3. COMPUESTOS DE CARBONO E HIDRÓGENO (HIDROCARBUROS)  

 

Los hidrocarburos son compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno. Sus moléculas pueden tener cadenas de átomos de carbono en forma lineal (abierta) o cíclica (cerrada) y enlazados a dichos carbonos se encuentran los átomos de hidrógeno.

A.7. Elaborad una lista con sustancias que sean hidrocarburos o mezclas de hidrocarburos.

Entre las sustancias que pueden citarse algunas son de enorme importancia, basta pensar, por ejemplo en combustibles como la gasolina, el gasoil, etc. y su utilización en la automoción; o en el butano, o el gas ciudad y su uso doméstico para cocinar o para calefacción; en el queroseno utilizado en los motores a reacción; en aceites lubricantes; plásticos como el polietileno, etc.

Dentro de los hidrocarburos de cadena abierta (es decir, no cíclicos), podemos clasificarlos según tengan sólo enlaces simples C-C (hidrocarburos saturados) o incluyan enlaces dobles o triples (hidrocarburos insaturados). Comenzaremos por los primeros.

3.1. Hidrocarburos saturados de cadena abierta

En este tipo de hidrocarburos todos los átomos de carbono forman cuatro enlaces covalentes simples, bien sea con otros átomos de carbono de la cadena o con átomos de hidrógeno. Reciben el nombre de “alcanos” o “parafinas”.

En la tabla siguiente se dan las fórmulas semidesarrolladas, el nombre y los puntos de fusión y ebullición de los seis primeros elementos de la serie.

Como podéis comprobar, a partir del butano, los nombres se construyen mediante un prefijo indicativo del número de carbonos (penta, hexa, hepta ...) seguido del sufijo –ano.

A.8. A la vista de la serie anterior deducir cuál será la fórmula general de los alcanos

Analizando el número de carbonos y de hidrógenos presentes en cada una de las moléculas de los compuestos de la tabla, se puede ver que el número de hidrógenos presentes siempre es igual al de carbonos más dos, de forma que si llamamos n al número de carbonos, la fórmula general para los alcanos será: CnH2n+2

A.9. ¿Cuál será la fórmula molecular de un alcano con 29 átomos de carbono?

C29H60

Por otra parte, no hay que confundir cadena lineal con cadena recta, ya que debido a la orienta-ción tetraédrica de los enlaces de carbono, la cadena en realidad es zigzagueante, como se puede comprobar en las representaciones de la molécula de butano que se dan a continuación:

En cuanto a las propiedades de los alcanos, comenzaremos señalando que dado que el carbono y el hidrógeno tienen electronegatividades muy parecidas, las moléculas son poco polares y por tanto no son solubles en disolventes polares como el agua pero sí en disolventes apolares como el benceno, el tetracloruro de carbono, etc. De hecho, muchas plantas obtienen importantes ventajas de la insolubilidad de los alcanos en agua. En efecto, muchas veces hemos podido comprobar el brillo que adquiere una manzana al ser frotada con un paño. Esto se debe a las ceras (alcanos C27H56 y C29H60) que recubren su piel. Análogamente ocurre en otros muchos frutos y hojas. La función principal de esos alcanos es disminuir la pérdida de agua, formando una película impermeable.

A.10. En la tabla anterior en la que se dan los puntos de fusión y ebullición de los seis primeros alcanos, se observa una tendencia general a que éstos vayan aumentando conforme vamos avan-zando en la serie. ¿A qué puede ser debido este efecto?

Al ir avanzando en la serie vamos añadiendo grupos -CH2- con lo que la cadena se alarga aumentando la masa molecular. Dada la poca polaridad que hay en las moléculas de estos compuestos, las fuerzas de London serán las dominantes. Recordemos que, tal y como se estudió en el capítulo sobre el enlace químico, dichas fuerzas se deben a la formación de dipolos instantáneos y su intensidad aumenta, en general, con la masa molecular. Todo ello permite explicar que los cuatro primeros alcanos sean gases en condiciones ordinarias de presión y temperatura, mientras que desde C5 hasta C18 son líquidos y cuando la cadena tiene más de 18 átomos de carbono, los compuestos son sólidos de bajo punto de fusión y aspecto ceroso (ceras de parafina). A partir de C35, son sólidos blandos (asfalto)..

Otra cuestión importante es la influencia de la existencia de ramificaciones en la cadena, en los puntos de fusión y ebullición. ¿Cómo pensáis que podría ser dicha influencia?.


Los alcanos de cadena no ramificada, tienden a tener mayores puntos de fusión y ebullición que sus correspondientes isómeros ramificados. Dicha diferencia se puede atribuir a que las fuerzas de London serán más intensas en las cadenas lineales porque los dipolos instantáneos que se formen estarán más cercanos y se atraerán más. Por el contrario, la existencia de radicales impide el acercamiento de todos los átomos por lo que las fuerzas de London serán menores. En la figura siguiente se intenta clarificar mediante esquemas el razonamiento anterior.

En general, dadas dos moléculas de la misma masa pero de diferente forma, será la más pequeña o compacta de las dos la que presentará fuerzas de London menos intensas, ya que los electrones tendrán menor libertad de movimiento. Así, el SF6 (cuyas moléculas son pequeñas, compactas y simétricas) hierve a -64 ºC, mientras que el C10H22 (de la misma masa molecular pero de forma cilíndrica y con un volumen mucho mayor, hierve a 174 ºC).


En cuanto a las propiedades químicas de los alcanos, éstos son poco reactivos debido precisamente al carácter saturado de sus enlaces intramoleculares y a la estabilidad de los mismos. Sin embargo, a temperaturas altas pueden reaccionar con el oxígeno (arder) dando siempre dióxido de carbono y agua. Esta reacción de combustión de los alcanos tiene una importancia extraordinaria y de hecho constituye su uso más generalizado (como combustibles) ya que mediante dichas reacciones de combustión es posible transferir grandes cantidades de energía interna química (existente en las moléculas de los alcanos) a otros sistemas (mediante trabajo y/o calor) y conseguir así mover vehículos, aumentar la temperatura ambiente en las casas, cocinar alimentos, etc.

A.11. Escribid las ecuaciones químicas, debidamente ajustadas, correspondientes a las reacciones de combustión de los cuatro primeros hidrocarburos de la serie de los alcanos.

La contestación de la cuestión planteada lleva a escribir:


Combustión del metano: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Combustión del etano: 2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O
Combustión del propano: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
Combustión del butano: 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O

En las reacciones de combustión de los alcanos, se requiere cierta energía para iniciar el proceso (energía de activación) que podemos conseguir mediante una llama o chispa, pero una vez comenzada, al ser la reacción muy exotérmica, prosigue espontáneamente. Experimentalmente se comprueba que si los hidrocarburos tienen ramificaciones se queman más suavemente en los motores de explosión que si no las tienen. En efecto, los hidrocarburos de cadena lineal, detonan prematuramente (antes de que la mezcla de hidrocarburos y aire haya alcanzado la compresión deseada y salte la chispa en la bujía para provocar la combustión) y producen un ruido característico llamado “detonación”. Esas explosiones a destiempo alteran el buen funcionamiento del motor. El hidrocarburo de mejor comportamiento antidetonante es el 2,2,4-trimetilpentano, llamado también isooctano. Por el contrario, el hidrocarburo con típico comportamiento detonante es un compuesto de cadena no ramificada llamado heptano.

Como sabéis existen distintos tipos de gasolina (90, 96, octanos, etc.). La gasolina es una mezcla de hidrocarburos y ese número de octanos indica precisamente, el volumen de isooctano que debería de mezclarse con heptano para igualar las propiedades antidetonantes de dicho combustible. Así una gasolina de 96 octanos tiene la mismas características antidetonantes que una mezcla de isooctano y heptano con un 96% (en volumen) de isooctano y un 4% de heptano.

A.12. La gasolina es una mezcla de hidrocarburos la mayor parte de ellos formados por moléculas que de 5 a 10 átomos de carbono cada una. Uno de los principales componentes de la gasolina es el isooctano (C8H18). Suponiendo que en un depósito existan 31’92 litros de este hidrocarburo (densidad 0’7 g/cm3), se pide: a) ¿Cuántos litros de aire en condiciones normales se precisan para quemarlo completamente? (en el aire hay aproximadamente un 20 % de oxígeno). b) ¿Cuántos kg de CO2 se emitirán a la atmósfera en el proceso anterior?

En este problema nos piden, primeramente, cuántos litros de aire serán necesarios para quemar un cierto volumen de un hidrocarburo que se encuentra en fase líquida. Dado que todos los hidrocar-buros cuando se queman dan dióxido de carbono y agua, lo primero que hemos de hacer es escribir la ecuación química ajustada correspondiente a dicho proceso:


2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O

Así pues, cada 2 moles de isooctano que reaccionen lo harán con 25 moles de moléculas de oxígeno para dar 16 moles de moléculas de dióxido de carbono y 18 moles de moléculas de agua.


El oxígeno necesario para la combustión se encuentra en el aire y todo el isooctano se quemará. Una forma de resolver el problema será hallar en primer lugar la cantidad de isooctano en moles que se va a quemar y, a continuación, utilizando la ecuación química ajustada, hallar los moles de oxígeno necesarios. Una vez que sepamos cuántos moles de oxígeno se han empleado será sencillo averiguar (con la ecuación de los gases) el volumen en litros que ocupan (en las condiciones de presión y temperatura especificadas) y de ahí el volumen de aire correspondiente. Si llamamos n al número de moles de isooctano, m a su masa en gramos y M a su masa molar (gramos/mol), n = m/M, siendo M = 114 g/mol.


La masa de isooctano no la conocemos directamente, pero podemos determinarla con facilidad ya que sabemos el volumen V y la densidad “d” de modo que m = d·V = 700·31’92 = 31920 g. (Hemos puesto la densidad en g/l para obtener el volumen en litros).


Sustituyendo en n = m/M obtenemos n = 31920/114 = 280 moles de isooctano.

De acuerdo con la proporción en que se combinan los moles (según la ecuación química ajustada será:

para quemar 280 moles de isooctano se habrán empleado 12’5 veces más moles de oxígeno es decir: nO2=12'5 nC8H18 = 12’5·280 = 3500 moles.

Dado que un mol de cualquier gas en condiciones normales, ocupa un volumen de 22’4 litros, el volumen de oxígeno en litros que se ha empleado será: VO2 = 3500 · 22’4 = 78400 l de oxígeno.


Ahora bien, en el enunciado se nos pide volumen de aire. Como resulta que el aire contiene un 20 % de oxígeno, el volumen de oxígeno obtenido será precisamente el 20% del volumen de aire que queremos obtener, esto es: VO2 = 0’20 · Vaire de donde obtenemos finalmente que Vaire = VO2/0’20 = 78400/ 0’20 = 392000 litros de aire en condiciones normales.

Comprobad que se producirán 98’56 kg de CO2 y estimad qué supone eso en un mundo con 1000 millones de automóviles circulando y sus consecuencias sobre la naturaleza.

Los hidrocarburos saturados también pueden reaccionar con los halógenos (como el cloro o el bromo) en determinadas condiciones (halogenación). En efecto, si se mezcla un alcano con cloro gaseoso en un lugar oscuro no tiene lugar ningún cambio, pero si se hace en presencia de la luz solar se produce una reacción exotérmica en la que uno o más átomos de hidrógeno del alcano son sustituidos por átomos de cloro. Así, por ejemplo:

Si hay exceso de halógeno, la reacción puede continuar formándose productos cuyas moléculas contienen varios átomos de halógeno. Así si hacemos reaccionar metano con cloro en exceso puede dar moléculas con dos o más átomos de cloro.

La halogenación de los alcanos tiene lugar mediante un mecanismo de formación de radicales, iniciándose con la partición de la molécula de halógeno (por ejemplo Cl2) por medio de la luz, es decir:

(En el esquema anterior, para representar a cada radical cloro, sólo hemos representado el electrón que se comparte. No hemos incluido los 6 electrones restantes de valencia que le acompañarían). El enlace Cl-Cl es más débil que el C-C y el de C-H, por lo que se rompe más fácilmente.


A continuación un radical cloro Cl· ataca a la molécula de hidrocarburo (por ejemplo CH4) según:

La reacción anterior es posible debido a que los radicales Cl· son muy reactivos (tienen siete electrones en el último nivel de energía y sólo le falta uno para tener estructura electrónica estable de gas noble). Análogamente, el radical CH3· formado, también es muy reactivo y si choca con una molécula de cloro ocurrirá que:

El radical cloro formado puede atacar a otra molécula de metano, repitiéndose así el proceso.

3.2. Hidrocarburos insaturados de cadena abierta

En este tipo de hidrocarburos existen dobles y triples enlaces entre átomos de carbono de modo que habrá menos enlaces C-H que en los hidrocarburos saturados de igual número de átomos de carbono. En el caso de doble enlace el más sencillo es el eteno o etileno (CH2=CH2). En el caso del triple enlace, el más sencillo es el etino o acetileno (CH≡CH). Durante este curso nos limitaremos a estudiar aquellas moléculas en las que existe únicamente una insaturación (un solo doble enlace o un solo triple enlace). Las fórmulas moleculares desarrolladas serán:

Eteno (etileno) y Etino (acetileno)

Los hidrocarburos que contienen un doble enlace -C=C- se denominan alquenos y los que contienen un triple enlace -C≡C- alquinos. El nombre de un hidrocarburo insaturado se obtiene cambiando la terminación –ano del alcano correspondiente por la de –eno (para los alquenos) y por la terminación –ino (para los alquinos).

A.13. Escribid las fórmulas semidesarrolladas correspondientes al propeno y al propino

En este caso hemos de colocar respectivamente un doble enlace y un triple enlace siendo indiferente colocarlo a la derecha o a la izquierda del carbono central (es la misma molécula vista desde delante o desde atrás).

Propeno: CH3-CH=CH2 Propino: CH3-C≡CH


Para las moléculas con más de tres átomos de carbono la posición del doble o triple enlace puede variar dando lugar a diferentes compuestos (aunque con la misma fórmula molecular). Además también puede haber radicales. (Ved anexo sobre formulación y nomenclatura en química orgánica). Para nombrar un compuesto que tiene un doble o un triple enlace se numera la cadena carbonada comenzando por el extremo más cercano a la insaturación y luego se indica el carbono de menor numeración entre los que se encuentra la insaturación.

A.14. De los compuestos siguientes señalad cuál sería el 1-buteno y el 2-buteno. ¿Cuál sería la fórmula molecular en cada caso?

CH2=CH-CH2-CH3 y CH3-CH=CH-CH3


Rdo. El primero es el 1-buteno y el segundo el 2-buteno. La fórmula molecular es C4H8 en ambos compuestos, por lo que se trata de dos isómeros.

A.15. Escribid las fórmulas semidesarrolladas del 1-penteno y 2-penteno. Razonad por qué no puede existir el 3-penteno. Comprobad que la fórmula molecular de dichos compuestos es la misma.


Rdo. El 3-penteno no puede existir porque su molécula sería la misma que 2-penteno pero vista desde el otro lado.

Los dobles y triples enlaces presentan algunas características especiales muy diferentes a las de un enlace simple. Para empezar, son mucho más rígidos, lo que hace que, a diferencia de lo que ocurre con un enlace simple, la rotación alrededor de ellos no sea posible. Esto, hace que, por ejemplo, la molécula de etileno no adopte ninguna otra forma que no sea la plana, mientras que la del acetileno será de forma lineal (como una especie de cilindro alargado).

Algunas propiedades de los hidrocarburos insaturados son parecidas a las de los saturados, así, por ejemplo, son poco polares con lo que tampoco son solubles en agua y sí lo son en disolventes orgánicos tipo benceno. Su combustión también produce CO2 y H2O. Sin embargo, los hidrocarburos insaturados son más reactivos. Esto se debe fundamentalmente a la naturaleza de los dobles y triples enlaces que, en determinadas reacciones se pueden romper y formar enlaces simples.

A.16. Escribid la reacción de adición de hidrógeno al etileno para obtener etano.


En presencia de un catalizador y a temperatura elevada, el hidrógeno puede añadirse a la molécula y ésta convertirse en un alcano:


CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3

A.17. Si ponemos en un tubo de ensayo unos cuantos cm3 de gasolina y añadimos unas gotas de bromo disuelto en tetracloruro de carbono (disolución de color rojo) se observa cómo rápidamente las gotas de disolución que añadimos se decoloran ¿A qué cabe atribuir este efecto?


La explicación es que en la mezcla compleja de hidrocarburos que es la gasolina, existen hidrocarburos insaturados y que las moléculas de bromo se rompen de forma que los átomos de bromo se adicionan a las insaturaciones. Así, por ejemplo, en el caso del propeno, la reacción sería:

CH3-CH=CH2 + Br2 → CH3-CHBr-CH2Br

A.18. Determinad el volumen de bromo de densidad 3’19 g/cm3 necesario para saturar completamente 53 g de propeno.


La ecuación química correspondiente a la reacción del propeno con el bromo viene dada por:


CH3-CH=CH2 + Br2 → CH3-CHBr-CH2Br


De acuerdo con ella cada mol de moléculas de propeno que reacciona lo hace con un mol de moléculas de bromo y se obtiene un mol de moléculas de 1,2-dibromopropano.


En el problema nos preguntan qué volumen de bromo se precisará para que reaccionen totalmente 53 g de propeno. Una forma de obtenerlo es averiguar en primer lugar cuántos moles de propeno hay en esos 53 g y después utilizar las relaciones molares de la ecuación química para obtener las moles de bromo necesarias. Finalmente, se trataría de averiguar la masa de bromo correspondiente a dicha cantidad de moles y con ella (y la densidad) el volumen pedido.


nº de moles de C3H6 = masa(g)/masa molar (g/mol) = 53/42 = 1’5 moles


Como por cada mol de propeno que reacciona, se utiliza también una mol de bromo, concluimos que se habrán empleado 1’5 moles de bromo.


La masa de bromo será: masa de bromo = nº moles · masa molar = 1’5 · 159'8 = 239'7 g


Para obtener el volumen de bromo, aplicamos: V = m/d = 239'7/3’19 = 75'1 cm3

En cuanto a la combustión, los hidrocarburos insaturados arden en el aire de forma similar a los saturados, produciendo también CO2 y H2O. Particularmente interesante al respecto es el caso del acetileno que arde produciendo una llama que puede alcanzar los 3000 ºC por lo que se emplea para trabajos de soldadura y corte de metales.

A.19. Haciendo reaccionar carburo de calcio puro (CaC2) con agua en exceso, se obtuvo acetileno e hidróxido de calcio. El acetileno obtenido se quemó completamente recogiéndose 841 cm3 de CO2 medidos a 1 atmósfera y 20 ºC. Con estos datos obtened la masa en gramos de carburo de calcio que se utilizó.


Rdo. Se utilizaron 3’36 g de carburo de calcio

Una propiedad muy importante de los hidrocarburos insaturados es la polimerización. Un polímero es una sustancia cuyas moléculas se han formado por unión de muchas unidades menores idénticas entre sí, llamadas monómeros. Así, por ejemplo, una molécula de etileno, en determinadas condiciones, puede enlazarse con otra. En general este proceso comienza con la apertura de un doble enlace:


CH2=CH2 → · CH2-CH2 ·

Si se encuentran dos moléculas podrán formar un enlace covalente:


· CH2-CH2 · + · CH2-CH2 · → · CH2-CH2-CH2-CH2 ·


Al producto resultante se le puede añadir otra molécula de etileno:


· CH2-CH2-CH2-CH2 · + · CH2-CH2 · → · CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 ·


Y seguir así sucesivamente dando lugar a un polímero llamado polietileno formado por moléculas con un número “n” de monómeros. El proceso se puede resumir como:


n CH2-CH2 → ... -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- ... es decir: -(CH2-CH2)n-


donde para destacarlo hemos sombreado el monómero correspondiente.


El polietileno se emplea en la fabricación de tejidos sintéticos, juguetes, recubrimiento de alambres y cables, recipientes para embalaje, etc. Sus propiedades son muy distintas de las del monómero que lo forma (el etileno).

A.20. Otro ejemplo de polímero es el llamado policloruro de vinilo, vulgarmente conocido como PVC. En este caso el monómero es el cloruro de vinilo ClCH=CH2. Escribid esquemáticamente la estructura del PVC.

Aquí, n de CHCl=CH2 darían ... –CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-... es decir: -(CHCl-CH2)-n

La fabricación a escala industrial de PVC es objeto de una viva polémica presente incluso en los medios de comunicación. Sus detractores afirman que su obtención conlleva la utilización de sustancias peligrosas para la salud y el medio ambiente, como es el propio cloruro de vinilo. Por otra parte, los cambios químicos necesarios requieren mucha energía ya que, entre otras cosas, se ha de separar el cloro del sodio al que se encuentra unido en el compuesto cloruro de sodio mediante fuertes enlaces de tipo iónico. Además, un producto hecho de PVC puede contener aditivos tóxicos, como el plomo o el cadmio. Los productos con PVC son muy numerosos: en la construcción se utiliza para fabricar persianas, marcos de ventanas y puertas, tuberías, revestimientos, muebles de jardín, etc. Cuando, pasado el tiempo, estos productos van a parar a escombreras o vertederos, liberan poco a poco los aditivos tóxicos que contienen, contaminando el suelo y el agua. Si se queman, el cloro que contienen puede reaccionar y dar lugar a cloruro de hidrógeno (corrosivo) y otras sustancias altamente tóxicas. Muchos envases (botellas de agua, aceite, vinagre, etc.), vasos, platos, etc., de plástico, son de PVC. Actualmente, muchas empresas embotelladoras de agua, han dejado de utilizar PVC en sus envases.

Existen multitud de polímeros de propiedades muy diversas que vienen determinadas por el tamaño inusualmente grande de sus moléculas así como por los átomos o grupos de átomos distintos al carbono e hidrógeno que puedan contener. Además del polietileno, existen otros polímeros de hidrocarburos como, por ejemplo, el caucho natural que es un polímero de un hidrocarburo insaturado. Por otra parte, además del PVC existen también otros muchos plásticos que también son polímeros y que tienen muchos tipos de uso. Pensemos, por ejemplo, en su utilización como bolsas, como parte de los vehículos, en la construcción de invernaderos para la agricultura, juguetes, material eléctrico, deportivo, etc. La mayor parte de la química orgánica que se realiza a escala industrial se dedica a la fabricación de polímeros.

3.3. Hidrocarburos cíclicos

Este grupo de hidrocarburos se caracteriza por tratarse de compuestos en cuyas moléculas existe al menos un anillo formado por la unión de 3 o más carbonos. Cuando se trata de un hidrocarburo saturado nos encontramos ante un cicloalcano.


Uno de los cicloalcanos más importantes es el ciclohexano (C6H12) muy utilizado como disolvente de otras sustancias orgánicas. Los esquemas siguientes corresponden a distintas formas de representar la molécula de ciclohexano.

A.21. Representad lo más esquemáticamente posible las moléculas de los compuestos siguientes:
Ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, cicloheptano y ciclooctano.

 

A.22. La fórmula general de los alcanos es, como ya hemos visto, CnH2n+2¿Cuál es la fórmula general de los cicloalcanos?


Rdo. CnH2n

Las propiedades físicas de los cicloalcanos son similares a los de los alcanos de cadena abierta. (No son solubles en agua y sí en disolventes orgánicos, son poco reactivos, se combinan con el oxígeno dando reacciones exotérmicas (combustión), en presencia de la luz solar pueden experimentar reacciones de halogenación, etc.


Un tipo de hidrocarburos cíclicos de especial importancia es el grupo de los hidrocarburos aromáticos. Durante la edad media y aún mucho después, se comerciaba con especias y se utilizaban muchas hierbas en medicina. No es pues de extrañar que estos productos se estudiaran por los químicos con el fin de extraer de ellos las esencias con las fragancias, sabores o propiedades curativa, ya que si se conseguía determinar su estructura podía pensarse en sintetizarlos en grandes cantidades y con un gasto mucho menor. A estas sustancias, se las comenzó a llamar aromáticas. Muchas de ellas tenían una unidad que estaba formada por seis átomos de carbono enlazados entre sí formando una cadena cerrada y que gozaba de gran estabilidad permaneciendo intacta en muchas reacciones.


Durante la primera mitad del siglo XIX se aisló por primera vez el benceno (C6H6), que es el hidrocarburo base a partir del cual se han obtenido un gran número de compuestos a los que, por costumbre, se les siguió denominando aromáticos (aunque muchos de ellos no despiden ningún aroma). En la actualidad también se les conoce como “arenos”.

A.23. A partir de la fórmula molecular del benceno C6H6 y sabiendo que se trata de una molécula hexagonal y plana, proponed una posible estructura (utilizando los dobles enlaces necesarios) que dé cuenta de la misma.


Una posible estructura sería la de un hexágono con tres dobles enlaces alternados y esto era lo que se les ocurrió a los químicos que por primera vez investigaron este compuesto. En ese caso el hexágono no sería regular (los dobles enlaces son más cortos que los simples) y además, el benceno, debido a la existencia de dobles enlaces debería ser tan reactivo como los alquenos y presentar reacciones de adición.

Sin embargo los resultados experimentales lo que mostraban era una estructura regular en la que todos los lados del hexágono eran de la misma longitud. Además el benceno no presenta reacciones típicas de la existencia de dobles enlaces. Por ejemplo, no decolora el agua de bromo.


El conocimiento de la estructura del benceno fue un problema para los químicos durante algún tiempo. Finalmente fue Kekulé quien en 1865 elaboró la primera estructura razonable para el benceno, proponiendo una estructura “cambiante” como la que se expone a continuación:

De acuerdo con el esquema anterior la estructura del benceno cambiaría oscilando entre las dos anteriores (estructura “resonante”). Para explicar la no decoloración del bromo, Kekulé sugería que los enlaces dobles y sencillos intercambiaban su posición tan rápido que no había tiempo de llevar a cabo las reacciones de adición correspondientes.

Una interpretación más actual de la estructura del benceno es la de 6 átomos de carbono enlazados entre sí, ocupando los vértices de un hexágono regular y los seis electrones restantes se distribuyen deslocalizados, de modo uniforme, dando lugar a una “nube electrónica compartida” por encima y debajo del plano de la molécula. De este modo, el anillo bencénico se suele representar esquemáticamente por medio de un hexágono regular con una circunferencia interior (indicativa de la nube electrónica a que nos referíamos).

El benceno es una sustancia tóxica muy peligrosa, por lo que conviene tomar muchas precauciones si se ha de manipular. Su inhalación puede producir mareos, irritación ocular y dolor de cabeza. Además se trata de un compuesto cancerígeno. Se trata de un líquido incoloro, poco viscoso y de un olor fuerte muy característico. Es muy poco soluble en agua y sí se disuelve en disolventes orgánicos (por ejemplo en alcohol o éter). Funde a 5'5 ºC y hierve a 80'1 ºC

Por sustitución de los hidrógenos puede dar distintos derivados por lo que se suele utilizar como producto de partida para la fabricación de un gran número de compuestos derivados del mismo (hidrocarburos aromáticos o arenos). Una de las reacciones más importantes es su nitración para dar trinitrotolueno o TNT (un explosivo de gran potencia), cuya estructura es:

 

 

3.4. Fuentes de los hidrocarburos

El petróleo y el gas natural son la principal fuente de los hidrocarburos saturados (hasta C40) y proporcionan la materia prima para la obtención de la mayoría de las sustancias orgánicas. El gas natural está compuesto fundamentalmente por metano (sobre el 80%) y etano (sobre el 10 %) y, en menor medida por propano, algo de butano y otros hidrocarburos superiores (de moléculas con mayor número de átomos de carbono).


La hulla es un producto natural que contiene alrededor de un 80 % de carbono. Cuando se procede a su calentamiento en ausencia de aire se obtiene una mezcla de metano e hidrógeno (gas del alumbrado), carbono casi puro y alquitrán de hulla. Este último producto es una sustancia negra y viscosa y constituye una fuente importante para la obtención de hidrocarburos aromáticos. (También se obtienen por deshidrogenación del ciclohexano y sus derivados).