Alcani

Definizione di alcano

Prima di tutto, diamo una definizione formale di alcano.

Cosa significano in realtà questi termini?

• Un idrocarburo è una molecola organica che contiene solo atomi di idrogeno e carbonio.
• Le molecole sature contengono solo legami singoli carbonio-carbonio (C-C) e carbonio-idrogeno (C-H).

Gli idrocarburi insaturi, invece, contengono almeno un doppio legame carbonio-carbonio (C=C). Tra gli idrocarburi insaturi troviamo gli alcheni, di cui parleremo più avanti.

Gruppo funzionale degli alcani

Dovresti già sapere da "Composti organici" e "Gruppi funzionali" che le molecole organiche hanno particolari gruppi funzionali. Si tratta di atomi, o gruppi di atomi, che sono i principali responsabili della reattvità di alcune molecole organiche. L'unico gruppo funzionale presente in un alcano è il legame singolo C-C. Tuttavia, questo legame si trova in quasi tutti i composti organici e quindi alcuni scienziati non lo considerano un gruppo funzionale. Gli alcani sono invece molecole organiche senza gruppo funzionale.

Formula generale degli alcani

Gli alcani formano una serie omologa con formula generale C_nH_2n+2. Ricordiamo che una serie omologa è un gruppo di molecole che condividono le stesse caratteristiche chimiche e la stessa formula generale. Infatti, differiscono solo per la lunghezza e la disposizione delle catene. Ad esempio, l'etano (C₂H₆) e il propano (C₃H₈) sono due degli alcani più semplici. Le loro strutture sono mostrate di seguito. Si può notare che il propano è molto simile all'etano: contiene semplicemente un gruppo -CH₂- in più tra i due carboni finali.

Figura 1. Etano (a sinistra) e propano (a destra).

Nomenclatura degli alcani

Gli alcani sono probabilmente il tipo di molecola organica con nomenclatura più semplice. Seguono tutte le leggi di base della nomenclatura, comprese quelle che riguardano i nomi delle radici e delle catene laterali (per un rapido riepilogo, si veda Composti organici). Il loro gruppo funzionale è indicato dal suffisso -ano. Il seguente alcano è un buon esempio: provate a dargli un nome.

Isomeria negli alcani

Diamo un'occhiata all'alcano C₄H₁₀. Ci potrebbero essere diversi alcani che hanno questa formula molecolare. Ad esempio, potrebbe trattarsi del butano o del 2-metilpropano:

Figura 4. Butano (a sinistra) e 2-metilpropano (a destra).

Conta i gli atomi di carbonio e di idrogeno delle due molecole per essere sicuro. Entrambe le molecole hanno 4 atomi di carbonio e 10 di idrogeno. Queste molecole sono note come isomeri.

Gli alcani possono presentare un tipo di isomeria strutturale chiamata isomeria di catena, come illustrato di seguito.

Isomeria di catena

Ad esempio, il pentano e il 2-metilbutano hanno lo stesso numero di atomi di carbonio e di idrogeno, ma mentre il pentano ha un'unica lunga catena di 5 carboni, il 2-metilbutano ha una catena di 4 atomi di carbonio con una catena laterale (un gruppo metilico). Pertanto, queste molecole sono isomeri di catena (o isomeri di posizione).

Figura 5. Pentano (a sinistra) e 2-metilbutano (a destra).

Geometria molecolare degli alcani

Prendiamo come esempio il metano, il più semplice tra gli alcani. Il metano presenta una caratteristica struttura tetraedrica. Eccolo mostrato qui sotto:

Figura 6. Geometria tetraedrica del metano.

La molecola di metano ha una geometria tetraedrica regolare, con un atomo di idrogeno in ognuno dei quattro vertici, il carbonio al centro e un angolo di 109.5° tra i legami.

La forma degli alcani è dovuta alla teoria VSEPR (repulsione delle coppie di elettroni del guscio di valenza). La teoria VSEPR afferma che tutte le coppie di elettroni si respingono e la forza della repulsione dipende dal tipo di coppia di elettroni, ad esempio se si tratta di una coppia solitaria o di una coppia impegnata in un legame. Tutte le coppie di elettroni intorno all'atomo di carbonio centrale del metano fanno parte di 4 legami covalenti singoli identici e questo significa che si respingono in egual misura. A causa di questa repulsione, le 4 coppie di elettroni legati si allineano in una geometria tetraedrica, in quanto questa geometria mantiene tutti i legami più possibile lontani l'uno dall'altro.

Reazioni di formazione degli alcani

Consideriamo adesso le fonti degli alcani:

• Molti alcani provengono dal petrolio greggio.
• Alcuni di questi vengono trasformati in alcani a catena più corta attraverso il cracking.
• Possiamo anche sintetizzare gli alcani tramite la reazione di idrogenazione degli alcheni.

Petrolio greggio

Gli alcani si formano a partire dalla decomposizione di composti organici negli organismi viventi ad alte temperature e pressioni. Torniamo indietro di circa 400 milioni di anni, in un mondo completamente diverso dalla Terra come la conosciamo adesso. Quando le creature che vivevano in questi oceani morivano, i loro resti cadevano sul fondo dell'oceano e venivano sepolti in strati di limo e sabbia. Nel corso di milioni di anni, gli strati si sono accumulati sempre più in alto, creando un ambiente anaerobico ad alta pressione e temperatura. Questo ha permesso ai resti degli organismi morti di iniziare a trasformarsi lentamente in una sostanza chiamata petrolio greggio. Il processo è noto come carbonatazione.

Cracking

Gli alcani presenti nel petrolio greggio sono solitamente idrocarburi a catena lunga, con catene composte da circa 8-36 atomi di carbonio. Gli idrocarburi a catena lunga hanno però poche applicazioni industriali. Per questo motivo, vengono solitamente trasformati in alcani più piccoli e più utili attraverso un processo chiamato cracking. Le alcani a catena lunga vengono riscaldati a circa 500°C in presenza di un catalizzatore a base di ossido di alluminio (Al₂O₃) o biossido di silicio (SiO₂). In questo modo si rompono alcuni dei legami covalenti all'interno della catena, scindendola in idrocarburi a catena più corta.

Idrogenazione degli alcheni

Un altro modo per sintetizzare gli alcani è attraverso l'idrogenazione degli alcheni. In questa reazione un'alchene reagisce con idrogeno molecolare (H₂) in presenza di un catalizzatore (come palladio, nichel o platino) per formare un alcano.

Proprietà degli alcani

Gli alcani sono idrocarburi saturi, costituiti esclusivamente da legami singoli C-C e C-H. Questi legami sono relativamente forti e, poiché il carbonio e l'idrogeno hanno elettronegatività simili, i legami sono anche non polari (per ulteriori informazioni, vedere Polarità). Ciò significa che le uniche forze presenti sono le forze di van der Waals, note anche come forze di dipolo instantaneo o indotto.

Gli elettroni di una molecola si muovono costantemente in modo casuale e in qualsiasi punto della molecola. Alcuni potrebbero essere più vicini, mentre altri potrebbero essere più distanti. Questo crea un piccolo dipolo che cambia costantemente in termini di posizione e forza. I dipoli di una molecola attraggono o respingono le molecole vicine, inducendo dipoli anche in queste ultime.

Tuttavia, l'attrazione è relativamente debole e conferisce agli alcani le seguenti proprietà:

Solubilità degli alcani

Gli alcani sono insolubili in acqua. Questo perché i loro legami C-C e C-H non polari non possono legarsi facilmente alle molecole d'acqua polari. Tuttavia, gli alcani sono solubili in altri solventi non polari e sono essi stessi buoni solventi.

Combustione degli alcani

Gli alcani sono facilmente combustibili e hanno un'elevata entalpia negativa di combustione, motivo per cui vengono comunemente utilizzati come combustibili, come nel caso della benzina. Bruciano in eccesso di ossigeno per produrre anidride carbonica e acqua.

Volatilità

Se ti capita di fare il pieno di benzina in una stazione di servizio, noterai i cartelli di avvertimento: niente accendini, niente sigarette. Questo perché gli alcani a catena corta sono altamente volatili e l'aria circostante è probabilmente satura dei loro vapori. Una piccola scintilla potrebbe causare un'esplosione devastante. La loro volatilità diminuisce con l'aumentare della lunghezza.

Reattività

Gli alcani sono generalmente poco reattivi a causa della forza dei loro legami C-H e C-C non polari. Questi legami richiedono molta energia per essere rotti e la maggior parte delle reazioni non è in grado di fornirla. Tuttavia, possono reagire con il cloro o il bromo in presenza di luce UV; questa reazione viene approfondita nella sezione Clorazione. Possono anche subire cracking per produrre alcheni, come vedremo in dettaglio in Cracking.

Punti di ebollizione e di fusione

Gli alcani hanno punti di fusione e di ebollizione relativamente bassi. Questo perché le uniche forze tra le molecole di alcani sono forze deboli di van der Waals, dovute al fatto che i legami C-C e C-H non sono polari.

All'aumentare della lunghezza della catena degli alcani, aumenta il loro punto di ebollizione. Una molecola più grande ha più elettroni e quindi, in qualsiasi momento, il suo dipolo istantaneo potrebbe essere più grande. Pertanto, subirà una maggiore attrazione di van der Waals rispetto a una molecola più piccola. Tuttavia, all'aumentare del numero di ramificazioni, il punto di ebollizione di un alcano diminuisce. Le forze di Van der Waals tra le molecole non sono molto forti su lunghe distanze e quindi l'attrazione tra le molecole è più debole.

Alcani e alcheni

Sappiamo che gli alcani sono idrocarburi saturi. Contengono solo legami singoli C-C e C-H. Ma possiamo trasformarli in idrocarburi insaturi. Ad esempio, consideriamo il propene. Togliendo un atomo di idrogeno da ciascun carbonio e utilizzando i due elettroni liberi per formare un altro legame tra questi due carboni, si dovrebbe ottenere qualcosa di simile a quanto segue:

Fugura 8. Propano (a sinistra) e propene (a destra).

Questa molecola è nota come propene ed è un tipo di alchene. Analizzeremo gli alcheni in un prossimo articolo, ma per ora è bene sapere che sono idrocarburi insaturi che contengono almeno un doppio legame C=C. Questo legame altera le loro proprietà, rendendoli più reattivi degli alcani.