Alcanos

OBS: é comum também a denominação n-alcano para os alcanos cadeias normais, para diferenciá-los dos isômeros de cadeia ramificada. Ex: n-propano.

Os alcanos são hidrocarbonetos saturados, ou seja, todos os seus carbonos realizam quatro ligações simples. A hibridação nesse caso é sp³, o que lhes confere uma geometria tetraédrica. Veja abaixo duas posições espaciais para a molécula de etano:

Trata-se de duas posições completamente opostas entre si. no entanto, entre essas duas posições existe uma infinidade de outras posições possíveis. essas posições são chamadas de conformações. Mas qual seria então a verdadeira conformação do etano? A resposta é: todas elas.

A ligação sigma que une dois átomos de carbono tem simetria cilíndrica - a sobreposição de orbitais e a energia da ligação, portanto, deve ser a mesma em todas as disposições possíveis. Se os vários arranjos possíveis não diferem entre si quanto aos valores correspondentes de energia, a molécula não ficará restrita a um, entre eles, mas poderá mudar livremente de um arranjo para outro. Dado que a passagem de uma conformação para outra se faz por meio da rotação da ligação sigma carbono-carbono, dizemos que existe uma rotação livre à volta da ligação simples carbono-carbono.

Certas propriedades físicas indicam que a conformação eclíptica, no caso do etano, aumenta a energia do sistema em 3 kcal/mol, devido à repulsões que surge entre os pares de elétrons que mantêm os hidrogênios em posição. Essa repulsão é chamada de interação não-dirigida, e desestabiliza o sistema. A maioria das moléculas do etano, portanto, deve existir na conformação interpolada, que é mais estável. Contudo, a barreira de 3 kcal não se pode considerar alta. mesmo à temperatura ambiente, é bastante elevada a fração de choques entre as moléculas que se dão com energia suficiente para operar a passagem de uma conformação à outra.

A interconversão de uma estrutura na outra é tão rápida que não se pode separá-las. A temperaturas muito baixas, porém, a energia dos choques entre as moléculas é baixa. isso explica o fato de se ter conseguido separar dois isômeros do composto CHBr₂CHBr₂ em que há considerável aglomeração atômica.

O metano, o mais simples dos alcanos, e outros alcanos com poucos átomos de carbono constituem a parte principal dos gases emanados presentes nos terrenos petrolíferos e em locais pantanosos, onde há muita matéria orgânica em decomposição, ou nas minas de sais potássicos, onde se notam, frequentemente, formações de gases ricos em metano. Outra fonte natural de alcanos é o petróleo, geralmente formado por uma mistura de hidrocarbonetos nos quais os átomos de carbono variam de 1 a 40. Também em algumas essências vegetais verifica-se a presença de alcanos, em especial o heptano normal. Outros alcanos, de elevada massa molecular, encontram-se em pequenas porcentagens na cera de abelha, principalmente o heptacosano (C₂₇H₅₆) e o hentriacotano (C₃₁H₆₄).

Por serem compostos completamente apolares, as forças (de Van der Waals) que mantêm unidas as moléculas dos alcanos são muitas fracas e de curto raio de ação - atuam apenas entre partes de moléculas vizinhas que se encontrem em contato, ou seja, entre as superfícies das moléculas. Deve-se esperar, portanto, que quanto maior for a molécula, e consequentemente a área superficial, maiores serão as forças intermoleculares. Assim, algumas propriedades físicas, como o ponto de fusão (PF) e o ponto de ebulição (PE) crescem à medida que aumenta o número de carbonos na cadeia dos alcanos.

À temperatura ambiente os n-alcanos com até 4 carbonos são gasosos; de 5 a 16 carbonos são líquidos e acima de 17 são sólidos. Os alcanos isômeros apresentam diferenças no PE e PF. Por exemplo, o butano tem PE = 0,8^o C e o isobutano tem PE = -11,7^o C. Pode-se generalizar que, para alcanos isômeros, aquele que tiver maior número de ramificações terá menor ponto de ebulição. Imagina-se que, pela inserção de cadeias laterais, a molécula tende a aproximar-se da forma esférica; isso produz um decréscimo da área superficial relativa e, consequentemente, enfraquecimento das forças intermoleculares, as quais podem, assim, ser vencidas a temperaturas mais baixas.

Quanto à solubilidade, os alcanos, sendo moléculas apolares, dissolvem-se apenas em solventes apolares como benzeno e em outros alcanos líquidos (gasolina, querosene etc). A densidade dos alcanos aumenta inicialmente com o peso molecular, mas tende depois para um limite de cerca de 0,778, sendo todos, portanto, menos densos que a água.

Os alcanos mais baixos, desde o metano até o n-pentano, podem ser obtidos em estado puro, pela destilação fracionada do petróleo e do gás natural. As frações separadas do petróleo, no entanto, são constituídas de misturas complexas de vários hidrocabonetos com diferentes números de átomos de carbono e, sob a forma de diversos isômeros. Os demais alcanos têm de ser preparados em laboratório. O uso que se dá a cada uma das frações depende essencialmente da respectiva volatilidade ou viscosidade dos compostos.

Fração	Temperatura de ebulição	Número de átomos de carbono
Gás	abaixo de 20^o C	1 a 4
Éter de petróleo	20 - 60^o C	5 a 6
Ligroína (nafta leve)	60 - 100^o C	6 a 7
Gasolina natural	40 - 205^o C	5 a 10 e cicloalcanos
Petróleo de iluminação	175 - 325^o C	12 a 18 e aromáticos
Gasóleo	acima de 275^o C	12 ou mais
Óleo de lubrificação	líquidos não voláteis	cadeias longas ligadas a ciclos
Asfalto ou coque do petróleo	sólidos não voláteis	estruturas policíclicas

Os alcanos são compostos naturalmente pouco reativos. Para fazer reagir um alcano é preciso fornecer grande quantidade de energia, pois sua estrutura é muito estável e muito difícil de ser quebrada. Só uma partícula extremamente reativa, como um átomo ou um radical livre, consegue atacar a molécula do alcano. As reações geralmente se dão pela subtração de hidrogênios do alcano, rompendo homoliticamente a ligação. Forma-se então um radical livre, que continua a sequência da reação. A molécula do alcano, todavia, possui diversos átomos de hidrogênio, e o produto, que efetivamente se forma, depende de qual desses hidrogênios é removido.