1 HIDROCARBONETOS Hidrocarbonetos (HC) ⇒ São os compostos orgânicos mais simples, constituídos somente de átomos de C e H. O número de compostos de carbono hoje em dia é muito elevado. A complexidade química do carbono é conseqüência de 3 propriedades desse elemento. 1. Elevada covalência do C ⇒ Permite que uma grande variedade de grupamentos se ligue a ele, em uma grande variedade de combinações. 2. Forte ligação C-C ⇒ Podem se formar cadeias de comprimento ilimitado 3. Possibilidade de ligações múltiplas com o carbono, aumentando o número de compostos orgânicos possíveis. • Alguns elementos apresentam 1 ou 2 dessas propriedades, mas nenhum apresenta as 3. Os HC podem ser divididos em hidrocarbonetos alifáticos (alcanos, alquenos e alquinos) e hidrocarbonetos aromáticos. 2 Alcanos (Parafinas) O alcano mais simples é o metano (CH4) (1 átomo de carbono ligado covalentemente a 4 átomos de hidrogênio) H H .x . H.CxH x. H x H C H H Estrutura de Lewis Fórmula estrutural (Plana, usada devido à sua simplicidade) Segundo membro da série (etano, C2H6) H H .x . .x . H.Cx CxH x. x. H x H H H H C C H H H 2 átomos de C unidos por ligações simples, compartilhando elétrons também com o H. Fórmula estrutural Estrutura de Lewis Representações H H H C C H H H H H C C C H H H H H C C C C H H H H H C H H H H CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Fórmula estrutural 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 3 outros alcanos: Propano Butano H H H H H C C C H H H H H H H C C C C H H H H H - São mostrados como cadeia reta, embora as cadeias sejam dobradas por causa dos ângulos de ligação H Tabela: Alcanos simples Nome Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Fórmula molecular CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 Fórmula estrutural condensada CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Série homóloga Fórmula geral para os alcanos CnH2n+2 Nomes terminam em “-ano” Alcanos são moléculas saturadas (cada átomo de carbono está ligado a 4 outros átomos por ligações covalentes simples) 4 Propriedades Físicas CH4 até C4H10 (Gases) C5H12 --- C17H36 (Líquidos) Homólogos de cadeia linear contendo 18 átomos de carbono ou mais são sólidos graxos de baixo ponto de fusão. ∗ Nas moléculas dos alcanos, os átomos são unidos inteiramente por ligações covalentes. As ligações ocorrem com átomos da mesma espécie e são, portanto, apolares, ou existem entre 2 átomos que diferem muito pouco em eletronegatividade e são por isso, ligeiramente polares. ∗ As forças que mantêm unidas as moléculas apolares (forças de van der waals) são fracas e de curto alcance. Agem apenas entre as partes de moléculas vizinhas que se encontram em contato, ou seja, entre a superfície das moléculas. Portanto, dentro de cada família, quanto maior for a molécula (> área superficial), maiores serão as forças intermoleculares. ∗ Os pontos de fusão e de ebulição aumentam com o aumento da intensidade das forças intermoleculares. Para conseguir-se a ebulição ou a fusão, torna-se necessário vencer as forças intermoleculares no líquido ou no sólido. 5 Propriedades físicas dos alcanos Alcanos Fórmula Nome P.F. (°C) P.E. (°C) Metano Etano Propano n-Butano n-Pentano n-Hexano n-Heptano n-Octano n-Nonano n-Decano n-Undecano n-Dodecano n-Tridecano n-Tetradecano n-Pentadecano n-Hexadecano n-Heptadecano n-Octadecano n-Nonadecano n-Icosano CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9CH3 CH3(CH2)10CH3 CH3(CH2)11CH3 CH3(CH2)12CH3 CH3(CH2)13CH3 CH3(CH2)14CH3 CH3(CH2)15CH3 CH3(CH2)16CH3 CH3(CH2)17CH3 CH3(CH2)18CH3 -183 -172 -187 -138 -130 -95 -90,5 -57 -54 -30 -26 -10 -6 5,5 10 18 22 28 32 36 -162 -88,5 -42 0 36 69 98 126 151 174 196 216 234 252 266 280 292 308 320 Isobutano Isopentano Neopentano Iso-hexano 3-Metilpentano 2,2-Dimetilbutano 2,3-Dimetilbutano (CH3)2CHCH3 (CH3)2CHCH2CH3 (CH3)4C (CH3)2CH(CH2)2CH3 CH3CH2CH(CH3)CH2CH3 (CH3)3CCH2CH3 (CH3)2CHCH(CH3)2 -159 -160 -17 -154 -118 -98 -129 -12 28 9,5 60 63 50 58 Solubilidade Densidade ⇒ Densidade (a 20°C) 0,626 0,659 0,684 0,703 0,718 0,730 0,740 0,749 0,757 0,764 0,769 0,775 0,620 0,654 0,676 0,649 0,668 Os alcanos são solúveis em solventes apolares como benzeno, éter e clorofórmio e insolúveis em H2O e outros solventes pronunciadamente polares. Considerados como solventes, os alcanos líquidos dissolvem compostos de baixa polaridade, mas não os de alta. ⇒ A densidade dos alcanos aumenta inicialmente com o PM, mas tende depois para um limite (cerca de 0,8). Os alcanos são, portanto, menos densos que a água. 6 Nomenclatura Antes do final do século 19, os compostos orgânicos eram designados com base no modo como eram preparados ou derivados. Por exemplo: ácido acético podia ser obtido a partir do vinagre e seu nome deriva de “acetum” (palavra latina que significa vinagre). IUPAC (Sistema internacional de normalização) International Union of Pure and Applied Chemistry ______________________________________________________ Regras IUPAC para alcanos de cadeia ramificada 1) Descubra a cadeia mais longa de átomos de carbono. O nome do alcano é baseado no número de átomos de carbono desta cadeia. Ex: 1 2 4 5 CH2 CH3 3 CH3 CH2 CH2 pentano 2) Começando com a ponta mais próxima da ramificação, numere os átomos de C da cadeia mais longa. Qualquer radical ligado a um átomo de carbono na cadeia é identificado por esse número Ex: 1 CH3 2 3 CH CH2 4 5 CH2 CH3 CH3 2-metilpentano 7 3) Quando mais de um radical estiver presente, numere cada um baseado no átomo de carbono no qual ele está ligado. Liste seus nomes em ordem alfabética separados por hífens. Ex: 1 2 CH3 3 CH CH CH3 CH2 4 5 CH2 CH3 CH3 3-etil-2-metilpentano 4) Se os radicais ligados forem idênticos use um prefixo (di-, tri-, tetra-, etc) para indicar o número presente. Separe os números por vírgulas Ex: 1 2 CH3 4 5 CH2 CH3 3 CH CH CH3 CH3 2,3-dimetilpentano 5) Quando mais de um radical estiver ligado ao mesmo átomo de C, repita o número. Ex: CH3 1 2 CH3 C 3 CH2 4 5 CH2 CH3 CH3 2,2-dimetilpentano 8 Fontes de obtenção de alcanos - O alcano mais simples (CH4) é o principal constituinte do gás natural. 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 finalidade impedir a perda rápida de H2O, uma vez que os HC são impermeáveis à água) - Misturas semelhantes de HC foram isoladas de camadas geológicas, onde se crê que foram os remanescentes de formas vivas que existiram há mais de um bilhão de anos. Nesse intervalo de tempo, todos os constituintes menos estáveis das células como açúcares, proteínas, DNA, etc, sofreram decomposição, permanecendo unicamente os hidrocarbonetos. - Embora os HC estejam largamente distribuídos em plantas e animais, as quantidades encontradas geralmente são pequenas. ∗ Assim, a maioria dos HC é obtida a partir do petróleo (constituído por uma mistura complexa de vários HC, de certos compostos oxigenados, nitrogenados e sulfurados, assim como uma pequena quantidade de outros elementos). Frações do petróleo ⇒ Alcanos desde o metano até HC de cerca de 30 carbonos são os componentes principais da cadeia hidrocarbônica (predominam os HC de cadeia linear) 9 ∗ 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 Acima de 39 Asfaltos Acima de 515 10 - A maioria dos HC mais complexos não existem natureza e devem ser sintetizados. - 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) ∗ Certos microorganismos crescem bem em cultura de alcanos com formação de proteínas. ______________________________________________________ 11 Reações dos alcanos A maioria das reações é através de radicais livres. Intermediários químicos ⇒ Estruturas com número ímpar de e Reações de alcanos (radicais em cadeia) se produzem sob condições enérgicas, dando em geral, mistura de produtos. Início da reação Necessária uma partícula reativa (átomo livre ou radical) - No ataque, a partícula reativa “arranca” hidrogênio do alcano. Este é assim transformado em outra partícula reativa, a qual contínua a seqüência da reação, mantendo a cadeia. O produto que se obtém, dependerá de qual desses átomos de H for removido. Embora a partícula atacante possua certa seletividade, pode retirar H de qualquer parte da molécula e, produzir portanto, inúmeros isômeros Principais reações dos alcanos: Î Halogenação Î Combustão Î Pirólise (craqueamento) 12 Î Halogenação Metano Reagem com F, Cl e Br Etano (pouco reativos frente ao iodo) Outros alcanos Ex: Metano (CH4) Produzem um mistura de halometanos e um haleto de hidrogênio H H H C H H + X2 H C X X + H H C X H X +X H C X X +X C X + HX X X = F, Cl ou Br Fluoração: Reação extremamente exotérmica (difícil remover o calor produzido) ∗ Aparelhagem especial para dominar a reação violenta. Baixa energia de ligação F-F ⇒ Formação de cadeias mais numerosas. Iodação: A energia de ativação (Eat) para arrancar o hidrogênio do alcano é altamente endotérmica. - Os átomos de iodo formam-se facilmente, mas por serem incapazes de se apoderar do H do alcano, a iodação não acontece. - Os átomos de iodo recombinam-se com a formação de moléculas de iodo. O iodo tem que se chocar com um n° elevadíssimo de moléculas (1012, 275°C) de alcano antes de se produzir a reação. 13 A reação dos alcanos com cloro ou bromo é mais facilmente controlada e requer fornecimento de energia (luz ou calor) Cl ⇒ Consideravelmente mais reativo que Br Em todas as reações, um átomo de halogênio substitui um ou mais átomos de hidrogênio do alcano. Reações do tipo em que um grupo toma o lugar de um outro são chamadas de reações de substituição. Ex: H H H H C + H Cl2 Cl C H + H Cl H As reações de substituição não se limitam àquelas que envolvem a substituição de H. Quando o clorometano, por ex, é tratado com NaOH, tem lugar a seguinte reação de substituição H H Solvente H C Cl + NaOH Calor H Clorometano H C OH + Na Cl + KBr H Álcool metílico EX: Bromometano + iodeto de potássio H H C H H Br + KI Solvente H C I H As reações de substituição são comuns em química orgânica. 14 Mecanismo da Halogenação 250-400°C X2 1) 2) 2X . (Passo iniciador da cadeia) 0u luz UV . a) X b) R. + + RH HX RX X2 . + R + X. (passos propagadores da cadeia) Etapa 1 (Clivagem homolítica da halogênio) ....X.....X..... Luz ou ∆ (250-400°C) ... . 2 .X .. - O radical livre formado reage com o alcano, “arrancando” dele um átomo de H, formando HX e um novo radical. Etapa 2 (Propagação da cadeia) ....X... a) + R-H HX + R . * 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. b) R. + X2 R-X + ....X... ∗ Ocorre uma longa seqüência de reações em que se alternam as etapas 2a e 2b. 15 Etapa 3 (Etapa de terminação) Radicais livres destruídos por combinação . .. 2 ... Cl. 2R R-R Cl-Cl Inibidores Substâncias, que embora em pequena quantidade, diminuem ou param completamente uma reação. O intervalo de tempo em que se faz sentir a ação do inibidor, após o qual a reação se processa normalmente denomina-se período de inibição ou período de indução. Ex: Oxigênio é considerado um inibidor - Pela sua reação com o radical metila, por exemplo, existe a formação de um novo radical .+ CH3 O2 CH3-O-O . O radical peróxido é menos reativo do que o radical metila e contribui pouco para a propagação da cadeia. 16 Formação de isômeros - A partir de um único alcano podem formar-se diversos produtos isômeros, de acordo com o átomo de H substituído. CH3CH3 Cl2 CH3CH2Cl + HCl Cloroetano Cl2 CH3CHCl2 + HCl ClCH2CH2Cl 1,1-dicloro-etano + HCl 1,2-dicloro-etano Cl2, etc Cl2, etc CCl3CCl3 CCl3CCl3 * Um alcano produz uma mistura de todos os isômeros resultantes, o que indica que todos os átomos de H podem ser substituídos. Reações adicionais Se somente quiséssemos preparar clorometano ou cloroetano? Uma reação que parece ser direta, pode se tornar complicada pela ocorrência de reações adicionais. É possível controlar (em certa extensão) o curso dessas reações CH4 (2 moles) (1 mol) + 440°C Cl2 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 (1 mol) (0,62 mol) (0,3 mol) (0,07 mol) (0,01 mol) (1,1 mol) (0,37 mol) (0,41 mol) (0,19 mol) (0,03 mol) Metano excesso Cloro excesso ⇒ ⇒ Alcanos menos substituídos em maior quantidade. Formação de maiores quantidades dos alcanos mais substituídos. 17 Î Combustão de alcanos (Oxidação) - Principal uso dos alcanos é como fonte de energia através de suas combustões A reação de alcanos com o oxigênio fornece dióxido de carbono e água e, o que é mais importante, “CALOR” CH4 + O2 CO2 + 2 H2 O + CALOR (Combustão completa) CH4 + 3/2 O2 CO + 2 H2 O + CALOR (Combustão incompleta) ∗ O que acontece no motor de combustão interna de um automóvel, exemplifica a sua importância prática. O mecanismo desta reação é extremamente complicado e não é conhecido completamente. Parece tratar-se de uma reação de radicais em cadeia. (A reação, embora extremamente exotérmica, somente se inicia a temperatura elevada (1 chama)). Esta energia é suficiente para efetuar a quebra de ligações que dão origem às partículas reativas iniciais. Vencida esta barreira de energia, os passos subsequentes de propagação da cadeia prosseguem sem dificuldade e com liberação de energia. 18 Exemplo de combustão do metano decomposição CH4 C + 2H2 oxidação H CO + 2H2 decomposição H OH C decomposição C + H2 + H2O H oxidação oxidação oxidação CO2 + 2H2O CO2 + H2O H H C H C OH (radical livre) H OH polimerização decomposição C2H4 H CO + H2 C decomposição O + H2O hidrogenação H oxidação CH4 oxidação CO2 + H2O O CO + H2O decomposição H C OH oxidação _ O H C OH decomposição CO2 + 2H2O 19 ∗ Na reação de oxidação dos HC encontra-se a grande aplicabilidade dos combustíveis. Poder calorífico (Quantidade de calor que pode liberar por unidade de peso ou volume) Ex: Poder calorífico 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 Algumas frações de HC da gasolina resistem melhor à compressão sem detonar Melhor Pior 2,2,4-trimetilpentano Heptano normal CH3 CH3 C CH2 CH CH3 CH3 (Isoctano) I.O. = 100 CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 (n-heptano) I.O. = 0 ∗ Tomados como referência para medir a resistência à compressão sem detonar. Aditivos ⇒ Melhoram a resistência à explosão (aumentam o I.O.>100); ex: Chumbo tetraetila (CTE), tricresilfosfatos. 20 Î Pirólise (craqueamento) - A decomposição de um composto por ação exclusiva do calor denomina-se pirólise. A pirólise de alcanos, particularmente quando se trata de petróleo, conhece-se por craqueamento. No craqueamento térmico, os alcanos são aquecidos a T elevadas (∼ 540°C) e pressões elevadas (24,5-70 kg/cm2) e os alcanos de maior PM são transformados em alcanos de menor PM. Hidrocraqueamento Craque a vapor (modificação do craqueamento) Dilui-se o HC em vapor d’água a 700-900°C, durante uma fração de segundo e resfria-se rapidamente. - Outra fonte de HC de baixo PM é o craqueamento catalítico. Catalisadores Sílica – alumina T (450-500°C) P (pequenas) Outros tipos de reações envolvidas na indústria do petróleo são: - Isomerização - Polimerização (gases de refinaria) - Reformação Muitas delas envolvendo alcanos.