Propiedades químicas de los compuestos de carbono

Los hidrocarburos son los compuestos de carbono más abundantes, como alcanos, alquenos y alquinos. Ahora discutiremos algunas de las propiedades químicas de los hidrocarburos, que son compuestos de carbono. Las reacciones de combustión, las reacciones de sustitución y las reacciones de adición son las propiedades químicas que se discutirán aquí. Todos los tipos de hidrocarburos (saturados e insaturados) se pueden usar en las reacciones de combustión, pero solo los hidrocarburos saturados (o alcanos) se pueden usar en las reacciones de sustitución, y solo los hidrocarburos insaturados se pueden usar en las reacciones de adición (alquenos y alquinos). Estas reacciones se discuten más adelante.

¿Qué es la reacción de combustión?

La combustión es el proceso de quemar un compuesto de carbono en el aire para producir dirust de carbono, agua, calor y luz. La quema es otro término para la combustión. La mayoría de los compuestos de carbono se queman en el aire y producen una gran cantidad de calor. Los alcanos, por ejemplo, se queman en el aire para producir mucho calor, lo que los convierte en buenos combustibles. 

Reacción de combustión para compuestos de carbono

Considere la quema de metano, un alcano común que es un componente sustancial del gas natural.

Cuando se quema metano o gas natural en un suministro adecuado de aire, se crean dirust de carbono y vapor de agua, así como mucho calor.

CH ₄       + 2O ₂     → CO ₂         + 2H ₂ O + Calor + Luz
(Metano) (Oxígeno) (Dirust de carbono) (Agua)

El metano o gas natural se utiliza como combustible en los hogares, el transporte y la industria porque produce mucho calor cuando se quema. El butano (C ₄ H ₁₀ ) es el componente principal del gas para cocinar (GLP) que usamos en nuestros hogares. Cuando el butano (o GLP) se quema en el aire en el quemador de una estufa de gas, produce dirust de carbono y vapor de agua, así como mucho calor y luz. El butano o GLP es un gran combustible por este motivo.

• Combustión de hidrocarburos saturados– Los hidrocarburos saturados, a menudo conocidos como alcanos, se queman con una llama azul sin hollín en el aire. Esto se debe a la proporción relativamente baja de carbono en los hidrocarburos saturados, que se oxida totalmente por el oxígeno del aire. Sin embargo, si se reduce o limita la disponibilidad de aire y, por lo tanto, de oxígeno para la combustión, incluso los hidrocarburos saturados sufrirán una combustión incompleta, lo que dará como resultado una llama con hollín y una gran cantidad de humo negro. Las estufas de gas y las estufas de queroseno que usamos en nuestros hogares incluyen pequeños orificios o entradas de aire para garantizar que haya suficiente oxígeno disponible para la combustión completa del combustible y una llama azul sin humo. Cuando la llama de una estufa de gas se vuelve azul, el combustible se ha quemado totalmente. Cuando el combustible en una estufa de gas o queroseno se ha quemado por completo, dejando una llama azul, el fondo de los utensilios de cocina está limpio desde el exterior. No se vuelve negro. Sin embargo, en una estufa de gas, si el combustible no se quema por completo, se forma una llama de hollín que ennegrece los fondos de los utensilios de cocina desde el exterior.
• Combustión de hidrocarburos no saturados– Los hidrocarburos no saturados, también conocidos como alquenos y alquinos, producen humo negro cuando se queman en el aire con una llama amarilla de hollín. El eteno y el etino, por ejemplo, emiten una llama de hollín cuando se queman en el aire. Dado que el porcentaje de carbono en los hidrocarburos insaturados es mayor que el de los alcanos, que no se oxidan totalmente en el oxígeno del aire, se queman con una llama de hollín. El aire contiene solo alrededor del 21% de oxígeno, que es insuficiente para la combustión completa de hidrocarburos insaturados con alto contenido de carbono. Los hidrocarburos no saturados, por otro lado, arderán completamente en oxígeno puro, generando una llama azul sin humo. El acetileno, un etino, es un ejemplo de un hidrocarburo insaturado. Debido a la combustión incompleta, el acetileno se quema con una llama extremadamente hollín en el aire. La llama producida no tiene una temperatura elevada. Cuando el acetileno y el oxígeno puro se combinan y se queman, el acetileno se quema por completo y genera una llama azul.

¿Qué es la reacción de sustitución?

Una reacción de sustitución ocurre cuando uno o más átomos de hidrógeno en un hidrocarburo son reemplazados por otros átomos como el cloro. La cloración se define como la sustitución de átomos de hidrógeno por cloro. 

Los hidrocarburos saturados o alcanos son conocidos por sus reacciones de sustitución, como la cloración. Los hidrocarburos insaturados dan reacciones de adición con halógenos en lugar de reacciones de sustitución. En presencia de la luz solar, los hidrocarburos saturados, por otro lado, sufren reacciones de sustitución de cloro. Dado que solo tienen enlaces simples carbono-carbono, los hidrocarburos saturados o los alcanos son relativamente poco reactivos. Los hidrocarburos saturados no reaccionan con muchas sustancias porque no son reactivos. Ahora discutiremos el proceso de sustitución de metano y cloro.

Reacción de sustitución de metano con cloro.

En presencia de la luz solar, el metano reacciona con el cloro para producir clorometano y cloruro de hidrógeno. ₃

CH ₄      + Cl ₂           → CH ₃ Cl + HCl
(Metano) (Cloro) (Cloroetano) (Cloruro de hidrógeno)

Un átomo de H del metano ha sido sustituido o reemplazado por un átomo de Cl en esta reacción, cambiando CH ₄ a CH ₃ Cl.

Solo un átomo de hidrógeno del metano ha sido reemplazado por un átomo de cloro en la reacción metano-cloro, produciendo clorometano, CHCl. Es posible reemplazar todos los átomos de hidrógeno en el metano con cloro uno por uno suministrando cloro adicional. Podemos hacer tres sustancias químicas más de esta manera: diclorometano o dicloruro de metileno, CH ₂ Cl ₂ , triclorometano o cloroformo, CHCl ₃ y tetraclorometano o tetracloruro de carbono, CCl ₄ . Los hidrocarburos saturados incluyen metano CH ₄ , etano C ₂ H ₆ , propano C ₃ H ₈ , butano C ₄ H ₁₀, entre otros. Como resultado, todos estos compuestos sufrirán reacciones de sustitución de cloro.

¿Qué es la reacción de adición?

Una reacción de adición ocurre cuando un hidrocarburo insaturado reacciona con otro químico para producir un solo producto. Los hidrocarburos insaturados son conocidos por sus reacciones de adición, que incluyen la adición de hidrógeno, cloro o bromo. 

Todos los hidrocarburos insaturados con un enlace doble o triple también proporcionan reacciones de adición. En otras palabras, todos los alquenos y alquinos proporcionan reacciones de adición. Veamos una reacción de adición que implica agregar hidrógeno a hidrocarburos insaturados con dobles enlaces carbono-carbono.

Reacción de adición de eteno con hidrógeno.

Cuando el eteno se calienta en presencia de un catalizador de níquel, se combina con hidrógeno para producir eteno.

CH ₂ =CH ₂      + H ₂            → CH ₃ -CH ₃          (en presencia de catalizador de Ni)
(Eteno) (Hidrógeno) (Etano)

En esta reacción, se agrega un átomo de H a cada átomo de C del eteno, lo que hace que el doble enlace del eteno se abra y cree un enlace simple. Se agrega una molécula de hidrógeno a un hidrocarburo insaturado con un doble enlace para formar un hidrocarburo saturado con un enlace simple, que se llama etano. En general, los hidrocarburos insaturados agregan hidrógeno para producir hidrocarburos saturados en presencia de un catalizador como el níquel (Ni). El proceso de agregar hidrógeno a un hidrocarburo insaturado para formar un hidrocarburo saturado se conoce como hidrogenación. El proceso de hidrogenación tiene lugar en presencia de metales de níquel, que actúan como catalizadores.

• Solo se ha discutido la reacción de adición de hidrógeno con hidrocarburos insaturados. Otros elementos, como el cloro (Cl ₂ ) y el bromo (Br ₂ ), también pueden agregarse a compuestos insaturados como alquenos y alquinos. 
• Dado que el bromo se emplea como prueba para productos químicos no saturados, es particularmente significativo. El bromo se emplea en forma de agua de bromo para este fin. El agua de bromo es una solución de bromo en agua.
• La presencia de bromo en el agua de bromo le da un color marrón rojizo. Cuando se agrega agua de bromo a un compuesto insaturado, se agrega bromo y el color marrón rojizo del agua de bromo se descarga, dejando la molécula insaturada sin color. 
• Como resultado, si un químico orgánico decolora el agua de bromo, es un compuesto insaturado con un enlace doble o triple. 
• Todas las moléculas insaturadas, como los alquenos y los alquinos, decoloran el agua de bromo, pero los compuestos saturados, como los alcanos, no. 
• Dado que el eteno y el etino son sustancias químicas no saturadas, decoloran el agua con bromo, pero el metano y el etano son hidrocarburos saturados y no decoloran el agua con bromo. 

Prueba para distinguir entre aceite de cocina y mantequilla.

La prueba de agua con bromo puede detectar químicamente la diferencia entre el aceite de cocina y la mantequilla. En tubos de ensayo separados, mezcle agua de bromo con un poco de aceite de cocina y mantequilla.

• El agua de bromo se decolora cuando se cocina en aceite, lo que indica que es un compuesto insaturado.
• Dado que la mantequilla no decolora el agua de bromo, es un compuesto saturado.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: Explique la razón por la cual los compuestos de carbono se utilizan como combustibles.

Responder:

El carbono y sus compuestos se utilizan como combustibles porque liberan mucha energía térmica cuando se queman en el aire.

Pregunta 2: ¿Qué causa que los fondos de nuestros utensilios de cocina se ennegrezcan en nuestros hogares?

Responder:

Si las aberturas de aire de la estufa de gas se obstruyen y el combustible no se quema por completo, se produce una llama de hollín que ennegrece los fondos de nuestros utensilios de cocina.

Pregunta 3: ¿Mencione algunos inconvenientes de la combustión incompleta?

Responder:

Algunos inconvenientes de la combustión incompleta son.

• El carbón no quemado en forma de hollín contamina la atmósfera, ennegrece los utensilios de cocina y obstruye las chimeneas de las fábricas debido a una combustión incompleta.
• La combustión incompleta también da como resultado la producción de monrust de carbono, un gas altamente tóxico.
• El calor producido por la combustión incompleta de un combustible es menor que el producido por la combustión completa.

Pregunta 4: ¿Por qué no se mezclan acetileno y oxígeno para soldar?

Responder:

Dado que la combustión incompleta de acetileno y oxígeno genera una llama de hollín que no es lo suficientemente caliente para derretir metales para soldar, la mezcla de acetileno y oxígeno no se usa para soldar.

Pregunta 5: ¿Por qué el eteno, pero no el etano, decolora el agua de bromo?

Responder:

Cuando se agrega agua de bromo a un compuesto insaturado, se agrega bromo y el color marrón rojizo del agua de bromo se descarga, dejando la molécula insaturada sin color. El eteno decolora el agua de bromo porque es un hidrocarburo insaturado. Sin embargo, dado que el etano es un hidrocarburo saturado, no tiene efecto sobre el color del agua de bromo.