Gli idrocarburi alifatici saturi

Usi e fonti industriali degli alcani

Le principali fonti degli alcani sono i gas naturali e il petrolio, che provengono dalla decomposizione e dall’azione geologica che, attraverso milioni di anni, hanno trasformato i complessi composti presenti negli organismi viventi in una miscela di idrocarburi. Tale miscela può essere costituita da molecole a un atomo di carbonio fino a molecole contenenti da 30 a 40 atomi di carbonio e talvolta anche fino a 100.

Il gas naturale contiene soltanto gli alcani più volatili, cioè quelli alcani che hanno peso molecolare più basso. Esso è costituito principalmente da metano, unito a piccole quantità, che variano a seconda della provenienza, da altri alcani inferiori come l’etano, il propano e il butano.
Solo il gas naturale estratto dal mare del Nord contiene esclusivamente metano, mentre quello estratto in Pennsylvania contiene metano, etano e propano nel rapporto 12 : 2 : 1 con il 3% in totale di alcani superiori.
Talvolta si vede il metano gorgogliare sulla superficie degli acquitrini e pertanto esso è chiamato anche gas delle paludi.
La maggior parte del metano estratto viene adoperato come combustibile. Quello estratto in Italia è tanto puro (98%) da non richiedere ulteriori trattamenti prima della distribuzione.
Trova impiego nell’industria sia come combustibile sia come materia prima. E’ molto usato come carburante per l’autotrazione ed è in continuo aumento il consumo per uso domestico: parecchi centri urbani, infatti, stanno procedendo alla metanizzazione delle loro reti di distribuzione.

Nel 1981 è stato inaugurato un metanodotto, lungo 3.000 km, che collega il nostro Paese all’Algeria.
Anche il propano e il butano vengono usati in miscela come combustibili allo stato liquido e vengono commercializzati in bombole sotto pressione con la sigla GPL (Gas di Petrolio Liquefatti), soprattutto nelle località prive di distribuzione di altri gas combustibili.
Il petrolio, che letteralmente significa “olio di pietra”, deve il suo nome al fatto che si presenta come un liquido denso che impregna rocce porose.
Già noto ai tempi dei Babilonesi e degli Egizi che ne facevano un grande uso, ad esempio imbalsamare i cadaveri, cementare i blocchi di pietra, il cosiddetto oro nero si trova anche nei giacimenti superficiali.
E’ solo verso la seconda metà del 1800 che si può considerare la nascita del petrolio come materia prima nella nostra società e nella nostra economia, precisamente quando presso Titusville in Pennsylvania entrò in produzione il primo pozzo scavato da E.L. Drake: il petrolio era stato trovato alla profondità di 21 m (27 agosto 1859).

Per quanto riguarda la sua composizione, in passato si è molto discusso sull’origine di questa materia prima e si sono contrapposte due ipotesi: origine inorganica e origine organica.
Secondo l’ipotesi organica il petrolio deriva dalla decomposizione delle sostanze contenute nei resti di piante, animali e microrganismi planctonici accumulatisi su fondali lacustri o marini scarsi di ossigeno, nei quali avviene una prima demolizione delle macromolecole organiche, ossia proteine, zuccheri, grassi, grazie all’azione di batteri anaerobi. Con l’arrivo di nuovi sedimenti si ha un progressivo sprofondamento della biomassa parzialmente demolita.
All’aumentare della temperatura e della pressione si ha la rottura dei legami chimici più deboli, eliminando in questo modo l’ossigeno e l’azoto, e le molecole organiche diventano sempre più piccole.
Per la formazione del petrolio le profondità ottimali sono comprese tra 2500 m e 4000 m, con temperature comprese tra 60 °C e 150 °C.
A profondità superiore invece è preferibile la formazione del metano, contenente un solo atomo di carbonio per molecola.
I tempi necessari per la formazione del petrolio dipendono fondamentalmente dalla temperatura: da 5 a 100 milioni di anni.

Successivamente il petrolio migra dalla roccia madre, dove si è formato, in rocce adiacenti permeabili: la pressione dei sedimenti che col tempo si accumulano, butta via il fluido presente nel sottosuolo (acqua, petrolio, gas). Gli idrocarburi tendono a stanziarsi verso la superficie, accumulandosi in particolari rocce che possono funzionare da serbatoio se sono protette da strati di rocce impermeabili, dette rocce di copertura, disposte in modo da formare una specie di trappola.
Pertanto, il petrolio non è contenuto in speciali caverne del sottosuolo ma occupa gli interstizi più o meno grandi delle rocce serbatoio.
La presenza del petrolio di colesterolo, di derivati della clorofilla o di pollini è una prova fondamentale a sostegno dell’ipotesi organica.
La ricerca del petrolio richiede l’individuazione delle formazioni geologiche favorevoli alla formazione di trappole.
I giacimenti attualmente sfruttati si trovano alle profondità inferiori di 3000 m.

Il petrolio così come viene estratto è detto greggio ed è costituito da una complessa miscela di idrocarburi solidi, liquidi e gassosi, contenente anche piccole quantità di altri composti organici in cui sono presenti ossigeno, azoto, zolfo e sali minerali, sedimenti e acqua.
A temperatura ambiente, il petrolio si presenta come un liquido oleoso, denso, infiammabile e di colore variabile dal giallastro al nero.
Il contenuto di idrocarburi nel petrolio dipende dalla sua provenienza geografica e può variare dal 97-98% per i greggi della Pennsylvania a valori molto più bassi, dell’ordine del 50%, per i greggi del Messico.
Gli idrocarburi presenti sono gli alcani, i cicloalcani e gli idrocarburi aromatici; sono invece raramente presenti gli alcheni e i dieni, mentre risultano praticamente assenti i dieni.
L’analisi percentuale degli elementi che costituiscono il petrolio greggio varia anch’essa da un tipo all’altro, ma solitamente rientra negli standard.
La sua densità oscilla mediamente tra 750 e 950 kg/m3 ma esistono anche petroli più densi dell’acqua per la presenza abbondante di prodotti bituminosi. La composizione e le caratteristiche della miscela idrocarburica dipendono anch’esse dalla provenienza del greggio.
In alcune miscele predominano gli idrocarburi leggeri e tra essi gli idrocarburi gassosi e liquidi molto volatili, facilmente infiammabili, altri invece non contengono sostanze volatili ma presentano in preponderanza idrocarburi pesanti.

E’ ormai stato accertato che esso deriva dalla decomposizione di organismi animali e vegetali, verificatasi in assenza di aria nel corso di centinaia di migliaia di anni, per opera di enzimi prodotti da batteri anaerobi. I differenti tipi di petrolio esistenti hanno pertanto una composizione che dipende dalle condizioni di formazione e dal tipo di organismi da cui hanno avuto origine.
Indipendentemente dalla sua composizione, il petrolio si trova depositato in rocce porose, in genere arenarie, attorniate da strati impermeabili.
All’interno delle arenarie si distinguono tre strati: in alto sono accumulati i gas, nella zona centrale c’è il petrolio, che sovrasta lo strato più profondo ricco di acqua salata.
Dopo la sua estrazione, il petrolio viene sottoposto a lavorazione per separare le varie frazioni commercialmente sfruttabili dall’acqua salata e per allontanare le sostanze indesiderate, come lo zolfo (fino al 5%) e i composti azotati, ossigenati, ecc. Le complesse operazioni di separazione e trattamento delle varie frazioni vengono indicate nel loro insieme col nome di raffinazione, che si effettua con la cosiddetta distillazione frazionata.
La prima operazione consiste  nell’eliminazione dell’acqua e solidi sospesi; successivamente viene sottoposto a distillazione primaria (topping), che si realizza immettendo il greggio, a circa 360 °C, in una colonna di distillazione a piatti, in cui la temperatura è decrescente dal basso verso l’alto.
Un primo grossolano frazionamento del greggio si ottiene prelevando il liquido dalle diverse altezze della colonna.
Alla base della torre restano gli idrocarburi più pesanti, a più alto punto di ebollizione; nella zona intermedia condensano gli idrocarburi con punto di ebollizione intermedio; nella parte alta condensano gli idrocarburi leggeri aventi bassa temperatura di ebollizione.
Il residuo viene ulteriormente frazionato in un sistema di distillazione sotto vuoto (il vacuum). Si ricavano ancora gasoli, oli lubrificanti e ciò che rimane è bitume, utilizzato per i manti stradali e per impermeabilizzazioni in edilizia.
Come il residuo, anche le altre frazioni del topping devono subire una serie di trattamenti prima di essere immesse nel consumo.
Per esempio, poiché le benzine, che sono il prodotto più richiesto dal mercato, costituiscono raramente più 15% di tutto il greggio, sono stati messi a punto processi come il cracking catalitico, che consentono di demolire le frazioni pesanti, cioè quelle costituite da catene idrocarburi a catena più lunga.
Operando a 400-450 °C, in presenza di catalizzatori di natura acida, la catena lunga in questi idrocarburi viene spezzata in un punto qualsiasi, con formazione di un altro alcano e un alchene.
Le miscele di alcani e alcheni ottenute con questo processo, unite agli alcani di testa del topping, vengono poi sottoposte a un processo, noto con il nome di alchilazione, con il quale alcani e alcheni reagiscono tra loro.
Con questo processo si ottengono alcani ramificati che costituiscono i componenti ideali delle “benzine avio”, cioè di benzine bassobollenti destinate a motori aeronautici, i cui carburanti sono esposti a basse temperature.
Vengono effettuati anche processi di ristrutturazione molecolare, indicati con il termine reforming, con i quali si ottengono idrocarburi aromatici, cicloalcani e paraffine a catena ramificata a spese di alcani lineari.
Come importante sottoprodotto del reforming si ottiene anche idrogeno.
Senza l’energia chimica fornita dai combustibili ricavati dalla lavorazione del petrolio, entrerebbero in crisi settori vitali della nostra società, come per esempio quelli che dipendono in larga misura dal trasporto su strada.
Non esiste solo un problema di quantità di energia ma anche uno, spesso più importante, di qualità dell’energia.
Perché si parla tanto di crisi energetica e si lanciano allarmi sul rischio di esaurimento dei giacimenti di petrolio se la legge di conservazione dell’energia ci assicura che la quantità complessiva di energia resta sempre uguale? La questione preoccupante non è la quantità ma la qualità dell’energia. Per chiarire questo aspetto, bisogna tener conto di cosa avviene dal punto di vista energetico quando, dopo per esempio aver fatto il pieno della benzina, si intraprende un viaggio in auto. Durante la reazione di combustione dei componenti della benzina, che ha luogo nel motore, l’energia che era immagazzinata sotto forma di energia chimica nelle molecole dei componenti iniziali viene trasformata in energia termica che si disperde lungo il cammino dell’auto.
La quantità totale  di energia non cambia, ma l’energia che prima era concentrata nei componenti della benzina si ritrova infine distribuita più o meno uniformemente nell’ambiente.
Quando invece l’energia si presentava in forma concentrata, era possibile compiere lavoro, una volta che l’energia si è dispersa nell’ambiente non è possibile utilizzarla per compiere un lavoro, inevitabilmente la quantità dell’energia peggiora, in quanto essa si degrada.
L’energia che attualmente è immagazzinata nel petrolio è il risultato di un lunghissimo processo di trasformazione delle molecole organiche di organismi vissuti in epoche passate, che hanno fabbricato molecole ad alto contenuto energetico sfruttando direttamente (se autotrofi) o indirettamente (se eterotrofi) l’energia della luce solare mediante la fotosintesi. Il petrolio è per noi molto importante perché costituisce una fonte di facile impiego di energia concentrata. Attualmente, in particolari ambienti del nostro pianeta il processo di formazione del petrolio è in atto, ma si tratta di un processo talmente lento, se rapportato alla durata della vita umana, che non si può fare alcun conto su di esso.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!

Il cracking

Il cracking è il processo che spezza in due o più parti la catena di un idrocarburo, a causa della grande stabilità dei legami σ tra gli atomi di carbonio, il processo richiede notevoli quantità di energia oppure l’uso di opportuni catalizzatori.

Esistono due tipi di cracking, uno termico e l’altro catalitico.
Nel cracking termico si riscaldano gli alcani a temperatura superiore a 600 °C.
Nel cracking catalitico invece si riscaldano gli alcani a una temperatura di circa 400 °C in presenza di catalizzatori acidi (silice e allumina).
In entrambi i casi si ottengono miscele di alcani a catena più corta, idrogeno e idrocarburi insaturi, cioè con doppi legami C=C, che possono essere successivamente separati per distillazione frazionata.

Gli idrocarburi si ricavano dal petrolio greggio contenente in superficie idrocarburi gassosi (da 1 a 4 atomi di C), mentre la miscela liquida sottostante viene estratta e separata per distillazione, basandosi sul diverso punto di ebollizione dei componenti.

La distillazione del petrolio greggio fornisce:

– a 70 °C l’etere di petrolio, una miscela di idrocarburi da C5 a C7;
– a 130 °C la benzina, una miscela di idrocarburi da C6 a C12;
– a 230 °C il kerosene, una miscela da C9 a C15;
– a 320 °C il gasolio, una miscela da C14 a C18;
– a 380 °C l’olio combustibile, una miscela da C16 a C20;
– dopo distillazione sotto vuoto, olio pesante da C20 a C70;
– un residuo contenente paraffine, bitume, asfalto.

La benzina prodotta è meno del 20% e per aumentarne la produzione è necessario spezzare la catena di idrocarburi più pesanti per ottenere frammenti più corti a basso peso molecolare, che appunto costituiscono la benzina.
Le benzine vengono classificate secondo il numero di ottano, che misura il grado di comprimibilità di una miscela aria-benzina. Per una buona benzina, il numero di ottano deve essere alto, affinché la miscela non detoni nel cilindro del motore per semplice compressione, ma solo se la combustione è innescata dalla scintilla delle candele.
Il numero di ottano è basso per gli alcani lineari, alto per quelli a catena ramificata o a catena chiusa, perciò la comprimibilità della benzina viene confrontata con quella dell’eptano normale, cui si attribuisce numero di ottano 0 e quella dell’isottano (2,2,4-trimetil-pentano), cui si attribuisce numero di ottano 100. Una benzina con numero di ottano 90 corrisponde a una miscela composta per il 90% da isottano e per il restante 10% da eptano.
Si ottengono benzine ad alto numero di ottano con il reforming catalitico, riscaldando gli idrocarburi a 500 °C e a 20 atm di pressione in presenza di catalizzatore di platino.

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La combustione

Quasi tutti gli alcani possono essere utilizzati come combustibili liquidi o gassosi.
Gli idrocarburi bruciano all’aria dando anidride carbonica e acqua e sviluppando una notevole quantità di calore, che è il principale prodotto di questa reazione ossidativa.
La reazione di combustione in presenza dell’ossigeno dell’aria non è spontanea a temperatura ambiente, ma deve essere innescata, ad esempio con una fiamma.
Nella reazione, ogni atomo di carbonio si trasforma in diossido di  carbonio e l’idrogeno si unisce all’ossigeno per formare acqua.
Anche la combustione procede attraverso un meccanismo radicalico molto complesso.
L’equazione stechiometrica della combustione totale di un alcano

(3n + 1)
CnH2n+2 +  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  O2 → n CO2 + (n + 1)
2

In realtà però essa non viene mai rigorosamente rispettata. Anche in presenza della corretta quantità di ossigeno, e specialmente se l’idrocarburo è molto complesso, rimangono residui di molecola non combusti, come si  verifica nei gas uscenti dai tubi di scarico dei motori diesel e nei residui carboniosi che si accumulano all’interno delle caldaie e ne causano il deterioramento.
La combustione avviene nei cilindri delle auto, nelle centrali termoelettriche, nelle case quando si utilizza il GPL o il metano.
Per il metano e l’ottano le reazioni di combustione sono così schematizzabili:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + calore

C8H18 + 12,5 O2 → 8CO2 + 9 H2O + calore

Se la combustione avviene in difetto di aria, può accadere che oltre all’anidride carbonica si formi anche una certa quantità di ossido di carbonio (CO) che rende estremamente tossico l’ambiente.
Ecco il motivo per cui bisogna bruciare questi combustibili in buone condizioni di ventilazione, per evitare disastrose conseguenze come quelle a cui si va incontro quando si mantiene acceso il motore dell’auto all’interno di un garage o di un qualsiasi altro luogo chiuso.

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La sostituzione radicalica e gli alogenoderivati

Gli alcani, caratterizzati da legami covalenti scarsamente polari, danno luogo a reazioni che procedono con meccanismi radicalici, quali l’alogenazione.
La sostituzione radicalica consiste nella sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con altri atomi o gruppi atomici. In particolare, se l’atomo che costituisce l’idrogeno è un alogeno, si ha una reazione di alogenazione.
Ad esempio, il propano, irradiato con luce ultravioletta a temperatura ambiente, in presenza di bromo, sostituisce un atomo di idrogeno con un atomo di bromo formando un alogenoderivato, il 2-bromo-propano:

CH3—CH2—CH3 + Br2 →CH3—CHBr—CH3 + HBr

Analogamente, il metano fornisce con il cloro una miscela di alogenoderivati:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
monoclorometano o cloruro di metile

La reazione di alogenazione del metano si verifica attraverso tre stadi:

inizio: la luce o il calore rompono i legami dell’alogeno formulando due radicali liberi:

Cl2 → 2Cl•

propagazione: il radicale cloro si lega a un idrogeno, dando luogo alla formazione di un radicale metilico:

CH4 + Cl• → HCl + •CH3

A sua volta, il metile reagisce con un’altra molecola di cloro e si forma un nuovo radicale cloro che riprende il ciclo:

•CH3 + Cl2 → CH3Cl + Cl•

Si verifica così una reazione a catena, in quanto uno dei prodotti del secondo passaggio costituisce il reagente del primo. La reazione procede fino a che i reagenti sono disponibili;

termine: la propagazione della reazione viene interrotta dall’accoppiamento di radicali, secondo le possibili combinazioni:

Cl• + Cl• → Cl2

•CH3 + Cl• → CH3Cl

•CH3 + •CH3 → CH3CH3

Esse bloccano la continuazione del processo.
L’alogenazione del metano non si arresta con la formazione di CH3Cl, ma procede dando luogo a una miscela che contiene anche composti ulteriormente alogenati (CH2Cl2, CHCl3, CCl4).
Gli alcani reagiscono con gli alogeni sotto l’influsso della luce ultravioletta, per dare una miscela di composti alogenati che, nel caso del metano, sono utilizzati come solventi. Si tratta di una reazione di sostituzione in quanto gli atomi di alogeno gradualmente si sostituiscono agli atomi di idrogeno degli alcani per dar luogo agli alogenuri alchilici.

CH4 + Cl2 → CH3Cl                                        + HCl
monoclorometano o cloruro di metile

CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2                                + HCl
diclorometano o cloruro di metilene

CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3                              + HCl
triclorometano o cloroformio

CHCl3 + Cl2 → CCl4                                 + HCl
tetraclorometano o tetracloruro di carbonio

Lo schema di reazione così rappresentato tiene conto solo degli aspetti stechiometrici del processo, ma nulla ci dice sull’effettivo andamento della reazione: quali legami vengono scissi, quali nuovi legami si formano e in che modo. Ogni reazione organica infatti avviene attraverso un ben determinato meccanismo, lo studio del quale richiede opportuni approfondimenti.
Il meccanismo della reazione di alogenazione è il seguente:

per azione dei raggi ultravioletti o della temperatura molto elevata, al molecola del cloro o di un altro alogeno si spezza in due e ciascun atomo riprende l’elettrone che precedentemente aveva messo in comune:

Cl2 → 2 Ċl

avendo un ottetto incompleto, ciascun atomo di cloro è fortemente reattivo e riesce a strappare all’alcano un idrogeno, al quale si lega formando HCl e lascia libero un radicale —R:

RH + Ċl → HCl + Ṙ

il radicale libero reagisce con un altro cloro formando il composto alogenato e liberando un altro atomo cloro:

Ṙ + Cl2 → RCl + Ċl

l’atomo di cloro attacca un’altra molecola di alcano e la reazione continua a catena, fino a che vi sono radicali liberi; cessa invece non appena due radicali si accoppiano, per formare una molecola di cloro o un alcano a catena più lunga:

Ċl + Ċl → Cl2   oppure:   Ṙ + Ṙ → R—R

Negli alcani la sostituzione di un idrogeno legato a un atomo di carbonio terziario è più facile di quella di un idrogeno legato a un atomo di carbonio secondario e questa, a sua volta, è più facile della sostituzione di un idrogeno legato a un atomo di carbonio primario.
Questo spiega perché, nell’alogenazione del propano, si forma il 2-bromo-propano. Infatti, l’atomo di idrogeno che viene sostituito è quello legato al carbonio centrale, che è un carbonio secondario.
Gli alogenoderivati ottenuti sono più reattivi degli alcani, in quanto l’atomo di carbonio legato a un atomo o a un gruppo di atomi X con l’elettronegatività diversa, forma un legame C—X polarizzato, nel quale la delocalizzazione elettronica, cioè lo spostamento della coppia di elettroni verso l’elemento  più elettronegativo, dà ai due atomi una parziale carica elettrica:

δ+          δ¯
C → X   indicata   C   ―  X

δ+      δ‾
cioè:  C ← X  indicata  C — X

Se X è più elettronegativo di C, e ha un orbitale vuoto, è elettrofilo, mentre se è meno elettronegativo di C, e ha un doppietto elettronico disponibile è nucleofilo.
Gli alogeno derivati danno facilmente altre reazioni di sostituzione ottenendo un nuovo composto che può essere ulteriormente trasformato.
Si può dire quindi che la reattività di un alcano-derivato non dipende dalle caratteristiche della catena del carbonio ma dagli atomi o dai gruppi di atomi a essa legati.
La descrizione dettagliata, stadio per stadio, di tutti i processi che si verificano durante il progressivo avanzamento di una reazione è detto meccanismo di reazione.
Esso scaturisce da un’ipotesi teorica che però poggia su una serie di dati ottenuti sperimentalmente. Dal meccanismo di reazione è possibile osservare quali legami si rompono e quali si formano; in tal modo si può capire meglio la reazione e ricordarla con più facilità.
Solitamente, tutte le reazioni avvengono attraverso la scissione e la formazione di legami covalenti. Si possono distinguere due tipi di scissione: l’ omolisi e l’eterolisi.
L’omolisi si ottiene quando due atomi uniti da un doppietto elettronico vengono scissi riavendo ciascuno il proprio elettrone e dando luogo a due frammenti neutri, detti radicali.
L’eterolisi, invece, si ottiene quando entrambi gli elettroni di legame vengono assunti da uno dei due frammenti (solitamente il più elettronegativo) dando luogo a due ioni.
l’alogenazione degli alcani è un esempio di reazione a catena, cioè che avviene attraverso una serie di passaggi che si ripetono ciclicamente in modo che ciascuno crea una particella reattiva che provoca lo stadio successivo.
Se, in particolare, si considera la clorurazione del metano, osserviamo che sperimentalmente tale reazione è avviata per azione del calore o della luce ultravioletta, le energie usate per la scissione omolitica della molecola del cloro, da cui si generano due atomi di Cl• che servono ad avviare la reazione (1° stadio).
Gli atomi di cloro ottenuti, non possedendo l’ottetto completo, diventano particelle molto reattive, ognuna delle quali avvierà una catena di reazione a più stadi. In particolare, nel 2° stadio si ha il consumo della particella reattiva Cl• e la formazione della nuova particella reattiva •CH3, detta radicale.
Nel 3° stadio si consuma una particella •CH3 e si rigenera la particella Cl• .
Gli stadi 2° e 3° sono passaggi di propagazione della catena che consentono la preparazione del composto alogenato. L’alternanza di due stadi, infatti, fa progredire la reazione a catena finché tutto il CH4 si è trasformato in CH3Cl.
Concludendo si può dire che la clorurazione degli alcani è una reazione di sostituzione con meccanismo radicalico.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!

Le proprietà fisiche e chimiche degli alcani

Per quanto riguarda le proprietà fisiche possiamo dire che i primi quattro idrocarburi della serie omologa degli alcani (metano, butano, propano e pentano), cioè a basso peso molecolare, a temperatura ambiente sono gas incolori; i 13 seguenti, fino a 17 atomi di carbonio, come quelli contenuti nella benzina e nel gasolio, sono liquidi a temperatura ambiente e quelli aventi 18 o più atomi di carbonio, cioè con alto peso molecolare, come quelli che formano la cera di paraffina, sono sono solidi.
Le temperature di fusione, di ebollizione e la densità degli alcani dipendono dalla lunghezza e dalle ramificazioni della catena di atomi di carbonio.
I diversi isomeri di uno stesso alcano hanno però differente punto di ebollizione: esso è tanto più basso quanto più ramificate sono le molecole. Infatti le molecole di questo tipo sono a contatto solo per una modesta porzione della loro superficie e quindi sono legate in modo notevolmente più blando.
In particolare, i punti di fusione e di ebollizione degli idrocarburi liquidi aumentano all’aumentare del numero degli atomi di carbonio in misura  di 20-30 °C per ogni atomo di carbonio che viene aggiunto alla catena, mentre, a parità di massa molecolare, la catena più corta comporta un punto di fusione e di ebollizione più bassi.
Per quanto le proprietà chimiche possiamo dire che gli alcani sono composti molto stabili e, per queste loro proprietà, sono anche detti paraffine (dal latino = poco affini, poco reattivi). La loro grande stabilità è dovuta ai legami covalenti puri della catena di carbonio, nei quali la coppia di elettroni che costituisce il legame σ è rigidamente localizzata e condivisa tra due atomi.
I legami C—H sono solo leggermente polarizzati, in quanto la differenza di elettronegatività tra C—H è molto bassa (circa 0,24); inoltre, la disposizione simmetrica degli atomi di idrogeno intorno a ogni atomo di carbonio, ne annulla gli effetti e la molecola risulta essere stabile. Tuttavia, in particolari condizioni o in presenza di catalizzatori, gli alcani possono dare tre tipi di reazioni: la sostituzione radicalica, la combustione e il cracking.
Gli alcani risultano insolubili in acqua, sono fortemente idrofobi, cioè respingono l’acqua; risultano invece solubili nei solventi organici apolari, come benzene, etere, cloroformio e tetracloruro di carbonio; tra le molecole di questi idrocarburi si possono stabilire solo deboli interazioni dipolo istantaneo-dipolo indotto, per cui i punti di ebollizione degli alcani sono determinati dai loro pesi molecolari.
In condizioni standard, gli alcani non danno alcuna reazione né con gli acidi, né con le basi, né con gli agenti ossidanti; reagiscono solo a temperatura molto elevata o sotto l’azione di raggi ultravioletti che forniscono energia sufficiente per rompere i legami.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!

Metodi di preparazione degli alcani

Spesso accade che in laboratorio si ha la necessità di preparare un particolare alcano non estraibile dal petrolio, che rappresenta la principale, ma non l’assoluta, fonte di idrocarburi saturi. Per l’estrazione bisogna ricorrere alla preparazione chimica, cioè alla sintesi diretta dell’idrocarburo. Una sintesi può essere stimata valida solo quando ci permette di ottenere con buone rese il composto desiderato in tempi accettabili. Le sintesi che presentano tali requisiti sono:

idrogenazione degli alcheni e degli alchini;
riduzione degli alogenuri alchilici: per dare i corrispondenti alcani, la maggior parte degli alogenuri alchilici ottenuti per alogenazione degli alcani reagiscono con zinco metallico in presenza di acidi;
sintesi di Wurtz: è possibile ottenere un idrocarburo con un doppio numero di atomi di carbonio facendo reagire due molecole di alogenuro alchilico con sodio metallico;
sintesi di Corey-House: è una sintesi versatile che consente di unire due diversi gruppi alchilici, dato che la sintesi di Wurtz permette soltanto di ottenere molecole con un numero pari di atomi di carbonio.

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La chiralità nei composti biologici

Il fenomeno dell’attività ottica risulta considerevolmente importante per i composti presenti nei sistemi biologici.
Questi composti si trovano in natura solo sotto forma di uno dei possibili stereoisomeri, pur avendo uno o più centri chirali, mentre le altre configurazioni si possono ottenere solo in laboratorio.
Le molecole biologiche che presentano tale fenomeno sono gli zuccheri, le proteine, gli ormoni, gli enzimi, ecc.
Gli enzimi, infatti, sono considerati dei veri e propri catalizzatori naturali che regolano la velocità delle reazioni all’interno delle cellule. Il loro funzionamento dipende dall’interazione tra le loro molecole e il substrato, la sostanza con cui l’enzima interagisce. Pertanto, quando l’enzima si adatta al substrato in modo complementare può svolgere il  suo compito. Perciò un enantiomero risulta biologicamente attivo mentre un altro non lo è.
Un chiaro esempio di tale stereospecificità è riscontrabile nei muscoli, i quali producono  un composto chirale, l’acido lattico, durante la loro attività.
Dei due enantiomeri si ottiene solo quello destrogiro, in quanto la reazione che porta alla sua formazione è catalizzata enzimaticamente.
Anche i farmaci sono costituiti da molecole chirali. Ad esempio, l’adrenalina levogira è un ormone che agisce come stimolante cardiaco, mentre il suo enantiomero destrogiro non possiede alcun effetto farmacologico.

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I radicali liberi e l’invecchiamento della pelle

Si è spesso studiata l’attività dei radicali liberi per comprendere i meccanismi di invecchiamento della pelle.
Dagli studi effettuati si è scoperto che i più deleteri per il nostro organismo sono i superossidi (O‾2) e i radicali idrossilici (OH) prodotti durante le trasformazioni metaboliche ad opera dell’ossigeno. L’inattivazione dei radicali liberi è catalizzata da due enzimi, la superossido-dismutasi (SOD) e la glutatione-perossidasi (GSH-Px).
Con l’avanzare degli anni, il nostro organismo tende a diminuire la produzione di questi enzimi, per cui passati i 40-45 anni i radicali ancora attivi prevalgono su quelli neutralizzati dagli enzimi. Inoltre, esistono numerosi agenti esterni capaci di produrre radicali, come le radiazioni UV, alcuni farmaci, alcuni additivi alimentari e il fumo di sigaretta. La principale azione negativa esercitata dai radicali liberi è la reazione chimica che si verifica a carico degli acidi grassi insaturi linoleico e α-linolenico della pelle, in seguito alla quale questi subiscono una degenerazione. Poiché gli acidi grassi proteggono la struttura dai processi di invecchiamento, la conseguenza è che la reazione modifica il regolare ciclo maturativo dell’epidermide.
Le manifestazioni più evidenti sono le tipiche macchie scure che compaiono sulle mani, sul dorso e anche sul viso, la perdita di elasticità della stessa cute, la desquamazione e la comparsa delle rughe.
Altri danni provocati dai radicali liberi sono a carico di importanti proteine, quali il collagene, principale componente del tessuto connettivo e l’elastina, che conferisce elasticità alle pareti delle arterie.
Esistono molte sostanze di origine naturale dotate di azione antiossidante, ossia antiradicalica. Esse sono: le vitamine A, C, E, B1, B5, B6, l’amminoacido cisteina, i composti catecolaminici situati in patate e banane, sostanze fenoliche presenti nell’uva e in altri frutti, bioflavonoidi e minerali contenenti zinco e selenio.

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!

La classificazione delle reazioni organiche

Prima di partire con la classificazione delle reazioni organiche, è necessario senza dubbio spiegare cos’è una reazione chimica. Nella definizione più semplice, una reazione chimica è un evento che si verifica quando le molecole collidono in specifiche condizioni per consentire la rottura dei legami chimici esistenti stabilendo altri nuovi che portano alla formazione di nuove molecole.
Spesso una reazione chimica procede per stadi successivi attraverso la formazione di prodotti intermedi. La sequenza degli stadi costituisce il meccanismo di reazione.
Le reazioni di sintesi di molti composti organici che costituiscono materiali di uso quotidiano sono state realizzate a livello industriale grazie alla conoscenza del meccanismo di reazione che permette di intervenire in modo mirato, indirizzando il percorso di un processo reattivo verso la formazione preferenziale di alcuni prodotti a scapito di altri. Questo ha reso possibile lo sfruttamento delle reazioni organiche per la sintesi di molteplici materiali utili.
La maggior parte delle reazioni organiche consiste nella trasformazione di un gruppo in un altro, lasciando uguale la struttura fondamentale della molecola. In queste reazioni la molecola, detta substrato, contiene il gruppo da trasformare sul quale agisce il reattivo per formare gli intermedi dai quali si ottengono i prodotti di reazione ed eventuali sottoprodotti:
substrato + reattivo → [intermedi] →prodotti (+ sottoprodotti)

14 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!

Carbocationi, carbanioni e radicali

I carbocationi, i carbanioni e i radicali liberi sono degli intermedi di reazione che condizionano l’andamento di molte reazioni organiche. In particolare:

– i carbocationi presentano un atomo di carbonio con carica positiva circondato da sei elettroni.
L’atomo di carbonio di un carbocatione è sp2, che gli permette di avere una struttura planare, con l’orbitale p vuoto non ibridizzato che sporge sia sopra che sotto il piano dei legami. A seconda del carbonio sul quale è localizzata la carica positiva, i carbocationi si suddividono in primari, quelli legati a un solo atomo di carbonio, secondari quelli legati a due atomi di carbonio e terziari quelli legati a tre atomi di carbonio.
I sostituenti elettron-donatori (+ Mo + I) tendono a bilanciare la carica positiva stabilizzando il carbocatione;

– i carbanioni presentano un atomo di carbonio con carica negativa circondato da otto elettroni, due dei quali sono di non legame.
In un carbanione l’atomo di carbonio è legato ad altri tre atomi e presenta ibridazione tetraedrica; la coppia di elettroni di non legame è localizzata su uno degli orbitali ibridi.
Il carbanione è una base forte e la sua stabilità dipende dal fatto che ha la possibilità di disperdere la carica negativa. Tutti i gruppi con effetto induttivo -I o quelli con effetto mesomerico -M stabilizzano la carica negativa e rendono più stabile il carbanione;

– i radicali liberi presentano un atomo di carbonio contenente sette elettroni di cui uno spaiato, cioè libero.
L’atomo di carbonio radicalico è sp2, che gli permette di avere una struttura planare, con l’orbitale p non ibridizzato che ospita l’elettrone libero.
La stabilità dei radicali liberi segue lo stesso ordine dei carbocationi, in base alla facilità con cui si formano. Un radicale libero si forma tanto più facilmente quanto più l’elettrone spaiato può essere delocalizzato sul resto della molecola.
L’ordine di stabilità dei radicali liberi è:

terziario > secondario > primario > ⠂CH3

Detto prima che i carbocationi, i carbanioni e i radicali liberi sono degli intermedi di reazione che condizionano l’andamento di molte reazioni organiche, si può ora specificare che i carbocationi e i carbanioni costituiscono gli intermedi delle reazioni ioniche, mentre i radicali liberi costituiscono gli intermedi delle reazioni radicaliche. Queste specie considerate hanno generalmente vita breve e solo sporadicamente sono isolabili.

12 dicembre 2008 Pubblicato da Francesca Brigida commenta!
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