Gli idrocarburi sono composti formati solo da carbonio e idrogeno. Comprendono alcani, cicloalcani, alcheni, alchini, dieni e composti aromatici.
Formule generali acicliche:
| Famiglia | Formula |
|---|---|
| alcani | C_nH_{2n+2} |
| alcheni | C_nH_{2n} |
| alchini | C_nH_{2n-2} |
Queste formule valgono per catene acicliche semplici. La presenza di anelli o insaturazioni modifica il numero di idrogeni e introduce il concetto di grado di insaturazione.
Classificazione
Gli idrocarburi si dividono anzitutto in saturi, insaturi e aromatici.
| Classe | Legami principali | Esempio | Reattività dominante |
|---|---|---|---|
| alcani | solo legami semplici | metano, esano | combustione, alogenazione radicalica |
| cicloalcani | legami semplici in anello | cicloesano | combustione, conformazioni, tensione d’anello |
| alcheni | almeno un doppio legame | etene | addizione elettrofila |
| alchini | almeno un triplo legame | etino | addizione, acidità degli alchini terminali |
| aromatici | sistema \pi delocalizzato | benzene | sostituzione elettrofila aromatica |
La distinzione è strutturale e predittiva: un alcano non reagisce come un alchene, un alchene non ha la stabilità di un aromatico e un alchino terminale presenta proprietà acido-base che mancano agli alcani.
Saturazione e grado di insaturazione
Un idrocarburo saturo contiene il massimo numero possibile di idrogeni compatibile con lo scheletro carbonioso aciclico. Ogni anello o legame \pi riduce il numero di idrogeni di due unità. Per una formula C_nH_m senza eteroatomi, un indice utile è:
I conta il numero complessivo di anelli e legami \pi equivalenti. Un doppio legame vale uno, un anello vale uno, un triplo legame vale due. Il benzene, C_6H_6, ha:
che corrisponde a un anello più tre insaturazioni formali.
Reattività generale
Gli alcani reagiscono soprattutto per combustione e alogenazione radicalica. Sono poco polari e privi di siti \pi, quindi richiedono condizioni energetiche o radicaliche per trasformazioni selettive.
Gli alcheni e gli alchini danno addizioni al legame multiplo. La nube \pi è più accessibile del legame \sigma e può interagire con elettrofili, idrogeno, alogeni, acidi alogenidrici o reagenti di ossidazione. Negli alchini, la linearità del carbonio sp e i due legami \pi rendono possibili addizioni successive.
Gli aromatici preferiscono sostituzioni che conservano l’aromaticità. Un’addizione distruggerebbe la delocalizzazione aromatica e quindi è energeticamente sfavorita in condizioni ordinarie. Per questo benzene e derivati reagiscono spesso tramite sostituzione elettrofila aromatica.
Proprietà fisiche
Gli idrocarburi sono in genere apolari o debolmente polari. Sono poco solubili in acqua e solubili in solventi organici apolari. Le temperature di ebollizione aumentano con la massa molare e con la superficie di contatto molecolare; diminuiscono invece con la ramificazione, perché le molecole ramificate impaccano e interagiscono meno efficacemente.
La combustione completa produce anidride carbonica e acqua:
La quantità di energia liberata rende gli idrocarburi centrali nei combustibili, ma la stessa reazione è anche fonte di emissioni climalteranti e inquinanti quando avviene in modo incompleto o in sistemi reali.
Rilevanza industriale e ambientale
Gli idrocarburi sono materie prime per carburanti, lubrificanti, solventi, polimeri, tensioattivi e intermedi della chimica fine. La raffinazione del petrolio, il cracking, il reforming e la petrolchimica trasformano miscele complesse di idrocarburi in frazioni e molecole più utili.
Dal punto di vista ambientale, volatilità, persistenza, infiammabilità e tossicità variano molto tra famiglie diverse. Gli aromatici leggeri richiedono particolare attenzione per la salute; gli idrocarburi policiclici aromatici possono essere prodotti da combustioni incomplete; gli alcani pesanti possono persistere come contaminanti in suolo e sedimenti.
Vedi anche: Aromaticità, Reazione di Diels-Alder.