Alcani – proprietăţi chimice

Alcanii au o mare stabilitate chimică, asta datorită legăturilor covalente simple din moleculele lor.

Pentru ca alcanii să reacționeze, avem nevoie de condiții energice de reacție.

De obicei, condiții energice de reacție înseamnă temperatură foarte ridicată.

Tipul reacțiilor chimice la care participă alcanii pot fi grupate în funcție de tipul de legătură care se scindează,

adică se rupe, în timpul reacției.

Și cum avem numai două tipuri de legături, înseamnă că avem două mari categorii de reacții,

și anume reacții care au loc cu scindarea legăturilor carbon-carbon și reacții care au loc cu scindarea legăturilor carbon-hidrogen.

Reacțiile care au loc cu ruperea legăturilor carbon-carbon sunt următoarele.

Cracarea, arderea și reacția de izomerizare.

Iar reacțiile care au loc cu ruperea legăturilor carbon-hidrogen sunt reacții de substituție, de oxidare și reacții de dehidrogenare.

Și reacțiile de ardere sunt ori reacții de oxidare, însă e vorba de oxidare totală.

Cracarea și dehidrogenarea sunt ambele reacții de descompunere termică.

În funcție de temperatură poate avea loc fie cracarea, adică ruperea unor legături carbon-carbon,

fie dehidrogenarea, adică ruperea unor legături carbon-hidrogen, fie ambele.

Deci mai putem grupa și astfel principalele reacții ale alcanilor.

Oxidare, substituție, descompunere termică și izomerizare.

Arderea, dehidrogenarea, izomerizarea și halogenarea, care e o reacție de substituție, sunt reacțiile cele mai importante ale alcanilor.

Arderea e reacția care face alcanii cei mai importanți combustibili.

Arderea sau oxidarea totală este procesul de oxidare al substantelor organice sub acțiunea oxigenului din aer.

Pentru ca oxidarea să fie totală e nevoie de un exces de oxigen.

Procesul este însoțit de degajarea unei cantități mari de căldură, motiv pentru care alcanii sunt folosiți drept carburanți și combustibili.

Astfel, arderea este reacția care reacționează motoarele mașinilor.

Reacția generală a arderii necesită o hidrocarbură, oxigen în stare gazoasă și o sursă de căldură.

În acest exemplu avem metanul, componentul principal al gazelor naturale, care arde foarte ușor dacă reacția e inițiată de o stândeie sau de o flacără.

În locul metanului poate fi orice altă hidrocarbură. Reacția ar evolua la fel, singurul lucru care s-ar schimba ar fi coeficienții stoichiometrici.

Produșii reacției de oxidare totală a hidrocarburilor sunt întotdeauna dioxidul de carbon și apa.

Deci doar aceste două substanțe plus o cantitate de căldură în care o notăm cu Q și o mosurăm în kJ.

Cantitatea de căldură degajată de reacție crește cu masa molară al canului supus arderii.

O caracteristică foarte importantă a combustibililor este puterea calorică.

Puterea calorică reprezintă cantitatea de căldură degajată la arderea unui metru cub de combustibil ganzos sau la arderea unui kilogram de combustibil solid sau lichid.

Următoarea reacție caracteristică hidrocarburilor saturate este reacția de substituție.

Reacția de substituție constă în înlocuiria unui atom de hidrogen dintr-un alcan cu un atom sau cu o grupă de atom, fără modificarea catenei al canului.

Se pot substitui unul sau mai mulți atomi de hidrogen. Cea mai importantă reacție de substituție este halogenarea.

Reacția de halogenare presupune substituția unui atom de hidrogen cu un atom de halogen, care poate fi clorul sau bromul.

Produșii de reacție se numesc derivați halogenați. Aceasta este schema generală a reacției de halogenare.

Un atom de hidrogen e înlocuit de un atom de halogen și rezultă alcanul halogenat și un hidracid.

Alcanii reacționează direct cu clorul sau cu bromul la lumină, adică reacționează fotochimic și la orice fel de lumină, solară, de la un bec puternic sau chiar lumină ultravioletă.

Dar pot reacționa și la întuneric, la temperaturi ridicate, cuprinse între 300 și 600 de grade Celsius.

Dintr-un amestec de metan și clor expus la lumină sau încălzit la aproximativ 500 de grade Celsius, obținem un amestec de derivați halogenați cu diferite grade de substituție a hidrogenului.

Adică se formează întotdeauna un amestec de mono- și poli-cloro-alcani.

Derivații clorurației metanului au denumiri uzuale, diferite de denumirile IUPAC.

Acest compus, cunoscut drept cloroform, se numește triclorometan conform regulilor pe care le-am discutat în videoul trecut cu privire la denumiri alcanilor.

În cazul alcanilor, reacția de substituție este neorientată, adică poate fi substuit hidrogenul de la oricare atom de carbon.

Spre exemplu, la monoclorurarea fotochimică a propanului se obține un amestec de izomeri monoclorurați și anume 1-u cloropropanul, denumit uzual și clorură de propil, și 2-u cloropropanul, denumit uzual clorură de izopropil.

Cea de a treia reacție foarte importantă a alcanilor este dehydrogenare și, după cum e evident din denumire, această reacție presupune eliminarea unor atomi de hidrogen din alcani.

Alcanii sunt foarte stabili din punct de vedere termic. Îi putem încălzi până la aproximativ 400 de grade Celsius, iar ei vor rămâne neschimbați.

Însă, la temperaturi mai ridicate, se rup legăturile carbon-carbon sau legăturile carbon-hidrogen.

În general, reacțiile de descompunere termică, care au loc la peste 650 de grade Celsius, se numesc reacții de piroliză, iar cele care au loc la mai puțin de 650 de grade Celsius se numesc reacții de cracare.

Întâlnim astfel de reacții de descompunere termică alcanilor în procesele de prelucrare petrochimică a fracțiilor petroliere.

În funcție de condițiile în care au loc aceste procese, condiții precum temperatură, presiune și prezența sau absența catalizatorilor,

pot avea loc procese de dehidrogenare, din care se obțin alchene sau alchine sau chiar și arene, arene adică hidrocarburi aromatice.

Mai pot avea loc și procese de scindare a catenei, adică de cracare, cu obținere de alcan și de alchene cu molecule mai mici decât alcanul inițial,

sau mai pot avea loc și procese de izomerizare ale alcanilor.

Să luăm ca exemplu reacția de dehidrogenare a etanului.

Din această reacție se obține o alcheno, etena.

Prin eliminarea hidrogenului, atomii de carbon nu mai sunt saturați cu atom de hidrogen,

deci au nevoie să formeze legături duble sau triple pentru a avea iarăși toate cele patru covalențe ocupate.

La încălzirea la peste 600 de grade Celsius a propanului sau a embutanului se obțin alchine cu același număr de atom de carbon prin reacții de dehidrogenare,

dar se pot obține și alcan și alchine cu molecule mai mici prin reacții de cracare.

Și ultimul tip de reacție despre care vom discuta acum este izomerizarea.

Izomerizarea alcanilor presupune transformarea N-alcanilor în izomerilor cu catene ramificate.

Izomerizarea este o reacție reversibilă.

Astfel de reacții au loc în prezență de catalizator precum clorura de aluminiu sau bromura de aluminiu la temperaturi între 50 și 100 de grade Celsius.

La sfârșitul procesului de izomerizare al embutanului se obține un amestec care conține 80% izobutan și 20% embutan.

Această reacție de izomerizare a butanului a fost studiată de către chimistul român Costin Enițescu și părtă chiar numele acestuia.

Cea mai importantă aplicație practică a reacțiilor de izomerizare este obținerea benzinelor de calitate superioară care conține izo-alcan.

Această reacție dezvoltată de Enițescu a fost aplicată pe scară largă în Statele Unite ale Americii

deoarece izobutanul este folosit la sinteza izooctanului, o hidrocarbură care are cifră octanică egală cu 100.

Prin cifră octanică, pe care o scriem pe scurt CO, se apreciază calitatea benzinei.

Cifră octanică este un parametru prin care se caracterizează rezistența la detonație a benzinelor, adică rezistența la autoaprinderea combustibilului

și se stabilește cu ajutorul unei scări convenționale.

Pentru a se determina cifră octanică, se compară comportarea unei benzine cu cea a unui amestec etalon.

Amestecul etalon servește de bază de comparație și este format din hidrocarbur cu proprietăți detonante opuse.

Trept hidrocarbură care detonează greu, deci care are rezistență mare la autoaprindere, se folosește izooctanul

sau 2,2,4-trimetilpentanul, conform denumirii IUPAC.

Izooctanului se atribuie în mod convențional cifră octanică 100.

Trept hidrocarbură care detonează ușor, adică care are rezistență mică la autoaprindere, se folosește n-heptanul.

N-heptanului se atribuie în mod convențional cifră octanică 0.

Și astfel putem defini cifră octanică trept procesul masic de izooctan dintr-un amestec cu n-heptan

care are aceeași rezistență la detonație ca benzina examinată.

Dacă ați fost atenți lecția aceasta, știți ce presupun cele mai importante reacții chimice ale alcanilor.

Lecția trecută am discutat și despre câteva din proprietătile fizice ale acestei clase de compuș,

mai precis despre starea de agregare și despre punctele de fierbere.

Așa că singura proprietate importantă despre care mai trebuie să vorbim este solubilitatea alcanilor.

N-alcanii și izooalcanii sunt insolubili în apă.

Apa este un solvent polar, iar după cum știm, alcanii au molecule nepolare.

Deci alcanii se dizolvă în solvenți nepolari, ca de exemplu benzina sau tetraclorura de carbon.

În lecțiile viitoare vom vedea cum lucrurile devin din ce în ce mai interesante

când compușuri organici conțin și legături duble sau triple în structura lor.