O que é um alcano?
Um hidrocarboneto é um composto feito só de carbono e hidrogênio. Um alcano é um hidrocarboneto com apenas ligações simples. Também o chamamos de hidrocarboneto saturado, porque cada carbono já tem o máximo de átomos de H que pode ter.
- Fórmula geral: CₙH₂ₙ₊₂. Metano CH₄, etano C₂H₆, propano C₃H₈, butano C₄H₁₀.
- Cada carbono é sp³. Suas quatro ligações apontam para os vértices de um tetraedro, separadas por 109.5°.
- O comprimento da ligação C–C é 154 pm. O da C–H é 112 pm.
- Nome antigo: parafinas ("pouca afinidade"), porque reagem com muito poucas substâncias.
A partir do butano, a mesma fórmula pode ter cadeias diferentes. O C₄H₁₀ tem dois isômeros de cadeia: butano e 2-metilpropano.
Preparação dos alcanos
1. A partir de alcenos e alcinos (hidrogenação)
Passe gás H₂ com o alceno ou alcino sobre Pt ou Pd finamente divididos (temperatura ambiente) ou Ni (cerca de 523–573 K). O hidrogênio se adiciona à ligação múltipla.
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ CH≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃
2. A partir de haletos de alquila
- Redução: Zn e HCl diluído transformam R–X em R–H. Exemplo: CH₃Cl + H₂ → CH₄ + HCl (Zn, H⁺). O metano pode ser feito assim.
- Reação de Wurtz: aqueça um haleto de alquila com sódio em éter seco. Dois grupos alquila se unem: 2R–X + 2Na → R–R + 2NaX. O produto tem o dobro de carbonos, por isso serve para alcanos simétricos com número par de carbonos. O metano não pode ser feito assim. Dois haletos diferentes dão uma mistura bagunçada de três alcanos.
3. A partir de ácidos carboxílicos
- Descarboxilação: aqueça o sal de sódio com cal sodada (NaOH + CaO). O grupo –COONa é retirado: RCOONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃. O alcano tem um carbono a menos que o ácido.
- Eletrólise de Kolbe: faça a eletrólise de uma solução aquosa do sal de sódio ou potássio. No ânodo, dois pedaços alquila se unem: 2CH₃COONa + 2H₂O → CH₃–CH₃ + 2CO₂ + H₂ + 2NaOH. O metano não pode ser feito assim.
Propriedades físicas
- Estado físico: C1–C4 são gases, C5–C17 são líquidos, de C18 em diante são sólidos cerosos.
- Apolares: C e H têm eletronegatividade quase igual. Os alcanos não se misturam com a água, mas se dissolvem em solventes apolares. "Semelhante dissolve semelhante."
- O ponto de ebulição sobe com o tamanho da cadeia. Moléculas maiores têm forças de van der Waals (dispersão) mais fortes.
- A ramificação baixa o ponto de ebulição. Uma molécula ramificada parece mais uma bola e toca as vizinhas numa área menor. Pentano 309 K, 2-metilbutano 301 K, 2,2-dimetilpropano 282.5 K.
Propriedades químicas
Os alcanos são pouco reativos na temperatura ambiente. Em condições adequadas, fazem estas reações:
Substituição: halogenação
Com luz UV ou a cerca de 520–670 K, um H é trocado por um halogênio: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. A reação segue até CH₂Cl₂, CHCl₃ e CCl₄. Velocidade: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂. Para os átomos de H: 3° > 2° > 1°.
É uma reação em cadeia via radicais livres:
- Iniciação: a luz quebra Cl–Cl → 2Cl•.
- Propagação: Cl• + CH₄ → HCl + CH₃•; depois CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•. O novo Cl• mantém a cadeia andando.
- Terminação: dois radicais se encontram: Cl• + Cl• → Cl₂; CH₃• + CH₃• → C₂H₆ (por isso aparece um pouco de etano).
Combustão
Os alcanos queimam em bastante ar formando CO₂ e água, com muito calor: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, ΔH = −890 kJ/mol. Geral: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n+1)/2 O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O. Com pouco ar, produzem fuligem (negro de fumo) e CO, que é venenoso.
Oxidação controlada
- 2CH₄ + O₂ → 2CH₃OH (Cu, 523 K, 100 atm)
- CH₄ + O₂ → HCHO + H₂O (Mo₂O₃)
- (CH₃)₃CH → (CH₃)₃COH com KMnO₄ (um H terciário é oxidado)
Isomerização, aromatização, pirólise
- Isomerização: AlCl₃ anidro + HCl transformam o n-hexano em isômeros ramificados.
- Aromatização: n-hexano sobre Cr₂O₃/V₂O₅/Mo₂O₃ a 773 K e 10–20 atm dá benzeno (o anel se fecha e H₂ é perdido).
- Reação com vapor d'água: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (Ni, 1273 K). Usada para produzir hidrogênio.
- Pirólise (craqueamento): aquecimento forte quebra alcanos grandes em alcanos menores e alcenos. Assim se obtém a gasolina a partir de óleos mais pesados.
Conformações do etano
Uma ligação simples C–C é como um eixo. Um CH₃ pode girar enquanto o outro fica parado. As diferentes formas criadas por esse giro se chamam conformações (ou confôrmeros).
- Eclipsada: os átomos de H do carbono de trás ficam exatamente atrás dos H da frente. As nuvens dos H se repelem ao máximo. Energia mais alta.
- Escalonada: os H de trás ficam nos espaços entre os H da frente, a 60° deles. Ficam o mais afastados possível. Energia mais baixa, a mais estável.
- Intermediária (skew): qualquer ângulo entre as duas.
A repulsão entre as ligações na forma eclipsada se chama tensão torsional. No etano, a diferença de energia é de apenas cerca de 12.5 kJ/mol. As moléculas conseguem essa energia facilmente nas colisões à temperatura ambiente, então as conformações mudam o tempo todo e não podem ser separadas.
Como desenhamos
- Projeção em cavalete (sawhorse): a ligação C–C é desenhada como uma linha inclinada, com três H em cada ponta.
- Projeção de Newman: olhe ao longo da ligação C–C. O carbono da frente é um ponto com três ligações saindo do centro. O de trás é um círculo com três ligações saindo da borda.
Fórmulas e definições principais
- Alcano: CₙH₂ₙ₊₂
- Hidrogenação: CₙH₂ₙ + H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ (Ni/Pt/Pd)
- Wurtz: 2R–X + 2Na → R–R + 2NaX (éter seco)
- Descarboxilação: RCOONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃ (CaO, calor)
- Kolbe: 2RCOO⁻K⁺ + 2H₂O → R–R + 2CO₂ + H₂ + 2KOH
- Combustão: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n+1)/2 O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O
- Etano: eclipsada − escalonada ≈ 12.5 kJ/mol
Exemplos resolvidos
1. Ache a fórmula do alcano com 7 carbonos.
Use CₙH₂ₙ₊₂ com n = 7. H = 2 × 7 + 2 = 16. Então o heptano é C₇H₁₆.
2. Qual alcano se forma quando o propanoato de sódio (CH₃CH₂COONa) é aquecido com cal sodada?
A descarboxilação retira –COONa e coloca H no lugar. CH₃CH₂–COONa → CH₃CH₂–H = etano (C₂H₆). O ácido tinha 3 carbonos e o alcano tem 2 (um a menos).
3. Qual alcano se forma na reação de Wurtz do bromoetano? Por que 1-bromopropano + bromoetano é uma escolha ruim?
2CH₃CH₂Br + 2Na → CH₃CH₂–CH₂CH₃ + 2NaBr. O produto é o butano (2 + 2 = 4 carbonos). Com dois haletos diferentes, os pedaços se unem de três jeitos: etila–etila (butano), propila–propila (hexano) e etila–propila (pentano). Sai uma mistura difícil de separar.
4. Quantos mols de O₂ são necessários para queimar 1 mol de propano? Quantos mols de CO₂ e H₂O se formam?
Propano: n = 3. O₂ = (3n + 1)/2 = (9 + 1)/2 = 5 mol. CO₂ = n = 3 mol. H₂O = n + 1 = 4 mol. C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
5. Que volume de CO₂ (nas CNTP) se forma quando 11 g de propano queimam completamente?
Massa molar do C₃H₈ = 3 × 12 + 8 × 1 = 44 g/mol. Mols = 11 ÷ 44 = 0.25 mol. Cada mol dá 3 mol de CO₂, então CO₂ = 0.75 mol. Volume = 0.75 × 22.4 L = 16.8 L.
6. Coloque em ordem crescente de ponto de ebulição: n-pentano, 2,2-dimetilpropano, n-butano, 2-metilbutano.
Passo 1: menos carbonos → menor. O n-butano (C₄) é o mais baixo. Passo 2: entre os isômeros C₅, mais ramificação → menor. Então: n-butano < 2,2-dimetilpropano < 2-metilbutano < n-pentano.
7. A monocloração do propano dá dois produtos. Dê os nomes e diga quais H são trocados.
O propano CH₃–CH₂–CH₃ tem 6 H das pontas (primários, 1°) e 2 H do meio (secundários, 2°). Trocar um H 1° dá 1-cloropropano. Trocar um H 2° dá 2-cloropropano. Um H 2° é mais fácil de trocar, então o 2-cloropropano se forma numa parte maior do que a conta 6 : 2 sugere.
Erros comuns
- Usar a reação de Wurtz para fazer metano. A Wurtz une dois grupos alquila, então o produto tem pelo menos 2 carbonos.
- Esquecer que a descarboxilação perde um carbono: o etanoato de sódio (2 C) dá metano (1 C), não etano.
- Achar que isômeros ramificados fervem mais alto porque "parecem maiores". A ramificação diminui o contato entre as moléculas, então o ponto de ebulição cai.
- Chamar as conformações de isômeros que podem ser separados. Elas se transformam uma na outra o tempo todo à temperatura ambiente, porque a diferença de energia é pequena.