Idrocarburi: proprietà fisiche, spettroscopiche e chimiche

Proprietà fisiche.

Gli alcani che contengono fino a quattro atomi di carbonio sono gassosi a temperatura ambiente, da C5 a C16 sono liquidi e da C16 in poi sono solidi. Gli alcani a catena lineare presentano un aumento del punto di ebollizione abbastanza regolare con l’aumentare del peso molecolare. Negli alcani a elevato peso molecolare, la differenza tra i punti di ebollizione di due termini adiacenti nella serie omologa è inferiore a quella degli alcani a basso peso molecolare. Considerando i punti di ebollizione di alcani isomeri, in linea generale, il punto di ebollizione diminuisce all’aumentare della ramificazione.

Il punto di fusione di n-alcani aumenta lentamente con il peso molecolare e anche in tal caso le differenze tra i punti di fusione di due termini adiacenti diminuiscono all’aumentare del peso molecolare. Per alcani isomeri non si ha una dipendenza regolare dei punti di fusione dalla ramificazione, come si riscontra per il punto di ebollizione. La densità degli alcani aumenta all’aumentare del peso molecolare fino a divenire quasi costante per alcani con numero di atomi di carbonio superiore a 19. Le differenze tra le densità di due termini adiacenti sono più piccole per idrocarburi ad alto peso molecolare che per idrocarburi a basso peso molecolare.

Proprietà spettroscopiche.

1)        Infrarosso (IR)

Le bande di assorbimento caratteristiche degli alcani derivano dalla vibrazione di stiramento (stretching) e di deformazione (bending) dei legami C-H e C_C presenti nella molecola

Gruppo Banda  (cm-1) Intensità
-CH3 2960

 

2870

 

1460

 

1380

Forte

 

Media

 

Media

 

Forte

-(CH2)n 2925

 

2850

 

1470

725-720

Forte

 

Forte

 

Media

 

Forte

-CH 2890

 

1340

Debole

 

Debole

(CH3)2CH- 1170

 

1145

Forte

 

Forte

(CH3)3C- 1255

 

1210

Forte

 

Forte

-C(CH3)2 1215

 

1195

Forte

 

Forte

 

2)     Ultravioletto (UV)

Gli alcani non assorbono all’ultravioletto al di sopra dei 200 nm e per questo vengono utilizzati come solventi per la registrazione di spettri nell’ultravioletto di composti organici

3)     Risonanza magnetica nucleare (NMR)

I protoni degli alcani sono i più schermati e risuonano a campi magnetici alti (τ= 9.2-8.5)

Proprietà chimiche

Metodi di sintesi. Le principali fonti naturali degli alcani sono il petrolio e i gas naturali. Questi ultimi contengono soprattutto alcani bassobollenti ( C1– C4) mentre il petrolio contiene un numero elevato di idrocarburi che possono essere separati per distillazione frazionata

1)        Riduzioni. Gli alcani possono essere preparati con diversi metodi riduttivi a partire da altre classi di composti organici

a)      idrogenazione catalitica degli alcheni

b)     Riduzione degli alogenuri alchilici con metalli quali lo zinco o idruri di metalli quali il litio alluminio idruro LiAlH4

c)      Idrolisi dei reattivi di Grignard: R-MgX + HOH = RH + Mg(OH)X

d)     Riduzione di composti carbonilici quali i chetoni in ambiente acido per HCl in presenza di amalgama zinco-mercurio

e)      reazione di Wurtz: la reazione di sodio metallico sugli alogenuri alchilici porta alla formazione di alcani simmetrici:

RX + 2 Na = RNa + NaX

RNa + RX = R-R + NaX

f)       Elettrolisi di Kolbe: l’elettrolisi di sali (Na,K,Ca) degli acidi carbossilici alifatici porta alla formazione di alcani all’anodo

2 CH3CH2COONa+ + 2 H2O = CH3CH2CH2CH3 + 2 CO2 + 2 NaOH + H2

Reattività. Gli alcani per la loro natura non ionica e apolare sono dotati di una notevole inerzia chimica nei confronti di acidi, di basi e dei comuni agenti ossidanti e riducenti. In condizioni molto drastiche (alte temperature e catalizzatori) gli alcani danno alcune reazioni caratteristiche.

1)        Ossidazione: la reazione degli alcani con ossigeno per dare biossido di carbonio e acqua è detta combustione e rappresenta una delle reazioni più importanti di tali composti:

CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O

ΔH = – 213 kcal/mol essendo ΔH il calore di combustione che rappresenta la quantità di energia ceduta dal sistema nel processo esotermico della combustione

2)      Alogenazione. Gli alogeni possono reagire con gli alcani dando reazioni di sostituzione radicalica in presenza di luce, perossidi o alte temperature. In genere si ottengono prodotti di mono e polialogenazione:

CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 = CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 = CHCl3 + HCl

CHCl3  + Cl2 = CCl4 + HCl

3)      nitrazione: la reazione viene generalmente effettuata in fase vapore, ad alte temperature con acido nitrico e ipoazotide N2O4 dando luogo a miscele di nitro alcani:

RH + HNO3 = RNO2 + H2O

4)      Solfoclorurazione: gli alchilsolfonati alcalini vengono usati nell’industria chimica come detergenti e uno dei metodi più usati per la loro sintesi consiste nella solfoclorurazione degli alcani:

RH + SO2Cl = RSO2Cl + HCl

5)      Reazioni di allungamento della catena. L’introduzione di un gruppo etilenico in una catena idrocarburica viene realizzato con diazometano in presenza di luce:

CH3CH2CH2CH3 + CH2N2 = CH3CH2 CH2 CH2 CH3

6)      Cracking: è il processo di trasformazione delle frazioni altobollenti del petrolio in idrocarburi a basso peso molecolare. Esso si realizza per riscaldamento a elevate temperature (470-510 °C) e sotto pressione di 25-50 atm ( cracking termico) attraverso reazioni radicali che. Operando il cracking nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione ma in presenza di catalizzatori come silice o allumina si ottengono alcani ramificati.

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Author: Chimicamo

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