Fundamentos Esenciales de Química: Hidrocarburos, Reacciones y Propiedades Clave

Hidrocarburos: Clasificación y Fórmulas

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno.

Hidrocarburos Saturados

Son aquellos que contienen solo enlaces simples carbono-carbono.

• Alcanos: Enlaces C-C simples. Fórmula general: C_nH_2n+2

Hidrocarburos No Saturados

Son aquellos que contienen al menos un enlace doble o triple carbono-carbono.

• Alquenos: Contienen al menos un enlace C=C doble. Fórmula general: C_nH_2n
• Alquinos: Contienen al menos un enlace C≡C triple. Fórmula general: C_nH_2n-2

Reacciones de Combustión

La combustión es una reacción química de oxidación rápida que produce un gran desprendimiento de luz y calor.

Combustión Completa

Se produce cuando hay suficiente oxígeno para oxidar completamente el hidrocarburo, formando dióxido de carbono y agua.

C_nH_n + O₂ → nCO₂ + nH₂O

Combustión Incompleta

Ocurre cuando la cantidad de oxígeno es insuficiente, resultando en la formación de monóxido de carbono y agua.

C_nH_n + O₂ → nCO + nH₂O

Combustión Totalmente Incompleta

Se da con una escasez severa de oxígeno, produciendo carbono (hollín) y agua.

C_nH_n + O₂ → nC + nH₂O

Conceptos Fundamentales de Moles

El mol es la unidad del Sistema Internacional que mide la cantidad de sustancia.

Masa Atómica Relativa (Ar)

Es la masa promedio de los átomos de un elemento, expresada en unidades de masa atómica (uma). Se encuentra en la Tabla Periódica.

Masa Molecular Relativa (Mr)

Es la suma de las masas atómicas relativas de todos los átomos en una molécula (Ar + Ar + Ar...).

• Equivalencia en moléculas: 1 mol = 6,02 x 10²³ moléculas (Número de Avogadro)
• Equivalencia en volumen (para gases ideales en CNPT): 1 mol = 22,4 L
• Relación con la masa molecular: La masa molecular relativa (Mr) es numéricamente igual a la masa de 1 mol de sustancia expresada en gramos.

Funciones Orgánicas Principales

Las funciones orgánicas son grupos de átomos que confieren propiedades químicas específicas a las moléculas.

Alcoholes

• Contienen un grupo -OH (hidroxilo) unido a un carbono saturado.
• Terminación: -OL

Aldehídos

• Contienen un grupo carbonilo (-CHO) en un carbono primario (al final de la cadena).
• Terminación: -AL

Cetonas

• Contienen un grupo carbonilo (C=O) en un carbono secundario (dentro de la cadena).
• Terminación: -ONA

Ácidos Carboxílicos

• Contienen un grupo carboxilo (-COOH), que incluye un -OH y un =O en el mismo carbono primario.
• Terminación: -OICO

Dienos

• Hidrocarburos con dos dobles enlaces (ligaduras).

Éteres

• Contienen un átomo de oxígeno unido a dos grupos alquilo o arilo (R-O-R').
• Terminación: ______ANO OXI _____ANO (ej. metoxietano)

Ésteres

• Derivados de ácidos carboxílicos, donde el -OH del grupo carboxilo es reemplazado por un grupo -OR'.
• Terminación: ______ATO de _______ILO (ej. etanoato de metilo)

Otras Funciones y Reacciones Orgánicas

Aminas

• Derivados del amoníaco (NH₃) donde uno o más hidrógenos son reemplazados por radicales orgánicos.
• Terminación: _____IL AMINA (ej. metilamina)

Amidas

• Derivados de ácidos carboxílicos donde el grupo -OH es reemplazado por un grupo -NH₂, -NHR o -NR₂.
• Se pueden obtener por deshidratación de un ácido carboxílico y una amina.
• Terminación: _____AN AMIDA (ej. etanamida)

Nitrilos

• Contienen un grupo ciano (-C≡N).
• Se pueden obtener por deshidratación de amidas.
• Terminación: ___ANO NITRILO (ej. etanonitrilo)

Hidrogenación

• Reacción de adición donde se añade hidrógeno (H₂) a un enlace doble o triple, saturándolo.

Halogenación

• Reacción donde se reemplaza un átomo de hidrógeno por un halógeno (Cl, Br, etc.). Por ejemplo, +HCl.

Tipos de Isómeros

Los isómeros son compuestos con la misma fórmula molecular pero diferente estructura.

Isómeros de Cadena

• Difieren en la estructura de la cadena carbonada (lineal, ramificada). La cantidad de C y H no cambia.

Isómeros de Posición

• Difieren en la posición de un grupo funcional o de un sustituyente en la cadena carbonada.

Isómeros de Función

• Difieren en el tipo de grupo funcional presente, aunque tengan la misma fórmula molecular.

Estequiometría: Pasos para Cálculos Químicos

La estequiometría es la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en una reacción química.

1. Se escribe la fórmula de la reacción y se balancea (iguala).
2. Se colocan las masas moleculares relativas (Mr) y se verifica la igualdad de masas.
3. Se coloca la columna de datos conocidos y las incógnitas.
4. Si hay dos columnas de datos, se calcula el reactivo limitante.
5. Se ajustan las unidades de las columnas con las incógnitas.
6. Se obtienen las incógnitas utilizando la regla de tres simple.

Reactivos Químicos: Limitante y en Exceso

Reactivo Limitante

Es el reactivo que se consume completamente en una reacción química, determinando la cantidad máxima de producto que se puede formar. Es el que tiene menos masa o volumen proporcionalmente.

Reactivo en Exceso

Es el reactivo que no se consume por completo en una reacción química, quedando una parte sin reaccionar. Se calcula restando la masa obtenida que reaccionó con el limitante de la masa inicial.

Polaridad y Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas de atracción o repulsión que existen entre las moléculas.

Interacción Dipolo-Dipolo

Se produce entre moléculas polares. El extremo negativo de un dipolo se acerca al extremo positivo de otro dipolo.

Interacción de Dipolos Transitorios (Fuerzas de London)

Se producen por el movimiento aleatorio de electrones en moléculas no polares, lo que provoca la aparición de dipolos temporales o transitorios. Estos dipolos inducen la formación de otros dipolos en moléculas cercanas. Las fuerzas de London son el resultado de la interacción entre estos dipolos inducidos.

Puentes de Hidrógeno

Se forman cuando un átomo de hidrógeno, unido covalentemente a un elemento sumamente electronegativo (como F, O, N), interacciona con un par electrónico no compartido de otro átomo de alta electronegatividad.

Propiedades de los Hidrocarburos

Generalidades

• Las moléculas de los hidrocarburos son apolares.
• Predominan las fuerzas de London como interacción intermolecular.
• Las fuerzas de interacción aumentan con el número de electrones.
• El punto de fusión y ebullición aumenta con la masa molecular.

Alcanos

• Son insolubles en agua y menos densos que el agua.
• Los alcanos ramificados tienen puntos de fusión y ebullición más bajos que sus isómeros de cadena lineal, ya que los isómeros de cadena lineal tienen mayores fuerzas de London y sus moléculas pueden aproximarse más entre sí.

Alquenos

• Los puntos de fusión y ebullición aumentan con el número de carbonos.
• Son insolubles en agua.

Benceno

• Tiene un punto de ebullición de 80°C.
• Es insoluble en agua.
• Es tóxico y tiene un olor desagradable.

Reactividad de los Hidrocarburos

Saturados: Alcanos

• Son poco reactivos porque tienen enlaces fuertes (simples C-C y C-H).
• Las reacciones son lentas y generalmente requieren altas presiones y temperaturas, a menudo con catalizadores.

No Saturados: Alquenos y Alquinos

• Son más reactivos que los alcanos porque poseen enlaces dobles o triples (mayor número de enlaces pi), que son más fáciles de romper en reacciones de adición.

Procesos de Refinación del Petróleo

Destilación Primaria o Topping

Proceso que se realiza a presión atmosférica para separar las fracciones gaseosas y líquidas del petróleo crudo. El petróleo crudo se calienta y se introduce en una torre de fraccionamiento, donde se separan las distintas fracciones líquidas a diferentes temperaturas.

Productos de Destilación Primaria

• Gases combustibles (metano, etano, propano y butano)
• Nafta
• Queroseno
• Gas Oil
• Fuel Oil

Productos de Destilación Conservativa

• Aceites y grasas lubricantes
• Residuos sólidos (asfaltos, coque)

Destilación Secundaria o Craqueo

Consiste en la ruptura de cadenas largas de hidrocarburos para formar otras más cortas, de mayor valor comercial.

Craqueo Térmico

Proceso que rompe las cadenas de hidrocarburos sometiéndolas a altas presiones y temperaturas.

Craqueo Catalítico

Proceso que rompe las cadenas de hidrocarburos utilizando catalizadores, lo que permite operar a temperaturas más bajas que el craqueo térmico.