Alcani: struttura e nomenclatura IUPAC

Gli alcani sono gli idrocarburi più semplici: contengono solo carbonio e idrogeno e solo legami singoli. Sono lo scheletro di partenza di tutta la chimica organica, la base da cui derivano nomi, formule e ragionamenti su molecole molto più complesse. Imparare a riconoscerli, a scriverne la formula e soprattutto a nominarli con le regole IUPAC è il primo passo concreto per orientarsi tra le sostanze che si trovano in una scheda di sicurezza o in un’etichetta.

Vediamo che cosa distingue un alcano, qual è la sua formula generale, come si applica la nomenclatura IUPAC catena per catena e perché già da poche unità di carbonio compaiono gli isomeri.

Che cosa sono gli alcani

Un alcano è un idrocarburo saturo: ogni atomo di carbonio è legato a quattro altri atomi tramite legami singoli, e non ci sono doppi o tripli legami. Si dicono saturi proprio perché non possono «accogliere» altri atomi di idrogeno: hanno già il massimo numero possibile. Gli atomi di carbonio sono ibridati sp³ e dispongono i loro quattro legami verso i vertici di un tetraedro, con angoli di circa 109°. Questa geometria spiega perché le catene di alcani non sono diritte ma a zig-zag.

La formula generale degli alcani

Tutti gli alcani a catena aperta rispondono a una sola formula generale, che lega il numero di atomi di carbonio a quello di idrogeno:

C_nH_2n+2

dove n è il numero di atomi di carbonio. Così il metano è CH₄ (n = 1), l’etano C₂H₆ (n = 2), il propano C₃H₈ (n = 3), il butano C₄H₁₀ (n = 4). Ogni volta che si aggiunge un carbonio si aggiungono due idrogeni: una serie di molecole che differiscono per un gruppo —CH₂— si chiama serie omologa, ed è il filo conduttore di tutta la classe.

La nomenclatura IUPAC: catena principale e sostituenti

Il nome IUPAC di un alcano si costruisce con pochi passaggi ordinati. Primo: si individua la catena più lunga di atomi di carbonio, che dà il nome di base (met-, et-, prop-, but-, pent-, es-, ept-, ott-… seguiti dal suffisso –ano). Secondo: si numera la catena partendo dall’estremo che assegna ai sostituenti i numeri più bassi. Terzo: si identificano i gruppi laterali, detti sostituenti alchilici (metile, etile, propile…), indicandone la posizione con il numero del carbonio a cui sono attaccati. Quarto: si elencano i sostituenti in ordine alfabetico, premettendo i prefissi di-, tri-, tetra- quando lo stesso gruppo compare più volte.

Per esempio, una catena di cinque carboni con un metile sul secondo si chiama 2-metilpentano. Il numero davanti al nome indica esattamente dove si trova la ramificazione, e questa precisione è tutto: cambiare il numero significa descrivere una molecola diversa.

L’isomeria negli alcani

A partire dal butano, una stessa formula molecolare può corrispondere a più strutture diverse: sono gli isomeri di struttura. Il butano C₄H₁₀ esiste come catena lineare (n-butano) e come catena ramificata (isobutano, cioè 2-metilpropano): stessa formula, scheletro diverso, proprietà diverse. All’aumentare di n il numero di isomeri cresce molto rapidamente, come mostra questa progressione:

numero di isomeri: 4 atomi → 2 · 5 atomi → 3 · 6 atomi → 5 · 7 atomi → 9

Già con dieci atomi di carbonio gli isomeri possibili sono settantacinque, e con venti diventano centinaia di migliaia. La ramificazione, inoltre, non è un dettaglio estetico: a parità di formula, un alcano ramificato bolle a temperatura più bassa del corrispondente lineare, perché la forma più compatta riduce le superfici di contatto tra le molecole.

Le proprietà fisiche degli alcani

Gli alcani sono molecole apolari: le loro uniche interazioni sono le deboli forze di dispersione di London. Per questo i primi termini della serie (da metano a butano) sono gas a temperatura ambiente, quelli intermedi sono liquidi (benzina, cherosene, oli) e i più lunghi sono solidi cerosi come la paraffina. Punto di ebollizione e densità crescono regolarmente lungo la serie omologa, mano a mano che la catena si allunga e aumentano le forze attrattive complessive. Essendo apolari, gli alcani sono praticamente insolubili in acqua ma si sciolgono bene in solventi organici: «il simile scioglie il simile».

Dal punto di vista chimico gli alcani sono poco reattivi a temperatura ambiente — tanto da essere chiamati anticamente «paraffine», cioè «poco affini» — ma bruciano facilmente liberando molta energia: è la combustione che li rende i combustibili più usati al mondo. Proprio l’infiammabilità è la proprietà che più spesso ne determina la classificazione di pericolo. Conoscere la struttura di un alcano aiuta quindi non solo a nominarlo, ma anche a prevederne il comportamento pratico, dalla volatilità al rischio di accensione.

I primi alcani della serie

La tabella raccoglie i primi termini della serie omologa con formula, stato fisico e impiego tipico:

Si nota a colpo d’occhio il passaggio graduale gas → liquido → solido man mano che la catena si allunga: lo stesso principio che lega struttura e proprietà lungo tutta la chimica organica.

Domande frequenti

Che cosa sono gli alcani?

Sono gli idrocarburi saturi, formati solo da carbonio e idrogeno con esclusivamente legami singoli. Rispondono alla formula generale C_nH_2n+2 e hanno carbonio ibridato sp³ con geometria tetraedrica. Sono la classe più semplice di composti organici e la base da cui si costruisce tutta la nomenclatura.

Qual è la formula generale di un alcano?

È C_nH_2n+2, dove n è il numero di atomi di carbonio. Per esempio il metano (n = 1) è CH₄, l’etano (n = 2) è C₂H₆, il propano (n = 3) è C₃H₈. Ogni carbonio in più porta due idrogeni in più: gli alcani formano così una serie omologa.

Come si nomina un alcano con le regole IUPAC?

Si individua la catena di carbonio più lunga (che dà il nome di base), la si numera dall’estremo che assegna ai sostituenti gli indici più bassi, si nominano i gruppi laterali con la loro posizione e si elencano in ordine alfabetico, usando i prefissi di-, tri-, tetra- per i gruppi ripetuti. Così nasce un nome come 2-metilpentano.

Perché il butano ha più di una struttura?

Perché con quattro atomi di carbonio la stessa formula C₄H₁₀ può disporsi in catena lineare (n-butano) o ramificata (isobutano). Sono isomeri di struttura: identica formula molecolare, scheletro diverso e quindi proprietà fisiche diverse. Il numero di isomeri cresce molto rapidamente con la lunghezza della catena.

Perché gli alcani sono così poco reattivi ma infiammabili?

I legami C−C e C−H sono forti e poco polari, perciò a temperatura ambiente gli alcani reagiscono poco. Tuttavia bruciano facilmente: la combustione con l’ossigeno libera molta energia, ed è questa la reazione che li rende combustibili. Proprio l’infiammabilità è spesso la proprietà che ne determina la classificazione di pericolo.