Reacciones orgánicas

a) Los cuatro primeros alcanos.b) Reacciones de combustión.

En general, $\text{C}_n\text{H}_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow n\,\text{CO}_2 + (n+1)\,\text{H}_2\text{O}$.

• Metano: 1 C → 1 $\text{CO}_2$; 4 H → 2 $\text{H}_2\text{O}$; oxígenos en productos: $2 + 2 = 4$ → 2 $\text{O}_2$.

$$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$

• Etano: 2 C → 2 $\text{CO}_2$; 6 H → 3 $\text{H}_2\text{O}$; oxígenos: $4 + 3 = 7$ → $\tfrac{7}{2}\,\text{O}_2$. Multiplicando por 2:

$$2\,\text{C}_2\text{H}_6 + 7\,\text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$$

• Propano: 3 C → 3 $\text{CO}_2$; 8 H → 4 $\text{H}_2\text{O}$; oxígenos: $6 + 4 = 10$ → 5 $\text{O}_2$.

$$\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$$

• Butano: 4 C → 4 $\text{CO}_2$; 10 H → 5 $\text{H}_2\text{O}$; oxígenos: $8 + 5 = 13$ → $\tfrac{13}{2}\,\text{O}_2$. Multiplicando por 2:

$$2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}$$(También es correcto dejar las ecuaciones del etano y del butano con coeficientes fraccionarios: $\text{C}_2\text{H}_6 + \tfrac{7}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}$ y $\text{C}_4\text{H}_{10} + \tfrac{13}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 4\,\text{CO}_2 + 5\,\text{H}_2\text{O}$, que es como se escriben cuando se refieren a un mol de combustible.)

c) Estructura del metano e hibridación.

La configuración del carbono ($Z = 6$) en su estado fundamental es $1s^2\,2s^2\,2p^2$: solo tendría dos electrones desapareados y formaría dos enlaces. Para formar los cuatro enlaces del metano, un electrón $2s$ se promociona a un orbital $2p$ vacío ($2s^1\,2p_x^1\,2p_y^1\,2p_z^1$) y después el orbital $2s$ y los tres $2p$ se combinan en cuatro orbitales híbridos $sp^3$ idénticos, cada uno con un electrón.

Los cuatro híbridos se orientan hacia los vértices de un tetraedro regular, lo más separados posible, con ángulos de $109{,}5^\circ$. Cada uno se solapa frontalmente con el orbital $1s$ de un hidrógeno y forma un enlace $\sigma$ C–H. El resultado es una molécula tetraédrica con el carbono en el centro y los cuatro hidrógenos en los vértices, todos los ángulos H–C–H de $109{,}5^\circ$:$$\begin{array}{ccccc} & & \text{H} & & \\ & & | & & \\ \text{H} & - & \text{C} & - & \text{H} \\ & & | & & \\ & & \text{H} & & \end{array}$$(Este dibujo plano es la fórmula desarrollada; en el espacio, los cuatro enlaces apuntan a los vértices del tetraedro, como se ve en la simulación.)