Chimica Organica: Alcani

Metano o gas di palude

Prodotto in natura da:

* decomposizione materiale organico in condizioni anaerobiche ad opera di certi batteri

* batteri in apparato digerente di ruminanti

ca. 1 ppm di metano nell’atmosfera terrestre

Concentrazione reale è molto superiore a quella calcolata,

(si tratta infatti di un gas molto leggero (più leggero di O ed N )

2 2

che dovrebbe quindi avere forte tendenza a sfuggire all’atmosfera

 è quindi efficiente la produzione continua di metano

mediante decomposizione batterica di sostanze vegetali)

Il metano costituisce il 50% degli idrocarburi che inquinano l’atmosfera urbana

Non sembra avere effetti dannosi diretti sulla salute

A volte si creano accumuli di metano in miniere di carbone

GRISOU: metano + 5-14% di aria

Miscela altamente esplosiva

È inoltre possibile causa di asfissia in miniera

Fonti di alcani GAS NATURALE

Spesso si trova associato a petrolio nei giacimenti

ca. 80% metano + 5-10% etano + alcani superiori

fonte di energia in competizione con gasolio

Distribuito in metanodotti o liquefatto in container

PETROLIO

Combustibile fossile

Da lenta degradazione accumuli organismi animali e sostanze vegetali

Liquido nero viscoso, miscela complessa di composti organici

in prevalenza alcani e cicloalcani

(miscela di idrocarburi alifatici e aromatici.

Presenti anche composti organici che contengono zolfo e azoto)

Raffinazione del petrolio

I fase: distillazione frazionata

Raffinazione del petrolio C -C

distillazione frazionata del petrolio 1 4

Riscaldamento e cottura cibo

Materie prime ind.

petrolchimica

GPL (prev. propano)

in bombole

C -C

5 12

Benzina C -C ; carburante

6 12

etere di petrolio ; solvente

C -C

12 15

carburante

C -C

15 18

Gasolio

Riscaldamento domestico

Carburante motori diesel

> C 18

lubrificanti, grassi,

cere alla paraffina

Raffinazione del petrolio

frazione pregiata: frazione delle benzine (C -C ) (solo ca. il 25% del petrolio)

6 12

(carburante e materia prima dell’industria petrolchimica)

Cracking catalitico

Riscaldamento a T elevata in presenza di catalizzatori (per lo più silice ed allumina)

delle frazioni a p.e. più elevato di quello delle benzine



da alcani a catena lunga miscela di alcani e alcheni a catena più corta

(frammentazione in più punti della catena carboniosa)

Quantità elevate di idrocarburi a basso PM

Es. etilene, propano, propene, butani e buteni.

L’etilene, in particolare, è molto usato come materia prima

nell’industria petrolchimica

Alchilazione

Conversione in benzine di idrocarburi a basso PM

Necessario catalizzatore

Combinazione di un alcano con un alchene con formazione di alcano a più alto p.e.

Usato durante la II guerra mondiale per la produzione di carburante per aerei

Ancora oggi largamente impiegato per la produzione di benzine ad elevato numero di ottani

Numero di ottani

Numero di ottani di carburante:

percentuale di isoottano in una miscela di isoottano ed eptano

con proprietà antidetonanti equivalenti a quelle del carburante in esame

Alcuni idrocarburi, specie quelli con catene altamente ramificate bruciano regolarmente nel motore

Isoottano (2,2,4-trimetilpentano) eccellente carburante

Alcuni idrocarburi, specie quelli con catene non ramificate tendono ad esplodere nel cilindro

(motore “batte in testa”)

Eptano pessimo carburante sotto questo aspetto

Isoottano si assegna valore 100 nella scala

Eptano si assegna valore 0 nella scala

Benzina “normale” numero di ottani 87

Stesse proprietà detonanti di miscela 87% isoottano - 13% eptano

Carbon fossile

Roccia sedimentaria ricca di carbonio

Prodotto finale della degradazione della vegetazione palustre in condizioni anaerobiche

Ossigeno e idrogeno vengono persi gradualmente durante il processo di carbonificazione

(aumenta tenore di carbonio e valore del carbon fossile). Aumenta abbondanza strutture aromatiche.

Torba: basso tenore di carbonio, elevata umidità, tenera

Lignite: regioni occidentali di USA

Molto abbondante ma entalpia di combustione

pari a meno del 50% di quella dell’antracite

Carbone bituminoso: maggior tenore di carbonio

Contaminato però da zolfo e altri inquinanti

Antracite: elevato tenore di carbonio

Durissimo, combustione regolare,

Elevata entalpia di combustione

Un tempo si utilizzava il carbon fossile per alimentare navi e treni

Più diffuso del petrolio, ma è solido e molto impuro (non è più utilizzato come combustibile per mezzi di trasporto)

Brucia male: produce grandi quantità di inquinanti sottoforma di particolato (soprattutto ceneri), ossidi di azoto e zolfo.

Elevato tenore di carbonio: contribuisce pesantemente ad effetto serra

Tentativo di trasformare carbone in combustibili migliori (sviluppo di impianti di gasificazione di carbone)

Carbon fossile è utile come materia prima per l’ottenimento di sostanze chimiche.

Reazioni degli alcani

Legami covalenti singoli, non polari

Composti relativamente inerti

(paraffine: dal latino “poco affine”)

Utilizzabili come solventi

(solvente per estrazioni, solvente di cristallizzazione, solvente di reazione)

Legami C H e C C sono forti

  : -1



C H entalpia media di legame 412 kJ mol -1



C C entalpia media di legame 348 kJ mol

Vantaggio energetico solo se si formano legami molto forti

Esempi: -1

CO entalpia media di legame 743 kJ mol -1



O H entalpia media di legame 463 kJ mol -1



C OH entalpia media di legame 360 kJ mol -1



C F entalpia media di legame 484 kJ mol

Reazioni degli alcani

OSSIDAZIONE DI ALCANI

Bruciano in eccesso di ossigeno con produzione di CO e H O

2 2

-1

(legame ossigeno-ossigeno 496 kJ mol )

Reazione fortemente esotermica

(si liberano grandi quantità di calore)

Alcani usati per produrre calore (gas naturale e olio combustibile)

per produrre energia (benzina) calore

+ 2 + 2

CH4 O2 CO2 H2O + 212.8 kcal/mole

calore

+ 13/2 4 + 5 +

C4H10 O2 CO2 H2O 688.0 kcal/mole

+ (3n+1)/2 n + (n+1)

CnH2n+2 O2 CO2 H2O

Reazioni degli alcani

OSSIDAZIONE DI ALCANI

Necessario stadio di inizio

Es. accensione con scintilla o fiamma

poi la reazione procede in maniera spontanea ed esoterma

Ossidazione

 

Legami C H trasformati in legami C O

CH il carbonio è nella sua forma più ridotta

4

CO il carbonio è nella sua forma più ossidata

2

Ossidazione parziale:

ossidazione in presenza di quantità di ossigeno inferiore a quantità necessaria ad ossidazione completa

es. nell’ossidazione parziale possibile formazione di:

CO ossido di carbonio (presente in fumi ciminiere)

C (produzione di nerofumo, utilizzato nelle gomme delle auto

e come pigmento per inchiostri)

formaldeide (aldeidi contribuiscono a formazione smog)

acidi carbossilici (accumulo acidi carbossilici in oli lubrificanti)

           

H O

C O C OH

H H

aldeide formica acido formico (acido formico:

2 3

C O C O stato di ossidazione superiore

rispetto ad aldeide formica)

C H

2 1 C H

Effetto serra

CO è il maggior responsabile dell’effetto serra

2

principali responsabili:

CO (per il 55%); CFC (per il 24%); CH (per il 15%); N O (per il 6%);

2 4 2

Produzione elevata di CO a seguito della combustione di carburanti a base di carbonio

2

Idrocarburi usati come combustibile per riscaldamento, produzione energia elettrica, nei trasporti….

Le piante utilizzano molta della CO che noi produciamo:

2

la distruzione di parte delle foreste contribuisce all’aumento dell’effetto serra

Energia solare

Energia associata alla luce visibile (lunghezza d’onda relativamente bassa)

passa dallo spazio esterno all’atmosfera e incontra molecole di gas trasparenti alla luce visibile.

La luce visibile raggiunge quindi la terra senza venire assorbita lungo il percorso.

L’energia irradiata dalla terra verso lo spazio esterno

è caratterizzata da una lunghezza d’onda maggiore di quella della luce visibile (luce infrarossa)

Le molecole dei gas inquinanti, trasparenti alla luce visibile,

assorbono invece la luce infrarossa

 energia “intrappolata” nell’atmosfera terrestre

provoca un innalzamento della temperatura

(così come una serra cattura e trattiene calore all’interno)

ALOGENODERIVATI Nomenclatura

Si numera la catena principale in modo che

il sostituente (alogeno o gruppo alchilico) che si incontra per primo

abbia il numero di posizione più basso possibile

Alogeni sono indicati dai prefissi:

fluoro-

cloro-

bromo-

iodo-

Stessa priorità di gruppo alchilico CH

Es. 2-cloro-1,1-dimetilciclopentano 3

CH

3

Cl

2-cloro-1,1-dimetilciclopentano

In alternativa si assegna nome considerandoli alogenuri di gruppi alchilici

Es. fluoruro di etile, cloruro di propile, etc. CH CH F CH CH CH Cl

3 2 3 2 2

fluoruro di etile cloruro di propile

oppure oppure

fluoroetano 1-cloropropano

Reazioni degli alcani

ALOGENAZIONE DI ALCANI

Reazione di sostituzione

Sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con atomi di alogeno 

Reazione iniziata da: esposizione alla luce (simbolo hn luce)

opp. D 

riscaldamento a T elevata (simbolo calore)

T > 300 °C

Reazione esotermica

Clorurazione hn +

+ Cl Cl R Cl H Cl

R H D

opp.

Es. hn +

CH3Cl

+ H Cl

CH4 Cl2 D

opp.

Bromurazione hn +

+ Br Br R Br H Br

R H D

opp.

Reazioni degli alcani

ALOGENAZIONE DI ALCANI

Se è presente un eccesso di alogeno posso avere polialogenazione

Es. Cl2 Cl2 Cl2 Cl2 CCl4

CH3Cl CHCl3

CH4 CH2Cl2

D D D D

hn hn hn hn

opp. opp. opp. opp.

p.e. -164 °C p.e. -24 °C p.e. 40 °C p.e. 61 °C p.e. 76.5 °C

Polialogenazione

Composizione miscela prodotti: f ([alogeno]/[idrocarburo], cond. reaz.)

Reazioni degli alcani

ALOGENAZIONE DI ALCANI

Alcani a più di due atomi di carbonio:

posso avere miscele di prodotti fin dal I passaggio (monoalogenazione)

Nei cicloalcani ho un solo monoalogeno derivato

Br

hn

Es. + Br2 D

opp. bromociclopentano

(bromuro di ciclopentile)

           

Fluorurazione è poco usata reazione è molto esotermica,

difficile da controllare

Iodurazione è poco usata equilibrio spostato a sinistra

Bromurazione reazione regioselettiva

Clorurazione meno selettiva di bromurazione

Aloge