atm. Esta gasolina tiene mayor octanaje que la gasolina obtenida por destilación directa.

Cracking Catalítico
Se realiza a una temperatura de 430 a 460ºC y una presión de 1,4 a 3,4 atm. Usando un catalizador. Esta gasolina tiene mayor octanaje que la gasolina obtenida por cracking térmico.

Alquilación. Es un proceso para obtener gasolina de alto índice de octano. Los alcanos y alquenos de baja masa molar se condensan originando hidrocarburos ramificados.

Indice de Octano. Es una medida de un combustible a detonar.
El índice de octano aumenta al disminuir la masa molar y aumentar las ramificaciones.
Los alquenos, ciclo alcanos o hidrocarburos aromáticos tienen alto índice de octano.

Octanaje de algunos hidrocarburos:

HIDROCARBURO ESTRUCTURA MOLECULAR
n-heptano
2-metilhexano

2,2,4-timetilpentano
Benceno
Tolueno
2,23-timetilbutano CH3-(CH2)5-CH3
CH3-CH-(CH2)3-CH3
      CH3
CH3C(CH3)2CH(CH3)2
C6H6
CH3-C6H6
CH3C(CH3)2CH(CH3)2


TIPO DE ESTRUCTURA OCTANAJE
Lineal

Ramificada
Ramificada
Aromático
Aromático
Ramificada 0

42
100
106
120
125

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
En la serie aromática los compuestos son isocíclicos. Llamados bencénicos porque el benceno es el más simple de esta serie  y al resto  se les considera como derivados  del benceno. La propiedad característica es su aroma.
Los hidrocarburos  aromáticos se encuentran y extraen principalmente del alquitrán de la hulla (en la destilación seca).

EL BENCENO, C6H6
Conocido  como bencina (de alquitrán) o benzo.  Su nombre químico es 1,3,5-ciclohexatrieno.
Fue descubierto en 1825 por Michael Faraday,  comprendiéndose que era un hidrocarburo insaturado por su peso y fórmula molecular, lo que no se comprendía era el arreglo de sus átomos. Después de muchas tentativas y modelos para encontrar una estructura  que explique sus propiedades,  se aceptó la del alemán Friedrich Kekulé. Sin embargo ninguna ha convencido totalmente.


       CH      CH

CH                    CH

       CH     CH

    (benceno)        1,3,5-ciclohexatrieno
   (benceno)

benceno
"núcleo bencénico"

La estructura del benceno presente tres enlaces dobles conjugados los cuales no son fijos sino móviles  y oscilan entre las dos posiciones posibles, por lo que  se representa el benceno por un hexágono regular con un círculo inscrito indicando los enlaces "deslocalizados".

En la estructura los seis carbonos son equivalentes,  porque cada tiene sólo un hidrógeno.

Propiedades Físicas del Benceno
Es un líquido incoloro  de olor agradable (aromático), muy inflamable, muy volátil,  insoluble  en el agua, pero miscible en éter, cetona, alcohol, refrigente (refracta la luz); es tóxico; generalmente su combustión  es incompleta.

Se usa como materia prima para obtener nitrobenceno, anilina, etc.
Se usa como disolvente (de grasas, resinas, caucho, azufre, etc.)
Propiedades  Químicas del Benceno-Reacciones:
El anillo bencénico no se altera  es muy estable y poco reactivo (como los alcanos), es decir al reaccionar  sólo se sustituyen  los hidrógenos y poco se  rompe  el enlace carbono-carbono, resistiendo la acción de los oxidantes.
Da reacciones de sustitución, oxidación, adición, nitración, etc.
1. Reacciones  de Sustitución.- Son la halogenación, nitración,  sulfonación  y alquilación.
Se puede obtener productos como: di y trisustituidos según se hayan sustituido 1, 2 ó 3 hidrógenos por halógenos.
a) Halogenación.-  Generalmente con el Cl y  Br. Se pueden obtener: monohalogenados, dihalogenados  y trihalogenados. Se usa como catalizador el tricloruro de Al, ó Fe.

   H  +  X+ X          X  + HX
(benceno)    halógeno    

   H  +  Cl2                     Cl +HCl

b) Nitración.- Con el ácido nítrico (HNO3). El HNO3 se adiciona mezclado  con ácido sulfúrico (H2SO4), formando la "mezcla sulfonítrica".

   H + HO+NO2              NO2+H2O

benceno   ac. Nítrico nitrobenceno

c) Sulfonación.-  Con el ácido sulfúrico "fumante"

             H + HO+HSO3                  SO3H +H2O

benceno  ác.sulfúrico ácido bencenosulfónico

d) Alquilación.-  Consiste  en sustituir un H por  un radical alquílico.

   H   +    R - X                    R  + HX

                   X: halógeno

             H + CH3-CH-CH3               CH-CH3+HCl
          |    |
         Cl   CH3
2. Reacción de Oxidación.- Es  una reacción  muy limitada.  En condiciones específicas de temperatura y catalizador, reacciona con el aire para dar  el fenol.
3. Reacción  de Combustión.-  Arde con llama fuliginosa. Su combustión  completa produce:  CO2 + H2O + calor
4. Reacción de Adición.- Lo realiza en función a sus enlaces insaturados que posee.  Son difíciles de realizar.
a. Adición de Hidrógeno (Hidrogenización).-  En presencia de Ni.
     + 3H2  
     benceno ciclohexano
b. Adición de Halógeno.- Generalmente Cl y Br. Pueden adicionarse: un mol, 2 y hasta tres moles de halógeno.
Ejm.:
En ciertas condiciones el cloro puede saturar los 3 dobles enlaces.
     Cl    Cl

    +  3Cl2       Cl               Cl
          Cl    Cl
         Benceno
Cuando el benceno pierde un hidrógeno se obtiene  un radical que se denomina: fenil o fenilo.
   CH      CH
            CH                     C  -  H
CH         CH
  Benceno, C6H6
        CH      CH
CH                     C  -  H    ó
        CH      CH
fenil (ilo),  C6H5-
OBTENCIÓN DEL BENCENO
Se obtiene a partir de algunos petróleos  y en especial por destilación fraccionada del alquitrán de la hulla.
También por los siguientes métodos:
1. Síntesis de Berthelot:
3CHCH
  acetileno

2. Además por reducción del fenol o por hidrólisis del ácido  bencensulfónico.
CARÁCTER AROMATICO
Para reconocer si un compuesto es aromático debe tener:

1. Cadena cerrada y enlaces dobles alternados.
2. La cantidad de dobles enlaces debe ser = 2n+1, para n = 0, 1,2,4, ...., enteros. Siendo siempre impar el número de dobles enlaces.
DERIVADOS DEL BENCENO
Entre los principales, tenemos: mono, di y trisustituidos.
1. Monosustituidos.- Cuando se ha sustituido un hidrógeno por un radical o un elemento  monovalente. Tenemos:
2.
Alquilbencenos

CH3

Metilbenceno
(Tolueno)
CH3-CH-CH3

Isopropilbenceno
2-fenilpropano
(Cumeno)
Alquilbencenos Acetilbencenos

         
vinilbenceno
fenilbenceno
(estireno)


Acetilbenceno
Fenilacetileno

Para grupos diferentes a los alquílicos:
          OH


Hidroxibenceno
(fenol)

          CH2OH


Fenilmetanol
(alcohol bencílico)          CHO


Benzaldehído
(fenical)

           COOH



Ácido benzoico


          NH2

Aminobenceno
(anilina)          NO2

Nitrobenceno


3. Derivados Disustituidos.- Cuando se ha sustituido dos  hidrógenos  por grupos  monovalentes (o elementos). Los sustituyentes pueden ser iguales o diferentes.
Se dan tres casos de isomerismo, denominados: orto (o-),  meta (m-) y para (p-).
              R

0-....6              2 .... Posición orto(0-): Posiciones 2 y 6


m-.. 5              3 .... Posición meta(m-): Posiciones 2 y 6


Posición para (p-)

Xilenos o Xiloles
          CH3

                  -CH3

o-metiltolueno
o-xileno
          CH3

               

-CH3

m-metiltolueno
m-xileno          CH3

            |
          CH3
p-metiltolueno
p-xileno.

Cresoles
          CH3

                  -OH

               

o-hidroxitolueno
o-cresol
         CH3

               

                  -OH

m-hidroxime-tilbenceno
m-cresol           CH3




          OH
p-hidroxito-lueno.
p-cresol
También se conocen otros disustituidos. Ejm.
Difenoles: o-fenodiol, m-fenodiol y p-fenodiol.
Diácidos carboxílicos: o-benzodioico (ácido ftálico), m-benzodioico (ácido isoftálico) y p- benzodioico (ác. tereftálico). Otros ejemplos:

        Cl                        CHO


    -Cl            -Br

    m-diclorobenceno       m-bromobenzaldehído

          OH                       OH


                   -NO2
                |
             OH
p-difenol (hidroquinina)          m-nitrofenol.

Derivados Trisustituidos.- Cuando se han sustituido tres hidrógenos del anillo bencénico,  Se presentan tres isómeros: Vecinal o Vec-(en las posiciones  1, 2 y 3), Asimétrico o Asim-(posiciones:  1, 2 y 4) y simétrico o Sim-(posiciones: 1, 3 y 5); cuando  los tres sustituyentes son iguales.


Ejm.
CH3                         CH3

       -CH3

 -CH3        H3C-             -CH3

 1,2,3-trimetilbenceno       1,3,5-trimetilbenceno
      (Vec-mesitileno)             (Sim-mesitileno)


OH .

          OH

           |
  OH
1,2,4 -fenoltriol.
(asimétrico)
Entre los derivados tetrasustituidos, tenemos:
     CH3                                  COOH

O2N       -      NO2              

   HO         OH
              |  |
      NO2 OH

Trinitrotolueno         (ácido gálico)
(trilita o trotyl)
      (TNT)
OH .

    O2N     -NO2

           |
        NO2
(ácido pícrico)


Generalmente se disponen en forma simétrica.

PROPIEDADES DE LOS DERIVADOS DEL BENCENO

a) El Tolueno.-  Es un líquido incoloro, insoluble en agua.  Se obtiene a partir  del alquitrán de la hulla.
Su derivado más importante es el trinitrotolueno ó 2, 4, 6-trinitrotolueno (TNT). Se usa: como solvente, en termómetros  de bajas temperaturas. Más tóxico que el benceno.

b) El Fenol.- Llamado ácido fénico o ácido carbólico, también se le obtiene del alquitrán  de la hulla, es un sólido cristalino, poco soluble en agua; coagula la albúmina. Se usa en medicina (como antiséptico) y en la industria. Es tóxico y cáustico.

c) La Anilina.- En un líquido oleoso, incoloro, tóxico, olor desagradable, poco soluble en agua. Es una sustancia  básica para la obtención de colorantes.

d) Los cresoles.-  Se encuentran  en el alquitrán de la hulla. Son desinfectantes.

e) En general son líquidos, olor agradable e insolubles en  agua. Al aldehído benzoico se le llama "esencia de almendras amargas". El TNT, es un poderoso explosivo.
COMPUESTOS POLINUCLEARES AROMATICOS

Tienen más de un anillo bencénico.

1. Naftaleno.- Comúnmente se conoce como naftalina. En un sólido cristalino blanco, insoluble en agua. Se sublima fácilmente. Se obtiene a partir del alquitrán de la hulla.  Se usa como antiséptico e insecticida.
Es más reactivo que el benceno.
Su fórmula global  es C10H8.

      CH       CH

HC        C        CH

HC        C        CH

       CH       CH

                                             
                     8     1       
7 2

   6          3   
    5     4
                                          

Las posiciones indicadas con letras griegas o con números son  los carbonos con hidrógeno sustituible.
La nomenclatura común usa letras griegas.
La nomenclatura IUPAC usa los números.









Ejm.

Cl                      

      -OH



       1-cloronaftaleno    2-hidroxinaftaleno


         2-metil-1-naftal    3-bromo-1-naftoico.

El naftaleno también da reacciones de halogenación, nitración, sulfonación  y alquilación, etc.

Antraceno.- Su fórmula general es C14H10. Resulta de la condensación de tres anillos bencénicos. Es sólido, insoluble en agua, cristaliza en láminas incoloras. Se encuentra  en el alquitrán de la hulla. Se usa  en la industria de los colorantes.
Sus principales reacciones son: cloración,  nitración y sulfonación.
   
Posiciones            8    9     1    
Sustituibles          7                    2

Las posiciones con letras griegas (sistema común) o números (sistema IUPAC) indican los C con hidrógeno sustituible. Ejm.


               CH3                                                                     OH
                  |                                              |


     9-metillantraceno          1-hidroxiantraceno
     (-metilantraceno)                 (-antrol)

CH3
 |
   CH3 -

      -NO2

10-cloro-3-nitro-1,7-dimetilantraceno
Además se conoce:


fenantreno    

PROBLEMAS PROPUESTOS

1. ¿Qué propiedad no corresponde al carbono?

a. Se combina por covalencia
b. Es tetravalente
c. Se autostura
d. Al combinarse forma orbitales híbridos sp, sp², sp3.
e. Sus alótropos tienen propiedades iguales.

2. ¿Cuántos carbonos primarios y secundarios tienen la molécula: 2,2,4 – trimetril pentano?

a) 5,1 b) 5,2 c) 4, 3
d) 3,2 e) 6,3

3. ¿Cuántos enlaces sigma y pi hay en una estructura siguiente?
CH  C – CH2 – CH = CH2

a) 10;3 b) 8,2 c) 10,4
d) 9;2 e) 9;3

4. ¿Cuál es el nombre IUPAC del siguiente hidrocarburo?

CH3 – CH2 – CH – CH3
 
CH2 – CH3

a) 2-etilbutano
b) 3-metilpentano
c) 3-metilhexano
d) Isohexano
e) Neopentano

5. ¿Cuál de los siguientes hidrocarburos presenta mayor atomicidad?

a) 2,2 – dimetil pentano
b) heptano
c) octeno
d) 2,3 – dimetilhexano
e) ciclo pentano

6. ¿Cuántos isómeros de cadena tiene el pentano, C5H12?

a) 4 b) 3 c) 2 d) 5 e) 6

7. ¿Cuántos carbonos presenta hibridación sp² la siguiente molécula?

CH2 = CH–CH2–CH= CH – C CH

8. Establezca la relación correcta

a) CH4; sp²
b) C3H8; sp
c) C2H2; sp3
d) C2H4; sp²
e) CCl4; sp²

9. Señalar la relación no correcta.
a) C3H6 Ciclo propano
b) C2H5 – ETIL
c) CH2 = CH2 eteno
d) CH3 – CH – CH2 – Isobutil
       
    CH3
e) CH3 – CH = CH – CH3 Buteno

10. ¿Cuáles son las siguientes sustancias no productos de la combustión del gas propano?

a) C b) CO c) CO2 d) H2O e) SO2

11. El nombre IUPAC a los compuestos siguientes:

HIDROCARBUROS PROBLEMAS RESUELTOS TIPO EXAMEN DE INGRESO A LA UNIVERSIDAD

Categoría: HIDROCARBUROS