Alcani: caratteristiche fisiche, spettroscopiche e chimiche
Gli alcani sono idrocarburi saturi con formula generale CnH2n+2 dove il carbonio è ibridato sp3. Possono presentarsi a catena lineare o a catena ramificata. Ad esempio, il butano è composto da quattro atomi di carbonio e può presentarsi come CH3CH2CH2CH3 (n-butano) o come CH3CH(CH3)CH3 (isobutano).
Proprietà fisiche
Gli alcani contenenti fino a quattro atomi di carbonio sono gassosi a temperatura ambiente, da C5 a C16 sono liquidi e da C16 in poi sono solidi. Il punto di ebollizione degli alcani a catena lineare aumenta con il peso molecolare in modo regolare. Tuttavia, nelle molecole ad alto peso molecolare la differenza tra i punti di ebollizione di due termini adiacenti nella serie omologa è inferiore rispetto agli alcani a basso peso molecolare. In generale, il punto di ebollizione diminuisce con l’aumentare della ramificazione. Il punto di fusione di n-alcani aumenta con il peso molecolare, ma non vi è una dipendenza regolare dei punti di fusione dalla ramificazione. La densità degli alcani aumenta con il peso molecolare fino a diventare costante per alcani con più di 19 atomi di carbonio.
Proprietà spettroscopiche
1)
Infrarosso (IR)
Le bande di assorbimento caratteristiche degli alcani derivano dalla vibrazione dei legami C-H e C-C presenti nella molecola.
2)
Ultravioletto (UV)
Gli alcani non assorbono all’ultravioletto al di sopra dei 200 nm e sono utilizzati come solventi per la registrazione di spettri nell’ultravioletto di composti organici.
3)
Risonanza magnetica nucleare (NMR)
I protoni degli alcani sono i più schermati e risuonano a campi magnetici alti.
Proprietà chimiche
Metodi di sintesi
Le principali fonti naturali degli alcani sono il petrolio e i gas naturali. Gli alcani possono essere preparati con diversi metodi riduttivi a partire da altre classi di composti organici, come l’idrogenazione catalitica degli alcheni e la riduzione degli alogenuri alchilici con metalli come lo zinco o idruri di metalli come il litio alluminio idruro.
Reattività
Gli alcani, per la loro natura apolare, sono dotati di una notevole inerzia chimica nei confronti di acidi, basi e agenti ossidanti e riducenti comuni. In condizioni molto drastiche, possono dare alcune reazioni caratteristiche, come l’ossidazione con ossigeno per dare biossido di carbonio.Le principali reazioni degli alcani
Le reazioni degli alcani sono processi chimici fondamentali per la trasformazione delle molecole di idrocarburi saturi. Esse rappresentano una parte significativa degli studi in chimica organica. Le reazioni più importanti per gli alcani includono la combustione, l’alogenazione, la nitrazione, la solfoclorurazione, le reazioni di allungamento della catena e il cracking.
Combustione
La combustione degli alcani è una delle reazioni principali per questi composti. Si rappresenta con l’equazione CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O e produce un ΔH di -213 kcal/mol, che rappresenta la quantità di energia ceduta dal sistema nel processo esotermico della combustione.
Alogenazione
Gli alcani reagiscono con gli alogeni per formare composti di alogenazione. Questi avvengono tramite reazioni di sostituzione radicalica in presenza di luce, perossidi o alte temperature. Ad esempio, CH4 reagisce con Cl2 per formare CH3Cl e HCl, mentre il clorometano reagisce con il cloro per dare diclorometano.
Nitrazione
La nitrazione degli alcani viene generalmente condotta in fase vapore, ad alte temperature con acido nitrico e ipoazotide N2O4. Questo processo forma miscele di nitroalcani, come nel caso della reazione RH + HNO3 = RNO2 + H2O.
Solfoclorurazione
La solfoclorurazione degli alcani è un metodo molto diffuso per la sintesi di alchilsolfonati alcalini, utilizzati nell’industria chimica come detergenti. Avviene tramite la reazione RH + SO2Cl = RSO2Cl + HCl.
Reazioni di allungamento della catena
L’introduzione di un gruppo etilenico in una catena idrocarburica può essere realizzata con il diazometano in presenza di luce, come illustrato dall’equazione CH3CH2CH2CH3 + CH2N2 = CH3CH2CH2CH2CH3.
Cracking
Il cracking è il processo di trasformazione delle frazioni altobollenti del petrolio in idrocarburi a basso peso molecolare. Può avvenire per riscaldamento a elevate temperature e sotto pressione (cracking termico) o in presenza di catalizzatori come silice o allumina per ottenere alcani ramificati.
Queste reazioni sono di grande importanza nella comprensione e nell’applicazione degli alcani in vari settori dell’industria chimica e petrolifera.