Alcani

Sono gli idrocarburi che hanno il metano come capostipite, il C con ibridizzazione tetraedrica ed il legame semplice C - C. In tabella è riportato l'avvio della serie degli idrocarburi saturi fino a 5 atomi di C, sviluppando la formula generaleC_nH_2n+2 ;oltre a quello di struttura si riporta anche la formula razionale che, condensano gli H sul C cui sono legati, costituisce un qualche cosa d'intermedio fra le due.

La radice del nome sistematico, valida non solo per gli alcani, è legata al numero di atomi di C.

Già si è detto che sulla base della rotazione intorno al legame C - C, non ha senso cercare se gli etani possano essere più di uno e la cosa vale anche per i termini superiori. Sotto un'ottica diversa, quella cioè della diversa concatenazione degli atomi di C, ha invece senso indagare su possibili differenze. Si prenda la formula bruta C₄H₁₀. Si vede subito che i quattroC possono essere concatenati in modo lineare[18] o in modo ramificato[19] e le due strutture rappresentano due molecole realmente diverse, fisicamente e chimicamente distinguibili. Quale delle due rappresenta il butano? Entrambe.

H H H H H H H 1 2 3

| | | | | | | CH₃ - CH - CH₃

H - C - C - C - C - H H - C - C - C - H |

| | | | | | | CH₃

H H H H H H - C - H H

|

H

[18] [19] [19]

Se si prova con il pentano, si riesce a scriverne tre:  

C - C - C - C - C  C - C - C - C C

| |

C C - C - C

|

C

[20]

Con i C₂₀H₄₂ si riesce a scriverne 366.319! La coppia del butano [18]-[19], la terna del pentano [20]-[21]--[22] e così via, caratterizzate da ugual formula bruta, ma diversa formula di struttura costituiscono un esempio di ISOMERI DI STRUTTURA (detti anche isomeri di catena). Nasce immediatamente il problema della nomenclatura. La nomenclatura corrente indicava come n - butano [18] e come isobutano [19], ma come si fa a inventare 366.319 per l'eicosano? Ecco la necessità di una nomenclatura ufficiale. Per dare il nome ad un alcano la nomenclatura sistematica si basa su alcune regole che possono così essere considerate:

cercare la catena più lunga di atomi di C che fornirà la RADICE del nome;

numerare, preceduti da un numero il più piccolo possibile, i gruppi alchilici (alcani a cui manca un atomo di H), simboleggiati genericamente con -R ;

usare prefissi di molteplicità: MONO, BI, TRI, TETRA

ESEMPI:

CH₃ - CH - CH₃

| metilpropano [19]

CH₃

Il butano [19] ha in realtà una catena di 3 atomi di C ( 3=radice prop - ) al secondo dei quali è attaccato l'alchile - CH₃ (cioè metano senza un idrogeno, quindi metile). Dire che il -CH₃ è attaccato al C₂ è superfluo perché non vi sono alternative. La molecola si chiama ufficialmente METILPROPANO.

CH₃ CH₃

| |

⁵CH₃ - ⁴CH - ³CH₂ -²C - ¹CH₂ TRI-METIL - PENT-ANO

CH₃ ( 2,2,4 TRIMETILPENTANO)

[23]

Radice PENT- ,prefisso di molteplicità TRI (perché ci sono tre metili); numerazione da destra a sinistra in modo da usare i numeri 2,2,4(questi numeri si riferiscono alla posizione dei gruppi metilici - CH₃ ,più piccoli di 2,4,4 numerazione da sinistra).

Quest'esempio è utile per classificare gli atomi di C in :

PRIMARI → legati ad un solo C (sono tali tutti i gruppi - CH₃ ) ;

SECONDARI → legati a due C ( - CH₂ - del[23] )

TERZIARI → legati a tre C (il numero 4 del[23]) ;

QUATERNARI → legati a quattro C (il numero 2 del[23]) .

|

- C -

| | | | | | | | | |

C¹ - C² - C³ - C⁴ - C⁵ - C⁶ - C⁷ - C⁸ - C⁹ - C¹⁰

| | | | | | | | |

- C - - C - | |

| | - C - - C - - C -

- C - | | |

|

Catena più lunga 10 C = radice del nome DEC - ; i gruppi alchilici vengono citati in ordine alfabetico, l'alchile in 7 ha 3 C, quindi è un propile, chiamato isopropile perché legato con il secondo dei tre C.

Il nome è: 5 ETIL - 7 ISOPROPIL - 3,3 DI METIL DECANO

Si noti che [19] è uno dei due butani, [23] uno dei tanti ottani e [24] uno dei tanti eptani.

Hanno nome di uso comune conservato :

[19] isobutano;

[21] isopentano,

[22] neopentano.

Si esaminino ora le principali proprietà fisiche degli alcani:

da C₁ a C₄ sono gassosi ed inodori( il metano viene odorizzato con additivi per individuarne le fughe);

da C₅ a C₈ sono liquidi ed hanno odore di benzina;

da C₉ a C sono liquidi inodori

- oltre C sono solidi

hanno densità massima 0,8 per cui galleggiano sull'acqua(inquinamento da scarico di petroliere;

mai spegnere un incendio di idrocarburi con acqua! );

non sono solubili in acqua.

Si è visto che, tra molecole non polari, si esercitano deboli forze attrattive a livello della superficie, chiamate forze di dispersione o di Van Der Waals. Sarà logico quindi che, al crescere delle dimensioni  molecolari, si intensifichi la forza di attrazione reciproca e che lo stato fisico passi gradualmente da gassoso, a liquido, a solido. A pari massa molecolare, diventa determinante la forma della molecola :così ad esempio il pentano [20] bolle a temperatura più alta del neopentano [22], in quanto, pur avendo lo stesso peso molecolare, il pentano ha forma assimilabile ad un cilindro e tra cilindri le forze attrattive superficiali si esplicano meglio che non tra sfere (la cui zona di contatto è ridotta ad un punto).

P. EB.=36ºC

[20]

P. EB.=9,5°C

[22]

Sciogliere in acqua un idrocarburo significherebbe spendere energia per vincere l'attrazione idrocarburo - idrocarburo( debole), quella acqua - acqua (forte), per ricavarne quella di formazione dei legami deboli idrocarburo - acqua .

Una molecola fatta di atomi "leggeri"come C e H sarà logicamente leggera, cioè dotata di bassa densità. Si considerino ora gli aspetti chimici (preparativi e reazionali).

I primi sono presto esaminati in quanto di metano e dei suoi fratelli maggiori la natura ne offre in abbondanza nei giacimenti petroliferi. Può avere interesse la sintesi di alcani di struttura particolare.

Gli aspetti reazionali possono essere ricondotti al nome latino PARUM - AFFINI (paraffine), che indica una scarsa reattività. Ci sono tuttavia due reazioni degli alcani sulle quali ci si deve soffermare: CLORURAZIONE e COMBUSTIONE

Se si carica con i due gas, metano e cloro, un recipiente di vetro ricoperto da carta stagnola, non avviene alcuna reazione, nonostante i dati termodinamici [25] la presentino come reazione altamente spontanea e favorita.

CH₃ - H + Cl - Cl → CH₃ - Cl + H - Cl ΔG= -25Kcal/mol

K = 10¹⁸ ( spostata a destra)

[25] .

Tolta la stagnola, si illumina con luce ultravioletta, assistendo così ad una reazione repentina e quasi esplosiva; la luce ha cioè esercitato il suo effetto catalitico facendo decorrere la reazione attraverso i seguenti stadi .

INIZIO DELLA CATENA

alla luce il legame si rompe in parti uguali si chiama OMOLITICA

Cl . Cl 2Cl

Le due particelle che sono rimaste sono uguali e sono 2 atomi di Cl definite radicali cloro.

[27]

CH₄ Cl CH₃ + HCl

Proazione della

torna in ciclo catena.

. CH₃  + Cl₂ CH₃Cl + Cl

[27] e [28] si ripetono finché il radicale cloro e un radicale metile non si uniscono.

In [26] si ha la rottura omolitica del legame Cl - Cl con formazione del radicale Cl

. (radicale = atomo o raggruppamento di atomi con un elettrone spaiato ) che in [27] strappa H

. al metano formando il radicale metile che in [28] ripristina il radicale Cl

. producendo il CLORURO DI METILE; la sequenza di [27] e [28] si ripete a catena .

Alla fine della reazione si trovano:

CH₄ CH₃Cl CH₂Cl₂ CH Cl₃ CCl₄

miscelati tra loro in quanto il Cl

. ha la possibilità di strappare H

. non solo a CH₄ , ma anche a CH₃Cl e così via. Gli estremi hanno caratteristiche differenti CH₄ ottimo combustibile mentre CCl₄ si usava come liquido degli estintori. La reazione costituisce un esempio di reazione di SOSTITUZIONE

La combustione è la reazione per cui un idrocarburo si ossida rapidamente e completamente, ad alta temperatura, ad anidride carbonica ad H₂O; è un processo esotermico che, se avviene a pressione costante("a cielo aperto"), viene valutato attraverso il valore di ΔH . Per la combustione del metano [29] si ha un valore sperimentale in buon accordo con quello calcolabile dai valori tabulati dell'energia di legame.

C  - H 99 Kcal/mole

O =  O 119 Kcal/mole

C =  O 192 Kcal/mole

O -  H 111 Kcal/mole

CH₄ + 2 O₂ CO₂ + 2H₂O

ΔH sperimentale = -l92 Kcal/mol

Le calorie per demolire i legami CH e la molecola O₂ sono assorbite, mentre le altre sono liberate. Questa reazione sviluppa energia.