Este documento describe las propiedades físicas y químicas de los alcanos, que son hidrocarburos saturados compuestos solo de carbono e hidrógeno. Explica que los alcanos varían sus puntos de fusión y ebullición con el aumento del número de átomos de carbono, y que son insolubles en agua pero solubles en otros solventes orgánicos. También describe la hibridación del carbono en los alcanos, donde los orbitales atómicos se mezclan para formar nuevos orbitales híbridos sp3 que permit

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7. Hidrocarburos I
Alcanos: mucho más que dos
7.1 Introducción
¿Qué nos proponemos? Dentro de la química orgánica encontramos un sin número de moléculas tal que
es imprescindible ordenarlas y sistematizar su estudio.
!"Caracterizar los Los compuestos más sencillos son los hidrocarburos, que se caracterizan
distintos hidrocarburos por estar formados por átomos de dos elementos: el carbono y el
!"Vincular los distintos hidrógeno.
grupos funcionales A su vez estos compuestos podríamos clasificarlos de acuerdo con
con sus propiedades distintos criterios :
químicas 1. de cadena lineal o ramificada
2. de cadena abierta o cerrada
3. saturados o insaturados, dentro de estos últimos, hay tres grandes
grupos con propiedades químicas muy diferentes1, según
presenten en su cadena enlaces covalentes:
a) simples
b) dobles
c) triples
llamados respectivamente: alcanos, alquenos y alquinos.
Empezaremos nuestro trabajo con los hidrocarburos más sencillos, los
alcanos.
7.2 - Algunas consideraciones generales
El gas que sale cuando encendemos nuestras cocinas, o bien la nafta que
cargamos en el automóvil, o el asfalto sobre el que circulamos en una ciudad,
o las velas que se usan en ocasiones, están constituidos por hidrocarburos
saturados, donde todas las uniones entre los átomos de carbono son enlaces
simples.
Ya hemos practicado su nomenclatura y representación, por eso seguiremos
con sus propiedades físicas.
7.3 - Propiedades físicas
Actividades 1.- Completen la siguiente tabla de datos investigando las propiedades físicas
de los alcanos:
1
Deliberadamente, dejamos de lado los hidrocarburos aromáticos, que nos acompañarán en posteriores unidades.
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Nombre Mr Estado Temperatura de Temperatura Densidad
físico fusión de ebullición g/cm3
ºC ºC
Metano
Etano
Propano
Butano
Metilpropano
Pentano
Metilbutano
Hexano
Metilpentano
2,2-dimetilpentano
Heptano
Octano
Nonano
Decano
Hexadecano
Eicosano
Triacontano
Punto de fusión
2.- Realicen en distintas hojas de papel milimetrado los siguientes gráficos, usando
los datos de la tabla anterior.
• Punto de fusión en función del número de átomos de carbono de la molécula
• Punto de ebullición en función del número de átomos de carbono de la molécula
Nota : para aquellos compuestos que tienen el mismo número de átomos de carbono
en la molécula, marquen con diferentes colores los hidrocarburos ramificados.
3.- Analicen los gráficos e indiquen:
• ¿Cómo varía el punto de fusión de los alcanos con el aumento de átomos de
carbono en la cadena ?
Nº de átomos de • ¿Cómo varía el punto de ebullición de los alcanos con el aumento de átomos
carbono de carbono en la cadena?
Al alargarse la cadena
carbonada la ∆ H vap se
incrementa alrededor de
4,18 kJ por átomo de 4.- Comparen los valores de densidad de estas sustancias con el del agua.
carbono y por mol para
convertir el líquido en 5.- ¿Son solubles en agua ? ¿Y en otros solventes ? Mencionen ejemplos.
vapor.
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Conclusiones • Punto de fusión
• Punto de ebullición
• Densidad
• Solubilidad en agua y en otros solventes
• ¿Qué relación pueden establecer entre la estructura, las
fuerzas de atracción intermoleculares?
• ¿Qué ocurre cuando moléculas con igual cantidad de átomos
de carbono, tienen distinta cadena? ¿Por qué?
7.4 - Isomería
Actividad : ¿Cuáles son los Para los alcanos que tienen cuatro o más átomos de carbono, la
hidrocarburos isómeros de fórmula molecular no es suficiente para indicar su estructura, porque
fórmula molecular C6H14 ? existen diversas formas y todas tienen existencia real, por ejemplo: se
conocen dos compuestos que tienen la misma fórmula molecular
C4H10. Uno hierve a -0.5 ºC y el otro a -12ºC.
Cuando dos compuestos tienen igual fórmula molecular, pero
difieren en su comportamiento químico o físico se denominan
isómeros.
Ilustración 1 representativa con modelos moleculares
En el ejemplo se da isomería de cadena, ya que difieren en la
distribución de la cadena hidrocarbonada.
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7.5 Para obtenerlos mejor...
Los métodos de obtención difieren según el objetivo que se persigue y
pueden clasificarse en :
a) métodos de laboratorio: se preparan pocas centenas de gramos, el fin
último es la investigación, por lo que los costos ocupan un lugar
secundario.
b) métodos industriales: proporcionan grandes cantidades de producto con
bajo costo. Muchas veces no es demasiado importante el grado de pureza
y en general se busca desarrollar y diseñar los equipos necesarios.
Hasta el butano, se recurre a la destilación del petróleo y el gas natural
(véase unidad 5). Para hidrocarburos con mayor número de átomos de
carbono resulta muy difícil separar los distintos isómeros, por eso se debe
recurrir a las síntesis de laboratorio.
Algunos métodos son:
a) Hidrogenación de alquenos (véase unidad 8)
b) Reducción de halogenuros de alquilo
c) Síntesis de Wurtz
Los que deseen informarse sobre este tema pueden hacerlo en el Anexo I.
7.6 ¿Cómo se portan?
Los alcanos recibieron durante mucho tiempo el nombre de “parafinas” del
latín “poca afinidad”, que ilustra lo particularmente poco reactivos que son.
Esto es así porque no presentan ninguna de las características necesarias para
ser reactivos:
• no poseen cargas,
• no presentan electrones desapareados
Aquel bochornoso • carecen de enlaces múltiples o alta polaridad.
baile... Sólo reaccionan en condiciones muy drásticas.
Comentaremos a continuación algunas de las reacciones en las que
En la corte de Carlos X de participan
Francia en las Tullerías,
durante un baile, los 1. Halogenación: la reacción se produce en presencia de luz o bien a
invitados empezaron a altas temperaturas (250 ºC - 400 ºC). Se da una reacción de
mostrar síntomas de sustitución, donde un átomo de hidrógeno del alcano es sustituido
intoxicación debido a un por un átomo de halógeno (cloro o bromo) y se forma como
gas muy sofocante. Las producto secundario cloruro o bromuro de hidrógeno. Esta reacción
velas ardían, y cada vez se tiene importancia industrial para la preparación de solventes. El
hacía más insoportable la mecanismo por el cual se produce esta reacción se denomina de
humareda... al punto tal “radicales libres” y consta de tres etapas que ejemplificaremos para
que debieron abandonar el metano y cloro:
salón. El consejero a) Iniciación: la molécula de cloro se rompe y se originan dos
químico del rey propuso radicales (átomos de cloro con un electrón desapareado).
luz
llamar a un joven
Cl 2  → Cl !

calor
científico, Dumas quien
encontró que las velas
habían sido blanqueadas b) Propagación: debido a su gran reactividad, los radicales
para mejorar su aspecto cloro reaccionan con la molécula de metano, formando un
con cloro . ¿Qué reacción nuevo radical.
se estaba produciendo ?
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se estaba produciendo ? Cl ! + CH 4  → CH ! + HCl
 3
¿Cuál fue el
descubrimiento de CH ! + Cl 2  → CH 3 Cl + Cl !
3 
Dumas ?
c) Terminación: los radicales se combinan, se forman
moléculas, y finaliza la reacción
CH 3 º + Cl º → CH 3 Cl
Clº + Clº → Cl 2
2. Combustión : En condiciones adecuadas los alcanos reaccionan con
oxígeno. En un motor o en un horno industrial, habitualmente se
utilizan mezclas de alcanos como combustibles. Los productos que
se forman son dióxido de carbono y agua y se libera una gran
cantidad de calor. Como ejemplo podemos citar la reacción del
metano con oxígeno que es la reacción que se produce en nuestras
casas en las estufas, el horno o las hornallas de la cocina. Cuando la
proporción de oxígeno es baja se producen combustiones
incompletas y se forman como productos de la combustión otras
sustancias como CO y C (hollín)
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O ∆Hº = -890 kJ
3. “Cracking” : Esta reacción se utiliza como hemos visto para
aumentar el rendimiento del petróleo en naftas. Consiste en calentar
la mezcla de hidrocarburos de gran masa molar hasta provocar su
ruptura. Para trabajar a menores temperaturas se usan catalizadores
(bentonitas). Los productos son mezclas de alcanos y alquenos de
cadenas más cortas e hidrógeno.
7.7 Hibridación del carbono en los alcanos.
Antes de empezar con este punto, les proponemos hacer un repaso
sobre orbitales átomicos.
Podríamos preguntarnos inicialmente qué tipo de uniones presentan
las moléculas de hidrógeno o las de cloruro de hidrógeno.
Energía Recordemos los estudios de 3º año. Para formar una molécula de
hidrógeno necesitamos que se superpongan los orbitales “s” del
hidrógeno formando “un nuevo orbital2” que da lugar a la unión. Este
nuevo orbital es simétrico con respecto a la línea imaginaria que une
los dos núcleos de átomos que participan en la unión. Estos enlaces se
denominan enlaces σ.
+
1s1 1s1
Representaremos ahora un orbital que se forma por superposición de
configuración electrónica dos orbitales p, como por ejemplo en el caso del cloro
del carbono. Veamos:
2
Si bien se forma también un orbital antienlazante, creemos que este concepto excede el alcance de este texto.
7-5

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+
px px
orbital sigma
¿Cómo será el enlace σ entre un átomo de hidrógeno y un átomo de
cloro para formar una molécula de cloruro de hidrógeno?
Ahora, analicemos las moléculas constituidas por átomos de carbono.
Por ejemplo, la molécula de metano CH4.
Para empezar recordemos la configuración electrónica del carbono :
El carbono tiene seis electrones que se distribuyen de la siguiente
manera:
a) dos electrones en el primer nivel, subnivel s.
b) dos electrones en el segundo nivel, subnivel s.
c) dos electrones en el segundo nivel, subnivel p.
Claramente se observa que el carbono sólo dispone de dos electrones
desapareados en el subnivel p. Inicialmente, podríamos pensar que se
formarán dos uniones covalentes simples y la fórmula del metano
sería CH2.
109º
Sin embargo, los experimentos indican que la molécula de metano está
formada en un 75% m/m por carbono y un 25% m/m de hidrógeno.
Actividad: Escriban la fórmula molecular de metano a partir de los
datos anteriores.
Se demuestra entonces que el carbono forma cuatro enlaces
covalentes.
Esto se puede explicar si pensamos que un electrón del átomo de
carbono se promueve del subnivel 2s al orbital 2p vacío, quedando de
esta manera un electrón desapareado en cada orbital. Estos orbitales,
“mezcla” de un orbital s y 3 orbitales p, dan origen a cuatro orbitales
sp3 y se los llama orbitales híbridos sp3.
Son equivalentes y se orientan en el espacio formando ángulos de 109º
entre ellos.
uniones sigma La unión se produce por superposición frontal de los orbitales híbridos
H
del carbono (sp3) con los cuatro orbitales s del hidrógeno.
C H Como en los casos anteriores se originan entonces 4 orbitales de tipo
H H
σ.
Para representar la molécula de etano recordemos que los átomos de
carbono, con geometría tetraédrica, se unen entre sí para formar
enlaces σ entre los orbitales sp3 y el resto de los orbitales sp3 de cada
carbono forman uniones de tipo σ con los orbitales 1s del hidrógeno.
Les proponemos ahora trabajar en la elaboración de sus propios
modelos moleculares, y “armar” sus moléculas de alcanos.
7-6

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La hibridación es la mezcla o reordenamiento de orbitales atómicos de un mismo átomo para dar un nuevo
conjunto de orbitales, llamados híbridos que presentan una geometría acorde con la determinada
experimentalmente para la molécula a la que pertenece el átomo.
7.8 Modelo para armar
Opción I
¿Qué necesitamos ? • Esferas de telgopor, de masilla, crealina, o plastilina. Les
sugerimos trabajar con esferas de distintos tamaños y colores, para
representar átomos de carbono y átomos de hidrógeno.
• cartón o cartulina.
• varillas de madera, de metal, de plástico, o simplemente resortes.
• lápiz
• tijera
¿Cómo lo hacemos ? Manos a la obra ! ! !
1. Dibujen un triángulo equilatero de 10 cm de lado sobre una hoja de
papel.
2. Recorten la figura.
3. Tracen las bisectrices de los ángulos.
4. Coloquen la esfera en la intersección de las bisectrices y trace tres
coordenadas sobre la esfera con un lápiz o marcador, siguiendo las
direcciones de las bisectrices y coloque en el lugar en el que se
cortan una de las varillas para representar un enlace.
5. Construyan un ángulo plano de 109º, recórtenlo y luego quítenle
un sector de radio igual al radio de la esfera.
6. Apliquen el ángulo sobre una de las coordenadas, a partir del
escarbadientes colocado anteriormente y donde termina dicho
ángulo dispongan otro escarbadientes.
7. Repitan sobre las otras coordenadas.
8. Obtendrán así una esfera con cuatro “enlaces” que forman entre sí
ángulos de 109º. La esfera representa el átomo de carbono y se
puede usar en distintos modelos moleculares.
Opción II(Modelos tipo Dreiding)
¿Qué necesitamos ? • Alambre flexible de 1 mm de diámetro.
• Uniones de plástico (spaghetti)
• Adhesivo
• Pinza
• Transportador
• Lápiz y papel.
¿Cómo lo hacemos ? 1. Corten trozos de alambre de 10 cm de largo
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2. Marquen en una hoja un ángulo de 109 º
3. Sujeten el alambre por el medio con la pinza y dóblenlo tratando
de que alcance el ángulo de 109º.
4. Repita la operación con los distintos trozos.
5. Una vez doblados, péguenlos (también se pueden soldar) de a
pares.
6. Obtenidos los tetraedros, corten los trozos de “spaghetti” con una
longitud de 5 cm. Coloquen las cubierta de los cables en los
extremos de cada alambre, que les permitirán unir los distintos
esqueletos y modelizar moléculas de distintos alcanos
Hemos trabajado hasta aquí en la confección de distintos modelos moleculares que nos permitirán
aproximarnos y explicar algunas propiedades de estos compuestos. Estos modelos son representaciones que
nos permiten sortear algunas dificultades que resultan de representar en el plano las moléculas
tridimensionales.
7.9 Algunos ejercicios
1. Escriban las fórmulas estructurales y verifiquen si están
nombrados correctamente de acuerdo con la nomenclatura de la
IUPAC.
a) 2,3-dimetilbutano
b) 2,5-dimetilhexano
c) 2,2,3-trimetilhexano
d) 3-etil-2,2-dimetilheptano
e) 2,4-dimetil-3-etilhexano
f) 2-metil-3-etilpentano
Indiquen los carbonos primarios, secundarios terciarios y
cuaternarios
2. Ordenen según los puntos de ebullición crecientes los
siguientes compuestos:
3,3-dimetilpentano
n-heptano
2-metilheptano
2-metilhexano
n-pentano
3. Escriban las fórmulas semidesarrolladas de seis isómeros del
cadena del octano.
4. Completen las siguientes ecuaciones y nombren los
productos orgánicos obtenidos:
etano + cloro →
luz
a)
b) 2-metilbutano + O2 ----->
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c) 2,3-dimetilhexano + O2 ------>
butano →
pirolisis
d)
e) metano + HNO3 -------->
f) 2-bromopropano + .......Na ------>
g) yoduro de propilmagnesio + H2O ------>
Son ejercicios d, e, f y g son opcionales .
5. Reaccionan 5 g de ioduro de etilo con exceso de sodio según
la reacción de Wurtz, ¿cuántos gramos de producto se
obtienen suponiendo el 60% de rendimiento?
6. Si con un exceso de cloro se convirtieran 10 litros de metano
medidos en CNPT, en tetracloruro de carbono, ¿Cuántos
gramos de este compuesto se obtendrían suponiendo un
rendimiento del 90%?
7. Indiquen por medio de las ecuaciones que estime
conveniente los métodos para llevar a cabo las siguientes
conversiones.
a) propano a hexano
b) bromuro de isopropilo a 2,3-dimetilbutano (el
bromuro de isopropilo también se denomina
2-bromopropano)
c) cloruro de pentilo a pentano.
8. La evaporación de 1 g de cloroalcano de naturaleza
desconocida da 617 cm3 medidos a 0.98 atmósferas de
presión y 373 K de temperatura. ¿Cuál es la fórmula
molecular de este compuesto?
9. Se les ha asignado el trabajo de analizar una mezcla de gases
combustibles que contiene propano y butano.
Cuando van al laboratorio, descubren que el analizador de gases
(cromatógrafo) se ha descompuesto otra vez y tienen que
planear un experimento de combustión para realizar las
mediciones.
Cargan una cantidad de la mezcla gaseosa en una cámara evacuada y
añaden aire a la misma.
Encienden la mezcla, permiten que la combustión se complete y
realizan un análisis sobre una muestra del producto gaseoso.
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La composición, determinada en base seca (es decir sin considerar el
vapor de agua) y expresada en fracciones molares, es:
0,848 de N2 ;
0,114 de CO2 y
0,038 de O2.
¿Cuál es la fracción molar de propano en el gas combustible?
Dato : la proporción de nitrógeno/oxígeno en el aire es de 78 :21
Xpropano=0.4296
10. Un gas combustible que contiene 81 % de metano, 8 % de
etano 5 % de propano, 4 % de n-butano y 2 % de isobutano
en moles, fluye hacia un horno a una velocidad de 0,4 m3/s a
35 °C y 50 kPa, en donde se quema con un exceso de aire
del 15 %. Calculen la velocidad de flujo de aire requerida en
m3/h.
Vaire=17400 m3/hora.
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7.10 Anexo I Para seguir avanzando
7.10.1 Síntesis de alcanos
#"
Reducción de halogenuro de alquilo : podemos realizar la
reducción directa de los halogenuros de alquilo (RX) con reactivos
tales como zinc y ácido clorhídrico en solución alcohólica. La
reacción puede representarse con la siguiente ecuación3
RX + 2[ H] → RH + HX
#"
Síntesis de Wurtz : en esta reacción se pone en contacto sodio
metálico con una solución diluida de halogenuro de alquilo.
Se forma el compuesto organometálico (alquilsodio).
Con exceso de halogenuro de alquilo, se produce un
desplazamiento del halógeno por el ion alquiluro para dar: un
hidrocarburo saturado en el que se unen ambos grupos alquilo.
Esta síntesis permite obtener alcanos de cadena par.
2 RX + 2 Na → R − R + 2 NaX
donde X es el halógeno
I) R: X + 2 Na º → R: − Na + + Na + X −
II) R: − Na + + R: X → R: R + Na + X −
Si se utiliza una mezcla de dos halogenuros de alquilo se obtienen
3 hidrocarburos y la separación se torna dificultosa.
#"
Hidrogenación de alquenos : Constituye un método de síntesis
muy importante, se realiza con catalizadores de platino o paladio a
temperatura ambiente y presión normal. El níquel, menos reactivo
como catalizador, requiere el empleo de temperaturas más elevadas
(100 ºC a 150 ºC) y presiones de 70 atm.
R − CH = CH − R + H 2  → R − CH 2 − CH 2 − R

Platino , Paladio , Niquel
3
En esta ecuación se representa entre corchetes el hidrógeno atómico que es el producto de la reacción entre el zinc y el ácido clorhídrico en esas
condiciones
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