Idrocarburi - Definizione e caratteristiche

Gli idrocarburi sono composti organici binari formati da carbonio e idrogeno. Si dividono principalmente in due categorie: gli idrocarburi alifatici, che possono essere saturi o insaturi , a catena aperte, lineare o ramificata, o ciclica, chiusa ad anello, e gli idrocarburi aromatici, caratterizzati da un anello contente i doppi legami. Gli idrocarburi sono detti saturi quando tutti gli atomi di carbonio che lo compongono hanno ibridazione sp3.

Caratteristiche degli alcani

Sono idrocarburi saturi che presentano ibridazione sp3 e soltanto legami semplici, la loro formula molecolare è Cn H2n+2 , che vale anche per tutte le molecole a catena aperta. Tutti gli alcani che hanno 4 o più atomi di carbonio possono presentare un’isomeria di catena: gli isomeri in questione hanno la stessa formula molecolare ma gli atomi che li compongono sono disposti in un ordine diverso. Se la catena carboniosa non è lineare ma ciclica, si tratta di cicloalcani. I forti legami che legano gli atomi della catena carboniosa e la scarsa polarità dei legami tra idrogeno e carbonio rendono gli alcani poco reattivi, per questo vengono anche detti paraffine.

Reazioni degli alcani

Essi fanno soltanto tre tipi di reazioni: il cracking, la combustione e l’alogenazione radicalica. Nella combustione, gli alcani reagiscono con l’ossigeno per dare anidride carbonica, acqua e calore, mentre l’alogenazione radicalica è una reazione di sostituzione in cui un atomo di idrogeno viene rimpiazzato da un atomo di alogeno, come il cloro o il bromo. L’alogenazione radicalica è costituita da tre fasi, l’innesco, la propagazione e la terminazione. Nella prima fase la molecola di alogeno viene separata con una scissione omolitica, utilizzando luce o calore, e si formano due radicali liberi, molecole estremamente reattive. I radicali reagiscono con l’alcano, strappando un atomo di idrogeno alla molecola e andando a formare un acido alogenidrico e un radicale alchilico, innescando una reazione a catena. Il radicale alchilico reagisce con la molecola di alogeno , formando un alogeno alchilico e radicali di alogeno. L’alogenazione radicalica termina quando due radicali dello stesso tipo reagiscono tra di loro, interrompendo la reazione a catena. Dalla reazione di alogenazione si ottengono degli alogenoalcani, o alogenuri alchilici.

Proprietà degli alcheni

Gli alcheni sono idrocarburi che presentano un doppio legame e ibridazione sp2. La loro formula molecolare è Cn H2n. Se la molecola è composta da 3 o più atomi di carbonio, è necessario indicare la posizione del doppio legame. Si parla di polieni quando sono presenti due o più doppi legami. Gli alcheni possono presentare un’isomeria geometrica: rispetto all’asse carbonioso, i due atomi di reagente possono trovarsi dalla stessa parte, costituendo un isomero cis, oppure da due parti opposte, formando un isomero trans.

Reazioni degli alcheni

Il doppio legame può essere rotto attraverso reazioni di addizione; i composti che possono essere addizionati si dividono in due grandi gruppi: reagenti simmetrici, che si scindono in due metà identiche, e asimmetrici, che formano due metà diverse.

Se ad un alchene si addiziona Cl2, si parla di alogenazione: quando la molecola di cloro si avvicina al doppio legame si polarizza e fa una scissione eterolitica, formando un atomo elettrofilo, con carica positiva, e un atomo nucleofilo, con carica negativa. L’atomo elettrofilo, una volta rotto il doppio legame, va a legarsi con uno degli atomi di carbonio, e quello che resta libero acquista una carica positiva, in quanto perde un elettrone, e diventa un carbocatione. L’atomo di alogeno nucleofilo si lega a sua volta con il carbocatione, andando a formare un dialogenoalcano.

Se ad un alchene addizioniamo HCl, si parla di monoalogenazione. Il reagente, essendo asimmetrico, si separa in maniera eterolitica, formando uno ione H+ e un altro Cl-. Se anche l’alchene è asimmetrico, si possono formare due carbocationi diversi a seconda della localizzazione della carica positiva. Secondo la regola di Markovnikov, l’atomo d’ idrogeno andrà a legarsi al carbonio maggiormente idrogenato e che la formazione di uno o dell’altro carbocatione dipende dalla stabilità di ciascuno di essi.

Se l’alchene viene fatto reagire con H2, abbiamo l’idrogenazione. Il reagente è simmetrico, dunque addizionandolo ad un alchene otteniamo un alcano.

Se ad un alchene si addiziona H2O, parliamo d’idratazione: il sostituente è asimmetrico e dalla sua scissione si ottengono due ioni, H+ e OH-. Dall’idratazione di un alchene otteniamo un alcolo.

Caratteristiche degli alchini

Sono idrocarburi che presentano un triplo legame e hanno ibridazione sp, la loro formula molecolare è Cn H2n-2 e l’alchino principale è l’etino, anche detto anche acetilene. Anche gli alchini, come gli alcheni, fanno reazioni di addizione.
Il capostipite della famiglia degl’idrocarburi aromatici è il benzene, la cui formula molecolare è C6H6. È una molecola planare con gli atomi di carbonio disposti ai vertici di un esagono regolare . Ognuno dei sei atomi di carbonio ha due orbitali con ibridazione sp2 e un orbitale puro, che possiede un elettrone che può dar luogo a un legame pigreco. I 6 elettroni pigreco si collocano nei 3 orbitali di legame. Questi elettroni sono però liberi di muoversi e per questo sono detti elettroni delocalizzati. Essi si riuniscono in una nuvola elettronica a doppio anello posta sotto e sopra al piano della molecola . Solitamente viene rappresentata con un esagono regolare all’interno del quale si trova un cerchio che rappresenta gli elettroni delocalizzati.

Teorie sulla struttura del benzene

Nel 1865 Kekulé che il benzene esistesse in due forme, con un anello a 6 carboni in cui si alternano legami semplici e legami multipli. Per spiegare la reattività del benzene, che compiva sono reazione di sostituzione e non di addizione, si ipotizzò che i legami modificassero continuamente la loro posizione. Nonostante il legame doppio sia più corto del legame semplice, attraverso delle misurazioni si è scoperto che i legami che legano i sei atomi sono tutti della stessa lunghezza.

Nel 1931 Pauling ipotizzò che la molecola avesse due forme limite, ma nessuna delle due è quella reale; il benzene è per questo detto ibrido di risonanza: presenta le caratteristiche di tutte le forme limite ma è più stabile di ognuna di esse.