Observo las representaciones estructurales de los siguientes hidrocarburos y respondo las preguntas (butano: cadena lineal \text{H}_3\text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3; isobutano o 2-metilpropano: cadena ramificada con un grupo metilo sobre el carbono central).
¿A qué se debe que los dos hidrocarburos tengan la misma fórmula molecular?
- Conto los átomos en cada estructura del butano: hay 4 carbonos y 10 hidrógenos, es decir, \text{C}_4\text{H}_{10}.
- Conto los átomos en el isobutano: también hay 4 carbonos y 10 hidrógenos, \text{C}_4\text{H}_{10}.
- Ambos cumplen la fórmula general de los alcanos, \text{C}_{n}\text{H}_{2n+2}, con n=4: \text{C}_4\text{H}_{2(4)+2}=\text{C}_4\text{H}_{10}.
- La diferencia está solo en el orden o disposición de los átomos: el butano es un n-alcano (cadena recta) y el isobutano es un isoalcano (cadena ramificada).
- Moléculas con la misma fórmula molecular pero distinta estructura se denominan isómeros (en este caso, isómeros de cadena, tipo constitutivos).
Los dos hidrocarburos tienen la misma fórmula molecular, \text{C}_4\text{H}_{10}, porque poseen el mismo número de átomos de carbono y de hidrógeno; lo que cambia es la distribución de esos átomos, es decir, son isómeros de cadena (butano lineal e isobutano ramificado).
¿La geometría molecular que presenta cada hidrocarburo condiciona las propiedades físicas y químicas de estas moléculas? ¿Por qué?
- El carbono enlaza de forma tetraédrica, con ángulos cercanos a 109{,}5^\circ; por eso el butano, aunque se dibuje en zigzag lineal, adopta en realidad una conformación quebrada.
- El isobutano es más compacto (esférico) que el butano, que es más alargado.
- En la fase líquida, las moléculas lineales se apilan más cerca y sus superficies de contacto son mayores.
- Mayores superficies de contacto implican fuerzas de van der Waals (dispersión de London) más intensas entre moléculas.
- Por lo tanto, el butano (p. ej., T_b\approx -0{,}5\ ^\circ\text{C}) presenta temperatura de ebullición ligeramente superior a la del isobutano (T_b\approx -11{,}7\ ^\circ\text{C}), y su densidad es mayor.
- En propiedades químicas, ambos reaccionan casi igual (sustitución con halógenos, combustión), pero la ramificación hace más reactivos a algunos radicales terciarios, por lo que el isobutano presenta un índice de octano mayor.
Sí. La geometría determina el empaquetamiento y el contacto entre moléculas, lo que modifica las fuerzas intermoleculares y, con ellas, la temperatura de ebullición, la densidad y el comportamiento en combustión. El butano, más lineal, se apila mejor y hierve a mayor temperatura que el isobutano, más compacto y ramificado.
¿Qué aplicaciones tiene el butano y el isobutano?
- Butano: combustible en encendedores y hornillos portátiles, gas licuado (GLP / GLP-botella), refrigerante en equipos de aire acondicionado y refrigeradores, precursor de alqueno (\text{C}_4\text{H}_8) por craqueo, y materia prima de plásticos.
- Isobutano: enriquece la gasolina (aumenta el índice de octano), es precursor del isobutileno y del metil tert-butil éter (MTBE), combustible en encendedores y refrigerante ecológico (reemplaza clorofluorocarbonos).
- Los dos se obtienen del petróleo y del gas natural, y se presentan mezclados en el GLP comercial.
El butano se usa como combustible en encendedores y hornillos portátiles, como gas licuado (GLP) y refrigerante; el isobutano se emplea para subir el índice de octano de la gasolina, como refrigerante ecológico y como materia prima química.
¿En qué actividad de la vida cotidiana se puede evidenciar la aplicación de esta Ley de los gases?
- Los hidrocarburos del GLP son gases que se comprimen en recipientes y, al calentarse, aumentan su presión.
- En la ley de Gay-Lussac, \dfrac{P_1}{T_1}=\dfrac{P_2}{T_2} (volumen constante); en la ley de Boyle, P_1V_1=P_2V_2 (temperatura constante).
- Ejemplo cotidiano: al cocinar con GLP, el gas se expande al salir del cilindro; si el cilindro se calienta al sol o cerca del fuego, la presión interna aumenta, P\propto T.
- Otro ejemplo: encender un encendedor de butano, donde el líquido se vaporiza y el gas se expande, o inflar una llanta (aire comprimido, PV=nRT).
En el uso de gas licuado de petróleo (GLP) para cocinar o calentar: al calentar el cilindro aumenta la presión interna (P\propto T), y al abrir la válvula el gas se expande y ocupa el ambiente. También se evidencia al inflar neumáticos o al usar encendedores de butano.
¿Por qué es importante aprender sobre los hidrocarburos? ¿En qué condiciones de la cotidianidad lo podría aplicar?
- Los hidrocarburos son la principal fuente de energía y de materia prima industrial de la sociedad moderna: combustibles, plásticos, fibras, medicamentos y fertilizantes.
- Comprenderlos permite evaluar con criterio crítico temas como la dependencia del petróleo, el calentamiento global (emisión de \text{CO}_2) y la contaminación por derrames.
- En la cotidianidad: elegir fuentes de energía más eficientes, manipular con seguridad cilindros de GLP (evitar el calor y la acumulación de gas en espacios cerrados, que es inflamable), separar residuos plásticos y reducir el consumo de productos derivados del petróleo.
- Permite también interpretar etiquetas de combustibles y entender por qué se promueven biocombustibles y energías renovables.
Es importante porque los hidrocarburos sustentan la energía y los materiales que usamos diariamente, y su aprovechamiento responsable implica seguridad, eficiencia y cuidado ambiental. Se aplica al usar y almacenar GLP con seguridad, al reducir el consumo de plásticos y al exigir alternativas energéticas menos contaminantes.
