Propiedades químicas de los alcanos

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La combustión. 

La oxidación de alcanos por oxidación en presencia de $\color{#006cda}{\text{O}}_2$ como agente oxidante, producen dióxido de carbono y agua. Esta es, sin duda, la reacción más significativa desde el punto de vista económico. Esta reacción de los hidrocarburos saturados es fundamental para su utilización como fuentes de energía, tanto para calor (como en el caso del gas natural, gas licuado de petróleo (GLP) y aceite combustible) como para energía (gasolina, diésel y combustible de aviación). A continuación, se presentan las ecuaciones equilibradas para la oxidación completa del metano, principal componente del gas natural, y del propano, componente principal del GLP.

$$\color{#006cda}{\text{CH}}_4 + \color{#006cda}{\text{O}}_2 \xrightarrow{\Delta} \color{#006cda}{\text{CO}}_2 + \color{#006cda}{\text{H}}_2\color{#006cda}{\text{O}} \quad \color{black} \Delta H^\circ = -890.4 \,\color{purple}{\text{kJ/mol}}$$

Ecuacion química para la combustión del metano junto con el parámetro de calor de reacción asociado. Recuerda que si la entalía es negativa significa que los reactantes son mas valiosos que los productos y por lo tanto hay liberacion de energia.

La entalpía de reacción, representada por $\Delta H$, indica el cambio de energía en forma de calor durante una reacción química. Al ser una diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactivos, puede tomar valores positivos o negativos, dependiendo de si la reacción absorbe o libera calor. En las reacciones de combustión, $\Delta H$ siempre es negativo, ya que se libera calor al entorno. Aunque el signo negativo puede parecer contradictorio, se debe a que $\Delta H = H_{\text{final}} - H_{\text{inicial}}$: si los reactivos poseen mayor energía que los productos, el resultado será necesariamente negativo. 

Por otro lado, el parámetro $\Delta H^\circ$ representa la entalpía estándar de reacción. Esta se refiere a una reacción química en la que todos los coeficientes estequiométricos están expresados en sus menores números enteros posibles. Además, debe interpretarse como la entalpía correspondiente a condiciones estándar, tal como se indica en el enunciado: generalmente 1 atm de presión y 298 K de temperatura y desplegado en tablas de datos al final de un libro o dado por un enunciado. Por lo tanto, $\Delta H^\circ$ no solo refleja una forma simplificada de la reacción, sino también un valor tabulado bajo condiciones controladas y reproducibles.

Para calcular la entalpía de las reacciones podemos usar ya sea el siguiente teorema. 

Figura 1. Donde ΔH es el calor de la reacción experimental en $\color{Purple}\textbf{kJ}$, ΔH° es el calor de la reacción estándar dado en el enunciado en $\color{Purple}\textbf{kJ/mol}$, νi es el número estequiométrico de la sustancia clave del enunciado, mi es la masa de la sustancia clave que sale en el enunciado y Mi es la masa molar de dicha sustancia calculada con los datos de la tabla periódica. La demostración puede encontrarse en este enlace.

Es común que las reacciones de combustión no se formulen en su ecuación estándar, sino de manera que el coeficiente estequiométrico del compuesto clave sea 1. Esto suele generar un coeficiente fraccionario para el oxígeno, lo que implica que los coeficientes estequiométricos solo pueden interpretarse en términos molares.  

Las entalpías reportadas en estos casos corresponden, en realidad, a la entalpía estándar de combustión $\Delta H^{o}_{i}$ de la sustancia, lo que permite simplificar la expresión tanto mediante teoremas como por factores de conversión, de la siguiente manera:

Figura 2. Entalpía de la combustión, esta fórmula corta asume que en la ecuación química, la sustancia clave que se quema siempre tiene número estequiométrico de 1, aun a costa de tener los oxígenos como fracciones no enteras.

Crakeo o rompimiento térmico. 

Los alcanos de bajo peso molecular, como el metano, el propano y el butano, así como muchos isómeros de los alcanos de ocho carbonos (octanos), son altamente demandados en el mercado. Sin embargo, los alcanos de mayor peso molecular, como las ceras, tienen un valor comercial mucho más bajo. Es por esto por lo que el craqueo (o cracking) de alcanos se ha convertido en un procedimiento clave para maximizar las ganancias obtenidas de una mezcla de alcanos naturales, como el petróleo. La palabra "cracking" significa literalmente "rompimiento" y hace referencia al proceso de ruptura de los enlaces sigma entre átomos de carbono. Este proceso puede dar lugar a la formación de alcanos más ligeros y/o la síntesis de otras sustancias orgánicas, como los alquenos. El reactor en el que ocurre este proceso debe ser anaeróbico; de lo contrario, podrían surgir problemas de seguridad en la refinería, con riesgos para los trabajadores y accidentes.

Propiedades químicas: Halogenación

La halogenación es un proceso químico en el cual uno o varios átomos de elementos del grupo de los halógenos (grupo 17 de la tabla periódica) se incorporan a una molécula orgánica. Este proceso es un aspecto fundamental de la química orgánica, ya que, generalmente, las reacciones tienden a generar una variedad de productos relacionados. En este contexto, la proporción de los productos depende de las cantidades relativas de los reactivos utilizados. Por ejemplo, en el caso del metano, un exceso de hidrocarburo favorece la formación de cloruro de metilo $\color{#006cda}{\text{CH₃Cl}}$, mientras que un exceso de cloro favorece la formación de tetracloruro de carbono $\color{#006cda}{\text{CCl₄}}$.

Figura 1. Cloración del butano, favorece levemente la producción de 2-clorobutano.

Figura 2. Bromación del butano, favorece fuertemente la producción de 2-bromobutano.

En los alcanos de mayor longitud, el carbono que más frecuentemente recibe el halógeno es el que tiene menos hidrógenos. Por esta razón, las halogenaciones son menos comunes en los extremos de la cadena y más frecuentes en las posiciones internas, especialmente cuando existen ramificaciones con grupos alquilo. Los carbonos en una cadena se clasifican como cuaternarios si no tienen hidrógenos, terciarios si tienen un hidrógeno, secundarios si tienen dos hidrógenos y primarios si tienen tres. En la halogenación, los halógenos se unen preferentemente al carbono terciario, luego al secundario, y, si no están disponibles, al primario.

Calor de reacción de combustión

Ejemplo 1. Se queman 32 g de metano (CH₄) en exceso de oxígeno. Sabiendo que la entalpía de combustión del metano es −890 kJ/mol, calcula el calor liberado en la reacción. https://youtu.be/3PxuUb8Of2M

Ejemplo 2. Se dispone de 20 g de etano (C₂H₆) que se queman completamente en oxígeno. La reacción de combustión se expresa de la siguiente forma: C₂H₆ + ³⁄₂ O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O Se indica que la entalpía de combustión es –1560 kJ/mol, es decir, se liberan –1560 kJ por cada mol de etano consumido. Determine el calor liberado al quemar 20 g de etano. https://youtu.be/EYmTMub0kQk

(Brown et al., 2018 “orgánica”) Problema 2.57 A continuación se presentan los calores de combustión por mol para el metano, el propano y el 2,2,4-trimetilpentano. Cada uno es una fuente principal de energía. En base a la cantidad de gramos, ¿Cuál de estos hidrocarburos es la mejor fuente de energía térmica? https://youtu.be/qGC9v6uv8Fg

Balanceo de materia en combustiones

(Brown et al., 2018 “orgánica”) Problema 2.56a-b Completar y balancear la ecuación de combustión. Asumir la combustión completa. Propano + O₂;  Octano + O₂ :  https://youtu.be/tCefxJMpKwM

(Brown et al., 2018 “organica”) Problema 2.56c-d Completar y balancear la ecuación de combustión. Asumir la combustión completa. Ciclohexano + O₂;  2-Metilpentano + O₂ : https://youtu.be/5dg03G4R5GY

Halogenación

Ejemplo 1. Indica cual es el isómero mas probable producido durante a (CH₃-CH₂-CH₃ + Cl₂ → ?) b (CH₃-CH₂-CH(CH₃)-CH₃ + Br₂ → ?) c (CH₃-CH(CH₃)-CH₃ + Cl₂ → ?) d (C₅H₁₀ + Br₂ → ?) e (CH₃-CH₃ + Cl₂ → ?) https://youtu.be/61g2cBczpy8