H I D R O C A R B O N E T O S

H I D R O C A R B O N E T O S

Hidrocarbonetos (HC)



São os “esqueletos” dos compostos orgânicos, constituídos somente por átomos de C e H.

CARACTERÍSTICAS DO CARBONO

Covalência



Estabelece ligações com vários átomos e grupos com combinações variadas. É tetravalente.

Ligação C-C



Estabelece ligação estável com outros carbonos. Forma cadeias carbônicas de comprimento ilimitado.

As ligações múltiplas C-C aumentam o número de compostos orgânicos possíveis.

Alifáticos

HIDROCARBONETOS Alicíclicos Aromáticos

ALCANOS (PARAFINAS)

Possuem cadeias abertas e saturadas (somente ligações simples). Alcano mais simples



Metano (CH4)

Estrutura de Lewis _{Fórmula estrutural}

(Plana, usada devido à sua simplicidade)

C

H

H

H

H

x

.

.

.

.

x x x

C

H

H

H

H

Segundo alcano da série (etano, C2H6)

Estrutura de Lewis Fórmula estrutural

C H H Hx

.

.

.

.

x x x C H H H C H H H

.

.

.

x x x C H H H

2 átomos de C unidos por ligações simples, compartilhando elétrons também com o H. Representações Fórmula estrutural C H H H C H H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃

Fórmula estrutural condensada

(maneira mais comum de representar moléculas orgânicas: mais clara e mais facil de interpretar)

Em geral, traços de ligações simples ao longo de uma linha horizontal são omitidos

ALCANOS LINEARES

Nome Fórmula molecular

Fórmula estrutural condensada

Metano CH4 CH4 Etano C2H6 CH3CH3 Propano C3H8 CH3CH2CH3 Butano C4H10 CH3CH2CH2CH3 Pentano C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3 Hexano C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 Heptano C7H16 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Octano C8H18 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Nonano C9H20 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Decano C10H22 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Série homóloga Fórmula Geral



CnH2n+2

Nomenclatura (IUPAC)  Prefixo + ANO

Regras IUPAC para nomenclatura de alcanos ramificados

Prefixo



Corresponde a maior e a mais ramificada cadeia carbônica.

Ex:

CH

₃

CH

₂

CH

₂

CH

₂

CH

₃

1 2 3 4 5

Ramificações



Os ramos recebem nomenclatura própria. (Prefixo + IL)

Numeração da cadeia



A cadeia deve ser numerada deixando os

ramos com o menor número.

Ex:

Quando mais de um radical estiver presente, numere cada um baseado no átomo de carbono ao qual ele está ligado. Escreva seus nomes em ordem alfabética separados por hífens.

Ex:

Para os radicais que se repetem utiliza-se um prefixo de quantidade

(di-, tri-, tetra-, etc). Os números são separados por vírgulas. Ex:

Quando mais de um radical estiver ligado ao mesmo carbono, o número deve ser repetido.

Ex:

CH4 até C4H10 (Gases) Propriedades Físicas

C5H12 --- C17H36 (Líquidos)

Homólogos de cadeia linear contendo 18 átomos de carbono ou mais são sólidos graxos de baixo ponto de fusão.

Os alcanos são apolares, suas moléculas interagem por dipolo momentaneamente induzido (Forças de van der Waals). Estas forças intermoleculares são fracas e de curto alcance. Atuam entre as superfícies das moléculas, portanto, dentro de cada família, quanto maior for a molécula (> área superficial), mais fortes serão as forças intermoleculares.

Temperaturas de fusão e de ebulição  aumentam com o aumento da intensidade das forças intermoleculares. Para se alcançar a ebulição ou a fusão é necessário romper as forças intermoleculares no líquido ou no sólido.

A l c a n o s Nome Fórmula P.F. (°C) P.E. (°C) Densidade (a 20°C) Metano CH4 -183 -162 Etano CH3CH3 -172 -88,5 Propano CH3CH2CH3 -187 -42 n-Butano CH3(CH2)2CH3 -138 0 n-Pentano CH3(CH2)3CH3 -130 36 0,626 n-Hexano CH3(CH2)4CH3 -95 69 0,659 n-Heptano CH3(CH2)5CH3 -90,5 98 0,684 n-Octano CH3(CH2)6CH3 -57 126 0,703 n-Nonano CH3(CH2)7CH3 -54 151 0,718 n-Decano CH3(CH2)8CH3 -30 174 0,730 n-Undecano CH3(CH2)9CH3 -26 196 0,740 n-Dodecano CH3(CH2)10CH3 -10 216 0,749 n-Tridecano CH3(CH2)11CH3 -6 234 0,757 n-Tetradecano CH3(CH2)12CH3 5,5 252 0,764 n-Pentadecano CH3(CH2)13CH3 10 266 0,769 n-Hexadecano CH3(CH2)14CH3 18 280 0,775 n-Heptadecano CH3(CH2)15CH3 22 292 n-Octadecano CH3(CH2)16CH3 28 308 n-Nonadecano CH3(CH2)17CH3 32 320 n-Icosano CH3(CH2)18CH3 36 Isobutano (CH3)2CHCH3 -159 -12 Isopentano (CH3)2CHCH2CH3 -160 28 0,620 Neopentano (CH3)4C -17 9,5 Iso-hexano (CH3)2CH(CH2)2CH3 -154 60 0,654 3-Metilpentano CH3CH2CH(CH3)CH2CH3 -118 63 0,676 2,2-Dimetilbutano (CH3)3CCH2CH3 -98 50 0,649 2,3-Dimetilbutano (CH3)2CHCH(CH3)2 -129 58 0,668

Solubilidade  São solúveis em solventes apolares como benzeno, éter e clorofórmio e insolúveis em H2O e outros solventes pronunciadamente polares. Os alcanos líquidos dissolvem compostos de baixa polaridade.

Densidade  A densidade dos alcanos aumenta inicialmente com a massa molar, tendendo a cerca de 0,8 g.cm-3. São menos densos que a água.

Obtenção dos alcanos

Gás Natural  60-95% metano, pequena quantidade de etano, propano, butano e pentano.

HC mais complicados  Isolados de fontes naturais (cera de abelhas e cera de vegetais). Na superfície de muitas folhas de plantas, esporos de fungos, encontram-se misturas de HC que variam de C15H32 até C35H72, parecem ter a finalidade de impedir a perda rápida de H2O, uma vez que os HC são impermeáveis à água. Também foram isolados de camadas geológicas.

Maior fonte de HC  Petróleo, constituído por uma mistura complexa de vários HC, alguns compostos oxigenados, nitrogenados e sulfurados e uma pequena quantidade de outras substâncias.

Frações do petróleo  Alcanos, predominantemente de cadeias lineares, desde o metano até cerca de 30 carbonos são os componentes principais da cadeia hidrocarbônica.

Os alcanos do petróleo podem ser separados por destilação fracionada (em várias misturas chamadas frações), apresentando diferentes faixas de ebulição.

Frações típicas do petróleo

N° átomos de C Classificação PE(°C)

1-4 Gases naturais Abaixo de 20

5-10 Gasolina 30-180

11-12 Querosene 180-230

13-17 Óleo diesel (leve) 230-305

18-25 Óleo combustível (pesado) 305-405

26-36 Lubrificantes 405-515

O metano (CH4) pode ser produzido por bactérias anaeróbias, i.e., bactérias que vivem em ausência de ar (condições encontradas nas camadas profundas da terra, na pança de ruminantes ou de pantanais)

A fonte de átomo de C é o CO2

CO₂ CH₄ O oxigênio é toxico para elas

Algumas bactérias são capazes de ingerir e metabolizar metano e outros HC (bactérias desse tipo foram recolhidas nas proximidades de postos de gasolina)

Reações dos alcanos

A maioria das reações é através de radicais livres. Ocorrem em cadeia, em condições enérgicas, produzindo em geral, uma mistura de produtos.

Início da reação  É necessário uma partícula reativa (átomo livre ou radical).

No ataque, a partícula reativa “arranca” hidrogênio do alcano. Este se transforma em outra partícula reativa que continua a reação em seqüência, mantendo a cadeia.

O produto obtido depende do átomo de hidrogênio removido. Embora a partícula atacante possua certa seletividade, pode retirar hidrogênio de qualquer parte da molécula, produzindo vários isômeros.

Principais reações dos alcanos

 Halogenação = São reações de substituição. Metano

Etano

Outros alcanos

Reagem com F, Cl e Br (pouco reativos frente ao iodo)

Metano (CH4) = Produz uma mistura de halo-metanos e um haleto de hidrogênio C H H H H +X₂ C H H H C H H C H C H X X X X X X X X X + + + X+ X X = F, Cl ou Br

Fluoração: Reação extremamente exotérmica, difícil controlar e precisa de aparelhagem especial.

Iodação: A energia de ativação (Eat) para arrancar o hidrogênio do alcano é alta. Os átomos de iodo se formam facilmente, mas por serem incapazes de se apoderar do hidrogênio do alcano, a iodação não ocorre. Os átomos de iodo recombinam-se com a formação de moléculas de iodo.

CIoração ou bromação: A reação é mais facilmente controlada, requer energia (luz / calor). O cloro é mais reativo do que o bromo.

As reações de substituição não se limitam àquelas que envolvem a substituição de hidrogênio.

Ex: Cloro-metano + NaOH (hidróxido de sódio) C H H _OH H

+

NaOH C H H H Cl

₊

Na Cl Clorometano Solvente Calor Álcool metílico

Ex: Bromometano + KI (iodeto de potássio)

C H H I H

+

KI C H H H Br Solvente

₊

KBr Mecanismo da Halogenação

Etapa 1  Clivagem homolítica do halogênio

.

...

X

. .. .

.

.

X

. ..

_.

Luz ou (250-400°C) 

X

.

.

.

...

.

2

Etapa 2  Propagação da cadeia  O radical livre formado reage

com o alcano, “arrancando” dele um hidrogênio, formando HX e um novo radical.

.

X

.

...

. .

_{+ R-H HX + R}

.

a)

* Passo determinante da velocidade da reação (arrancar o átomo de H do alcano)

- O radical alquila formado "abstrai" um átomo de halogênio da molécula de X₂, para dar o haleto de alquila e um átomo de halogênio.

X

₂

.

_{+ R-X}

R

Ocorrem seqüências de reações nas quais se alternam as etapas 2a e 2b.

Etapa 3  Etapa de terminação  Os radicais livres são destruídos

por combinação.

Nestas reações o oxigênio é considerado um inibidor, reage com o radical metila, por exemplo, formando o radical peróxido, menos reativo do que o radical metila e que contribui pouco para a propagação da cadeia.

.

CH₃

.

+

O₂ CH3-O-O

Formação de isômeros  A partir de um único alcano podem ser obtidos isômeros, dependendo do hidrogênio substituído.

CH₃CH₃ Cl₂ CH₃CH₂Cl

₊

HCl Cl₂ CH₃CHCl₂

+

HCl _ClCH 2CH2Cl

+

HCl Cloroetano 1,1-dicloro-etano _{1,2-dicloro-etano} Cl₂, etc Cl₂, etc CCl₃CCl_{3 CCl} 3CCl3

* Um alcano produz uma mistura de todos os isômeros resultantes, o que indica que todos os átomos de H podem ser substituídos.

Reações adicionais  Podem ocorrer reações com a substituição de vários hidrogênios. Estas reações podem ser “controladas”.

CH₄

₊

Cl₂ CH3Cl 440°C CH₂Cl₂ CHCl_{3 CCl} 4

+

+

₊

(2 moles) (1 mol) (1 mol) (1,1 mol) (0,62 mol) (0,37 mol) (0,3 mol) (0,41 mol) (0,07 mol) (0,19 mol) (0,01 mol) (0,03 mol)

Metano excesso  Alcanos menos substituídos em maior quantidade.

Cloro excesso  Alcanos mais substituídos em maior quantidade.  Combustão de alcanos = Reações de oxidação

Os alcanos são utilizados como fonte de energia. A reação dos alcanos com o oxigênio fornece dióxido de carbono e água e

CALOR. CH₄

₊

O₂ CO2

+

2 H2O

+

CALOR (Combustão completa) CH₄

₊

O₂ CO

+

2 H2O

+

CALOR (Combustão incompleta) 3/2

Poder calorífico (quantidade de calor liberada por unidade de peso ou volume) estimado de alguns combustíveis

Poder calorífico Lenha 2500-3000 Álcool etílico 7200 Hidrogênio 34500 Metano 12900 Propano 11950 Butano 10800 Gasolina 11000 Querosene 10800 Óleo diesel 10600

Octanagem da gasolina  Resistência de algumas frações de hidrocarbonetos da gasolina à compressão no motor sem detonar.

Isooctano e heptano são utilizados como referência para medir a resistência à compressão sem detonar.

2,4,2-trimetilpentano (Isoctano) I.O. = 100 Melhor CH₃ C CH₂ CH CH₃ CH₃ CH₃ CH₃ Pior Heptano normal CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ (n-heptano) I.O. = 0

Aditivos  Melhoram a resistência à explosão (aumentam o I.O.>100); ex: Chumbo tetraetila (CTE), tricresilfosfatos.

 Pirólise = Craqueamento, decomposição de um composto por ação exclusiva do calor.

Pirólise de alcanos obtidos do petróleo = craqueamento.

No craqueamento térmico, os alcanos são aquecidos a temperaturas elevadas ( 540°C) e pressões elevadas (24,5-70 kg/cm2) e os alcanos de maior massa molar são transformados em alcanos de menor massa molar.

Hidrocraqueamento  Craqueamento com vapor d’água.

Dilui-se o HC em vapor d’água a 700-900°C, durante uma fração de segundo e resfria-se rapidamente.

Outros tipos de reações envolvidas na indústria do petróleo são:

Isomerização

Polimerização (gases de refinaria)