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domingo, 27 de febrero de 2022

5. Propiedades físicas | 📘 Alcanos | Joseleg

 | Ciencias de Joseleg | Química | Química orgánica | Alcanos | (Introducción) (Isómeros) (Nomenclatura) (Propiedades físicas) (Obtención de los alcanos) (Usos) (Gasolina) (Referencias)

 

La propiedad más importante de los alcanos y cicloalcanos es su ausencia casi total de polaridad. La diferencia de electronegatividad entre el carbono y el hidrógeno es 2.5 – 2.1 = 0.4 en la escala de Pauling y, dada esta pequeña diferencia, clasificamos un enlace C-H como covalente no polar. Por lo tanto, los alcanos son compuestos no polares y solo existen interacciones débiles entre sus moléculas.

Punto de ebullición

Debido a que las interacciones entre las moléculas de alcano consisten solo en fuerzas de dispersión muy débiles, los puntos de ebullición de los alcanos son más bajos que los de casi cualquier otro tipo de compuesto del mismo peso molecular. A medida que aumenta el número de átomos y el peso molecular de los alcanos, hay más oportunidades de fuerzas de dispersión entre sus moléculas y aumentan los puntos de ebullición.

Figura 5‑1. Destilación fraccionada. La destilación fraccionada separa a las sustancias por sus puntos de ebullición.

Figura 51. Destilación fraccionada. La destilación fraccionada separa a las sustancias por sus puntos de ebullición.

Dado que los alcanos y en general los hidrocarburos existe en un diferente estado de la materia dependiendo de la temperatura a la que se encuentran, es posible crear un aparato de destilación que manipule la temperatura del ambiente, en ausencia de oxígeno, para separar de manera controlada los hidrocarburos de acuerdo a la cantidad de carbono que poseen, este proceso se denomina la destilación fraccionada. Las sustancias de moléculas pequeñas suben hasta la cima de la columna y las más largas se quedan en el fondo, para aumentar la eficacia de separación, la columna de destilación está equipada con platos y poros que aumentan el rozamiento de las moléculas largas para que se queden más al fondo, pues las sustancias más valiosas económicamente son las de menos carbonos, especialmente los octanos con los cuales se elaboran las gasolinas.

Punto de fusión

Aunque, en general, tanto el punto de ebullición como el de fusión de los alcanos aumentan a medida que aumenta el peso molecular, el aumento de los puntos de fusión no es tan regular como el observado para los puntos de ebullición. En los sólidos, el empaquetamiento de las moléculas en patrones ordenados de sólidos cambia a medida que cambian el tamaño y la forma de las moléculas.

Tabla 51. Propiedades físicas de algunos alcanos no ramificados, para comparación de la densidad tenga en cuenta que la densidad del agua es cercana a 1 g/mL para la mayoría de las temperaturas ambiente desde -4 °C hasta 25 °C.

Estado de la materia a temperatura ambiente

👉 Los alcanos que contienen de 1 a 4 carbonos son gases a temperatura ambiente;

👉 los que contienen de 5 a 17 carbonos son líquidos incoloros.

👉 Los alcanos de alto peso molecular (aquellos con 18 o más carbonos) son sólidos cerosos blancos. Varias ceras vegetales son alcanos de alto peso molecular.

La cera que se encuentra en la piel de las manzanas, por ejemplo, es un alcano no ramificado con fórmula molecular C27H56. La cera de parafina, una mezcla de alcanos de alto peso molecular, se usa para velas de cera, en lubricantes y para sellar mermeladas, jaleas y otras conservas enlatadas en casa. El vaselina, en inglés Petrolatum llamado así porque se deriva de la refinación del petróleo, es una mezcla líquida de alcanos de alto peso molecular. Vendido como aceite mineral (típicamente C15 a C40) y vaselina (C25 y más), la vaselina se usa como base de ungüento en productos farmacéuticos y cosméticos y como lubricante y antioxidante.

Densidad

La densidad promedio de los alcanos es de alrededor de 0.7 g/mL; la de los alcanos de mayor peso molecular es de aproximadamente 0.8 g/mL. Todos los alcanos líquidos y sólidos son menos densos que el agua (1.0 g/mL) y, por lo tanto, todos flotan en agua.

Solubilidad

Debido a que los alcanos son moléculas típicamente apolares, son incapaces de interactuar con los oxígenos e hidrógenos polares en el agua, en consecuencia son incapaces de establecer las relaciones de enlace con el agua denominadas puentes de hidrógeno. Si una molécula es incapaz de crear puentes de hidrógeno con el agua, la propia agua excluye activamente a dicha molécula, por lo que las moléculas apolares no pueden disolverse en agua, y en consecuencia se separarán por sí mismas generando dos fases diferentes, y por ende una mezcla heterogénea.

Figura 51. Mezcla heterogénea. Efecto de la densidad en la solubilidad, el tetracloruro de carbono  es apolar y más denso que el agua, y el hexano es apolar pero menos denso, por lo que los tres se separan, los más densos caen y los menos densos flotan.

Si un compuesto orgánico no tiene oxígeno, o es muy grande con respecto a sus oxígenos, se comportará apolarmente.

Efecto de las ramificaciones

Los alcanos que son isómeros constitucionales son compuestos diferentes y tienen diferentes propiedades físicas y químicas.

Tabla 52. Propiedades físicas de los isómeros constitucionales del hexano.

En la tabla 5-2 se enumeran los puntos de ebullición, los puntos de fusión y las densidades de los cinco isómeros constitucionales de C6H14. El punto de ebullición de cada isómero de cadena ramificada de C6H14 es más bajo que el del hexano mismo;

👉 cuanta más ramificación hay, menor es el punto de ebullición.

A medida que aumenta la ramificación, la forma de una molécula de alcano se vuelve más compacta y su área superficial disminuye. A medida que disminuye el área superficial, disminuye el contacto entre moléculas adyacentes, disminuye la intensidad de las fuerzas de dispersión y disminuyen los puntos de ebullición. Por tanto, para cualquier grupo de isómeros constitucionales de alcanos,

👉 el isómero menos ramificado suele tener el punto de ebullición más alto y el isómero más ramificado suele tener el punto de ebullición más bajo.

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