Hidrocarburos

¿Qué son los hidrocarburos?

¿De dónde vienen los hidrocarburos?

Los hidrocarburos tienen un pasado impresionante: la mayoría de ellos son antiguos, sus orígenes se remontan a cientos de millones de años. Esto se debe a que obtenemos la mayor parte de los alcanos de una sustancia llamada petróleo crudo.

Petróleo crudo

El petróleo crudo es un líquido oscuro y maloliente. Está hecho de criaturas muertas, como algas y plantas oceánicas, que fueron comprimidas bajo pesadas capas de limo, durante muchos milenios. Las capas crearon un entorno de alta presión y alta temperatura que convirtió, gradualmente, los restos muertos en el petróleo que utilizamos hoy.

Fig. 1- Diagrama que muestra la formación del petróleo crudo. Este proceso dura millones de años.

El petróleo es extremadamente importante para la economía y para nuestra sociedad. Se encuentra en las rocas y es un recurso finito, lo que significa que se acabará y no es renovable. El petróleo crudo se compone, básicamente, de restos de biomasa antigua; es decir, organismos vivos que, en su mayoría, consisten en plancton que quedó enterrado en el lodo y que murió hace millones de años.

Destilación fraccionada

Por sí mismo, el petróleo crudo no es tan útil. Esto se debe a que es una mezcla de varios compuestos, hidrocarburos e impurezas; todos ellos con tamaños y propiedades diferentes.

Es como si una empresa de construcción pidiera un camión cargado de ladrillos, tejas y cristales; pero, en lugar de llegar a la obra en contenedores separados, todos los materiales diferentes llegaran mezclados en un gran montón desordenado. No se pueden utilizar cristales para embaldosar un tejado, ni ladrillos para rellenar una ventana: no funcionan de la misma manera. Por eso, para aprovechar al máximo los distintos materiales, hay que separarlos por tipos. El petróleo crudo se separa, por la misma razón, en un proceso llamado destilación fraccionada.

Al destilar el petróleo crudo, podemos obtener diferentes fracciones de hidrocarburos que tienen puntos de ebullición similares. Esto significa, también, que tienen muchas otras propiedades similares. Estas fracciones nos resultan mucho más útiles que la mezcla cruda sin refinar.

Craqueo

El petróleo crudo contiene una gran proporción de hidrocarburos de cadena larga. Aunque tienen algunos usos, como se verá en la siguiente sección, su oferta supera ampliamente su demanda. Sin embargo, no queremos desperdiciar todos estos hidrocarburos; al fin y al cabo, hemos invertido mucho tiempo y esfuerzo en separarlos del crudo. Por lo tanto, transformamos los hidrocarburos de cadena larga —menos útiles y no deseados— en hidrocarburos de cadena corta —más útiles y económicamente viables—, mediante un proceso llamado craqueo.

Hidrocarburos saturados

El término saturado se refiere al tipo de enlaces covalentes de la molécula; es decir, si se trata de enlaces simples o dobles. En los hidrocarburos saturados (como los alcanos), todos los enlaces carbono-carbono son enlaces simples C-C. Esto significa que los alcanos contienen el máximo número posible de átomos de hidrógeno.

Alcanos

En primer lugar, veamos la definición básica de un alcano:

Fíjate en el siguiente ejemplo de dos alcanos:

Figura 2: Ejemplo de dos alcanos: el metano y el etano, respectivamente.

Puedes observar que los alcanos están compuestos por carbono (C) e hidrógeno (H).

Fórmula general

Antes de ver cuál es la fórmula general de los alcanos, veamos lo que es una serie homóloga:

Poder representar una familia de moléculas (como los alcanos) con una fórmula general es útil para los químicos: ayuda a calcular la fórmula química única de cualquier miembro de la familia, aunque no sepamos exactamente cuántos átomos de carbono e hidrógeno contienen. Es casi como un manual de instrucciones para escribir la fórmula de una molécula.

La fórmula general de los hidrocarburos saturados es:

$$C_{n}H_{2n+2}$$

Si el número de carbonos aumenta en la cadena, los alcanos pueden presentar cambios en sus propiedades físicas. Los cuatro primeros alcanos de la serie homóloga de los alcanos son: el metano, el etano, el propano y el butano. Su fórmula molecular es la siguiente:

• Metano: CH₄.
• Etano: C₂H₆.
• Propano: C₃H₈.
• Butano: C₄H₁₀.

Este manual de instrucciones nos dice que si un alcano tiene n átomos de carbono, siempre tiene 2n+2 átomos de hidrógeno.

Con esta información, intenta encontrar las fórmulas de algunos alcanos, utilizando los ejemplos resueltos que aparecen a continuación:

Propiedades de los alcanos

Antes hemos mencionado que los alcanos forman una serie homóloga. Es decir que se trata de una gran familia de moléculas relacionadas. Piensa en tu familia: podéis compartir ciertas características. Por ejemplo, puede que todos tengáis el pelo rizado y los ojos marrones, o que os gusten las películas de terror y los dibujos animados malos. De la misma manera, los alcanos comparten ciertas propiedades. Estas propiedades muestran tendencias claras, a medida que aumenta el número de átomos de carbono en la cadena del alcano, pasando de alcanos más cortos a alcanos más largos.

He aquí algunos casos representativos:

Los alcanos de cadena larga tienen puntos de ebullición más altos que los de cadena corta. También son más viscosos. Esto significa que son más espesos, más pegajosos y, por eso mismo, fluyen con menos facilidad. Sin embargo, los alcanos de cadena larga son menos inflamables que los de cadena corta. Esto significa que son más difíciles de inflamar. Además, son menos volátiles; esto significa que se convierten en gas con menos facilidad.

Fíjate en la siguiente tabla para entender mejor las propiedades de los alcanos:

Hidrocarburos insaturados

Si los hidrocarburos saturados son hidrocarburos que solo contienen enlaces C-C simples, ¿puedes adivinar qué son los hidrocarburos insaturados?

Pues bien, son hidrocarburos que contienen, al menos, un doble enlace C=C o triple C≡C. Esto significa que es posible añadir átomos de hidrógeno adicionales a su estructura.

Hay dos tipos de hidrocarburos insaturados, según el tipo de enlaces que tengan: los alquenos (enlaces dobles) y los alquinos (enlaces triples).

Alquenos

Los alquenos tienen enlaces dobles entre sus átomos de carbono (=). Por eso, su fórmula general es:

$$C_{n}H_{2n}$$

Además, los alquenos tienen 2 átomos de hidrógeno menos que los alcanos, pero el mismo número de átomos de carbono. Se dice que los alquenos son más reactivos que los alcanos, y que el doble enlace del alqueno permite reaccionar de forma diferente a los alcanos, que solo contienen enlaces simples.

Existe una prueba que se puede realizar para identificar un alqueno, se llama prueba del agua de bromo. El agua de bromo es una solución de color naranja a la que, cuando se le añade un alqueno, produce un cambio de color de naranja a incoloro. Esto ocurre debido al doble enlace del alqueno (C=C,) que reacciona con los átomos de bromo. Por otro lado, el alcano no cambia de color cuando se le añade agua con bromo, y permanece naranja. debido a que no tiene dobles enlaces.

Los alquenos también tienen algunos usos importantes, como la generación de polímeros y su utilización como material de partida para fabricar muchos productos químicos.

Alquinos

Los alquinos tienen enlaces triples entre sus átomos de carbono (≡). Por eso, su fórmula general es:

$$C_{n}H_{2n-2}$$

Además, los alquenos tienen 3 átomos de hidrógeno menos que los alcanos, pero el mismo número de átomos de carbono.

Ejemplos de hidrocarburos

Veamos una tabla con los 10 primeros hidrocarburos (desde los hidrocarburos formados por un carbono hasta los formados por 10 carbonos):

Tabla 1: Carbono en los diferentes tipos de hidrocarburos.

Usos de los hidrocarburos

Veamos a continuación cuáles son las propiedades y usos de los hidrocarburos:

• Muchos hidrocarburos se utilizan como combustible. Esto se debe a que liberan mucha energía cuando se queman. Por ejemplo:
  • Los alcanos de cadena corta se encuentran en las estufas de camping, mientras que los alcanos de cadena media constituyen la gasolina y el gasóleo de nuestros coches.
  • Los alcanos de cadena más larga, en cambio, hacen funcionar los barcos. ¿Y el metano, el alcano más pequeño? Resulta ser un gran combustible para cohetes.
• Los hidrocarburos de cadena más larga también se emplean como materiales de construcción.
  • Por ejemplo, en las carreteras o en los tejados.
• Muchos hidrocarburos son útiles como disolventes y lubricantes. Esto se debe a que no son tan reactivos y, por tanto, no interactúan mucho con otras sustancias.
  • Por ejemplo, el alcano C₇H₁₆ se emplea para disolver y analizar las huellas dactilares en las escenas del crimen.
• Por último, los hidrocarburos son una buena materia prima química. Esto significa, simplemente, que podemos hacerlos reaccionar industrialmente para producir otros tipos de moléculas y compuestos. Por ejemplo:
  • Es probable que una molécula basada en el etano mantenga fría tu nevera.
  • Los polímeros, como los plásticos, también pueden derivarse de los alcanos.

Como pudiste ver, no mentíamos en la introducción: ¡Los hidrocarburos están realmente en todas partes! Esperamos que ahora los conozcas mucho mejor y aprecies el enorme papel que desempeñan en nuestra vida cotidiana.