Observa las representaciones estructurales del butano (cadena lineal: \text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-CH}_2\text{-CH}_3) y del isobutano o 2-metilpropano (cadena ramificada: \text{CH(CH}_3\text{)}_3) y responde las cinco preguntas.
¿A qué se debe que los dos hidrocarburos tengan la misma fórmula molecular?
- Contamos los átomos de cada molécula: ambas poseen 4 átomos de carbono y 10 átomos de hidrógeno.
- Por lo tanto, los dos compuestos presentan la fórmula molecular \text{C}_4\text{H}_{10}.
- El carbono es tetravalente (enlaza 4 veces), de modo que los 4 carbonos se pueden organizar de dos maneras distintas: en línea recta o con una ramificación (un carbono central enlazado a tres \text{CH}_3).
- Al tener la misma fórmula pero distinto ordenamiento de los átomos, se les llama isómeros (isómeros de cadena).
Porque ambos poseen los mismos átomos (4\,\text{C} y 10\,\text{H}), pero estos están dispuestos de forma distinta: el butano es lineal y el isobutano ramificado. Son isómeros, de ahí que compartan la fórmula \text{C}_4\text{H}_{10}.
¿La geometría molecular condiciona las propiedades físicas y químicas de estas moléculas? ¿Por qué?
- Las fuerzas de Van der Waals (fuerzas de dispersión) dependen de la superficie de contacto entre las moléculas.
- El butano lineal es más alargado: tiene mayor superficie de contacto entre moléculas, por lo que esas fuerzas son más intensas.
- El isobutano es compacto y ramificado: menor superficie de contacto ⇒ interacciones más débiles.
- Las fuerzas más intensas requieren más energía para romperse ⇒ el butano hierve a una temperatura mayor.
- Respecto a las propiedades químicas: la distinta disponibilidad de los enlaces \text{C-H} y el número de ramificaciones afectan la reactividad y la estabilidad del carbocatión intermedio (el isobutano produce carbocatión terciario, más estable).
| Propiedad | Butano (lineal) | Isobutano (ramificado) |
|---|---|---|
| Fórmula | \text{C}_4\text{H}_{10} | \text{C}_4\text{H}_{10} |
| Punto de ebullición | \approx -0{,}5^\circ\text{C} | \approx -11{,}7^\circ\text{C} |
| Punto de fusión | \approx -138^\circ\text{C} | \approx -159^\circ\text{C} |
| Fuerzas intermoleculares | Más intensas (mayor superficie) | Más débiles (menor superficie) |
| Densidad líquida | \approx 0{,}58\,\text{g/cm}^3 | \approx 0{,}55\,\text{g/cm}^3 |
| Forma | Lineal | Ramificada |
Sí. La geometría determina el contacto entre moléculas y, con ello, la intensidad de las fuerzas intermoleculares: por eso el butano (lineal) tiene punto de ebullición más alto que el isobutano (ramificado). Las propiedades químicas también cambian porque la reactividad depende de la estabilidad de los intermedios que se forman al atacar la molécula.
¿Qué aplicaciones tiene el butano y el isobutano?
Butano:
- Combustible de los encendedores (butano licuado bajo presión).
- Componente del gas licuado de petróleo (GLP) para cocinar y calefacción.
- Propulsor de aerosoles (desodorantes, pinturas en spray).
- Materia prima petroquímica y combustible para motores.
Isobutano:
- Refrigerante (R-600a) en refrigeradores y aires acondicionados modernos (sustituye a los CFC que dañan la capa de ozono).
- Propulsor ecológico de aerosoles.
- Gasolina de alto octano: al unirse con etileno produce gasolina de gran calidad para motores de alta compresión.
- Combustible y gas licuado para hogares e industrias.
¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta Ley de los gases?
- El butano y el isobutano son gases a temperatura ambiente, pero al comprimirlos se licúan (ley de Boyle: al aumentar la presión a temperatura constante, el volumen disminuye) y se guardan en cilindros de encendedores y tanques de GLP.
- Al abrir el encendedor o la válvula del cilindro, la presión disminuye y el líquido se vaporiza rápidamente, expandiéndose enormemente (ley de Charles y ley de Gay-Lussac: a presión constante, al subir la temperatura el volumen aumenta).
- También se observa al hervir agua: al calentarse, el volumen del vapor se expande y empuja el tapón (presión en función de la temperatura, ley de Amontons).
En el uso de encendedores, cilindros de gas de cocina y latas de aerosol: el gas está licuado a alta presión y, al liberarse, se expande y vaporiza, aplicando la relación presión–volumen–temperatura de los gases ideales (PV = nRT).
¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la cotidianidad lo podría aplicar?
Los hidrocarburos son la base de las fuentes de energía y de la industria petroquímica (combustibles, plásticos, medicamentos, fertilizantes). Conocerlos permite elegir con criterio el producto (por ejemplo, elegir aerosoles sin CFC), usar el gas doméstico con seguridad (evitar fugas, garantizar ventilación por el monóxido de carbono) y valorar las consecuencias ambientales del consumo de combustibles fósiles. Se aplica cada vez que se usa gas de cocina, se enciende un encendedor, se elige gasolina o se descarta un residuo plástico.
