Qué son los hidrocarburos y cómo se clasifican técnicamente

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos únicamente por átomos de carbono e hidrógeno; representan la base fundamental de la química orgánica; estos compuestos constituyen la formulación de innumerables materiales, productos químicos y fuentes de energía de uso cotidiano.

Entender ¿qué son los hidrocarburos? y su clasificación técnica permite analizar sus propiedades moleculares, su comportamiento químico, sus aplicaciones industriales y sus efectos medioambientales. Desde su fórmula molecular hasta sus propiedades fisicoquímicas, estos compuestos se agrupan en categorías según su estructura molecular, tipo de enlace y disposición atómica.

¿Qué son los hidrocarburos?

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos acíclicos o cíclicos formados únicamente por enlaces entre átomos de carbono e hidrógeno. Su existencia responde a las múltiples formas de hibridación del carbono, lo que permite la formación de estructuras saturadas o insaturadas, lineales, ramificadas y aromáticas.

Desde el punto de vista estructural, constituyen la base para sistemas energéticos y sintéticos, siendo estudiados por su comportamiento frente a reacciones de adición, sustitución o combustión, así como por su participación en procesos industriales de transformación molecular controlada.

La molécula de carbono e hidrógeno en hidrocarburos

El núcleo de los hidrocarburos es su molécula de carbono e hidrógeno; su estructura se basa en la capacidad única del átomo de carbono para enlazarse, generando cadenas y anillos estables; cada átomo de carbono, tetravalente, puede establecer hasta cuatro enlaces covalentes con otros átomos de carbono o de hidrógeno, los cuales saturan las valencias restantes; generando diferentes formas estructurales: moléculas lineales, ramificadas, cíclicas y, finalmente, las aromáticas.

La fórmula de los hidrocarburos general se expresa como Cn​Hm​, donde los subíndices “n” y “m” varían en función del tipo y tamaño específico del hidrocarburo. No obstante, es la naturaleza de los enlaces carbono-carbono, ya sean simples (C-C), dobles (C=C) o triples (C≡C) lo que dictamina sus propiedades macroscópicas y, por ende, su clasificación.

Esta composición de hidrocarburos estructural influye directamente en características específicas como la reactividad, la combustión y la solubilidad, fundamentales para su comportamiento químico e industrial.

Clasificación química: Hidrocarburos alifáticos y aromáticos

La clasificación técnica de los hidrocarburos se fundamenta en criterios estructurales como la naturaleza de los enlaces carbono-carbono y la topología molecular de los átomos. Por lo tanto, se separan en dos grandes grupos: los hidrocarburos alifáticos y los hidrocarburos aromáticos, cada uno con un perfil de propiedades químicas y aplicaciones industriales marcadamente diferenciados.

Hidrocarburos alifáticos: Saturados y no saturados

Los hidrocarburos alifáticos (derivado del griego aleiphar, que significa «grasa», aludiendo a su origen por descomposición química de grasas o aceites) son compuestos orgánicos que se caracterizan por carecer de anillos bencénicos en su arquitectura molecular. Su subdivisión (alcanos, alquenos y alquinos) se establece con base en la multiplicidad de los enlaces carbono-carbono que unen sus átomos.

Hidrocarburos saturados: Alcano

Los alcanos representan la clase más elemental y menos reactiva de los hidrocarburos. Su distintivo estructural radica en la posesión exclusiva de enlaces simples entre sus átomos de carbono, lo que resulta en una saturación completa de valencias con átomos de hidrógeno. La fórmula de los hidrocarburos para alcanos de cadena abierta es Cn​H₂n+2; químicamente estables, constituyen componentes principales del gas natural y de la gasolina.

El siguiente video de Cognito, explica las propiedades físicas de los alcanos y su comportamiento en reacciones de combustión completa, destacando cómo cambian al aumentar la longitud de la cadena de carbono.

Hidrocarburos no saturados: Alquenos y alquinos

Estos compuestos se caracterizan por la presencia de enlaces múltiples (dobles o triples), lo que conlleva una insaturación en el número de átomos de hidrógeno. 

• Alquenos: Presentan dobles enlaces carbono-carbono (C=C). Su fórmula general es Cn​H2n​; estos demuestran una mayor reactividad en comparación con los alcanos, siendo ampliamente utilizados en la industria petroquímica para la síntesis de polímeros, como el polietileno.
• Alquinos: Destacan por la presencia de enlaces triples carbono-carbono (C≡C). Su fórmula general es Cn​H₂n−2; y exhiben la mayor reactividad dentro de los hidrocarburos alifáticos, siendo empleados en síntesis orgánicas avanzadas y en procesos industriales como la soldadura autógena con acetileno.

Cicloalcanos y cicloalquenos

Estas son variantes cíclicas de los hidrocarburos alifáticos, donde los átomos de carbono se enlazan para formar uno o más anillos cerrados; los cicloalcanos poseen únicamente enlaces simples dentro del anillo, mientras que los cicloalquenos contienen enlaces dobles dentro del anillo. Estas estructuras cíclicas modifican las propiedades físicas y en la reactividad en comparación con sus homólogos acíclicos.

Hidrocarburos aromáticos: Anillos de benceno y arenos

Estos hidrocarburos forman una clase única de compuestos, históricamente asociados a “aromas agradables” por su origen en extractos vegetales. Su definición técnica se centra en la presencia de uno o más anillos bencénicos como su unidad estructural fundamental, y a esta subclase se la conoce como arenos. 

El benceno C₆H₆, es el hidrocarburo aromático prototípico, es una molécula plana de seis átomos de carbono en un anillo; su particular estructura radica en la deslocalización electrónica pi (π), un fenómeno que le da estabilidad termodinámica, diferenciándolo de otros compuestos cíclicos.

Además de los arenos clásicos, la clasificación de los aromáticos incluye los hidrocarburos aromáticos no bencénicos. Aunque estos compuestos no poseen un anillo de benceno, sí exhiben una estabilidad derivada de sistemas de electrones π conjugados que adhieren a la regla de Hückel (4n+2 electrones π). Ejemplos de arenos incluyen el propio benceno y el tolueno, precursores en la fabricación de disolventes, resinas sintéticas y explosivos.

Sin embargo, a pesar de su utilidad, es importante destacar que un gran número de estos compuestos son reconocidos por su toxicidad y potencial carcinogénico; esta característica ha impulsado el desarrollo e implementación de regulaciones estrictas en su manejo y uso industrial. 

La fórmula de los hidrocarburos: Isomería química 

Esta fórmula se representa de varias formas: empírica, molecular o estructural. La fórmula estructural, particularmente relevante en química orgánica, ilustra la disposición de los átomos y el tipo de enlaces (simples, dobles o triples) entre los átomos de carbono e hidrógeno.

Ejemplo: Etano: C₂​H₆​ (fórmula molecular) → CH_3​-CH₃​ (fórmula estructural). Estas representaciones permiten inferir propiedades como el punto de ebullición, polaridad, densidad energética y reactividad química. 

La fórmula estructural también facilita el análisis de la isomería, común en hidrocarburos con más de tres carbonos. Diferentes estructuras pueden compartir la misma fórmula molecular, pero con distinto comportamiento.

Esto origina isómeros estructurales (diferente orden de enlaces) y geométricos (cis/trans en alquenos). Estas diferencias estructurales influyen en la reactividad, los puntos de ebullición y las aplicaciones industriales específicas de cada isómero.

Propiedades fisicoquímicas de los hidrocarburos

Estas propiedades en los hidrocarburos son una consecuencia directa de su estructura molecular, grado de saturación y longitud de la cadena carbonada. Las más relevantes incluyen:

• Punto de ebullición y fusión: Esta propiedad está relacionada con el número de átomos de carbono, atribuible a un aumento en las fuerzas de Van der Waals. Los hidrocarburos de bajo peso molecular (ej. metano, etano, propano) son gases a temperatura ambiente; aquellos de cadena media son líquidos, y los de cadenas largas tienden a ser sólidos cerosos.
• Densidad: Los aromáticos presentan una densidad superior en comparación con los alifáticos de masa molar comparable, debido a la estructura de sus anillos bencénicos.
• Solubilidad: Debido a la naturaleza no polar, son insolubles en agua, pero se disuelven con facilidad en disolventes orgánicos apolares como éter, benceno o cloroformo.
• Reactividad química: Varía con el tipo de enlace: los saturados (alcanos) son notablemente menos reactivos, mientras que los no saturados (alquenos y alquinos) exhiben mayor reactividad debido a la presencia de enlaces múltiples.
• Inflamabilidad: Es una propiedad especialmente en hidrocarburos ligeros, que es la base de su utilización como energía fósil en procesos de combustión controlada.

Estas propiedades son determinantes para las condiciones óptimas de procesamiento, almacenamiento, transporte y aplicación en la síntesis química y la generación de energía.

Efectos ambientales del uso de los hidrocarburos

La utilización masiva de estos compuestos conlleva serias preocupaciones ambientales; debido a que los efectos ambientales de la quema de hidrocarburos son considerables. 

La combustión de combustibles fósiles libera grandes volúmenes de dióxido de carbono (CO₂​), el principal gas de efecto invernadero, contribuyendo al calentamiento global. También se emiten óxidos de nitrógeno (NOx​), óxidos de azufre (SOx​) y material particulado, agravando la contaminación atmosférica, contribuyendo a la formación de ozono troposférico y desencadenando fenómenos como la lluvia ácida.

Impactos ambientales adicionales:

• Aceleración del calentamiento global por emisiones de CO₂​ y metano.
• Deterioro de la calidad del aire con consecuentes afecciones respiratorias en la población.
• Derrames de petróleo con impactos en suelos y ecosistemas marinos.

En respuesta a estos impactos, la industria y la comunidad científica están impulsando continuamente la innovación, implementando estrategias como el desarrollo de biocombustibles, la aplicación de tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS), y la investigación en combustibles sintéticos de baja intensidad de carbono, en un esfuerzo por mitigar la huella ecológica de estos compuestos.

Energía fósil y aplicaciones industriales 

Los hidrocarburos, en sus diversas formas de energía fósil (petróleo, gas natural y carbón), constituyen la fuente primaria de energía a nivel global, representando más del 80 % del consumo energético. Sus aplicaciones son múltiples en sectores industriales y cotidianos.

Principales aplicaciones energéticas

• Generación de electricidad: En plantas térmicas que operan con gas natural o fuelóleo. 
• Transporte: Como combustibles para vehículos (gasolinas, diésel), aeronaves (jet fuel) y embarcaciones (GNL – Gas Natural Licuado). 
• Calefacción: Para uso industrial y residencial, utilizando GLP (Gas Licuado de Petróleo) o gas natural.

No obstante, su función energética dominante, la transición hacia fuentes de energía renovables, exige una reducción progresiva en su consumo, promoviendo alternativas con un menor impacto ambiental.

Aplicaciones en procesos industriales

Hidrocarburos alifáticos: Particularmente los alcanos, alquenos y alquinos, son las materias primas fundamentales para la industria petroquímica. A partir de ellos se manufacturan:

• Combustibles líquidos y gaseosos de alto valor añadido (gasolina, GLP, naftas).
• Lubricantes, ceras industriales y una amplia variedad de disolventes orgánicos.
• Polímeros de alta producción como el polietileno y polipropileno.
• Cauchos sintéticos, detergentes y fibras textiles sintéticas como el poliéster.

Su versatilidad radica en la facilidad con la que pueden ser químicamente modificados mediante procesos como craqueo, reformado catalítico y polimerización.

Hidrocarburos aromáticos: Especialmente los arenos como el benceno, tolueno y xilenos (BTX), poseen una estructura electrónica altamente estable que los hace intermedios químicos de valor estratégico. Sus principales aplicaciones abarcan:

• Fabricación de plásticos técnicos (ej. poliestireno, policarbonato).
• Producción de fibras sintéticas de alto rendimiento (ej. nylon, Kevlar).
• Síntesis de resinas epóxicas y fenólicas.
• Elaboración de tintes, fármacos, pesticidas y explosivos.
• Desarrollo de disolventes industriales de alta eficiencia. 

Aunque su uso está sometido a estrictas regulaciones debido a su toxicidad en muchos países, su valor industrial persiste como estratégico en sectores tan diversos como el automotriz, electrónico, textil y farmacéutico.

Síntesis: Clasificación técnica de los hidrocarburos

Tipo	Estructura	Enlace	Ejemplos
Alcano	Lineal, ramificada	Simple (C–C)	Metano, butano
Alqueno	Lineal, ramificada	Doble (C=C)	Eteno, propeno
Alquino	Lineal, ramificada	Triple (C≡C)	Etino, butino
Cicloalcano	Cíclica	Simple	Ciclopentano, ciclohexano
Cicloalqueno	Cíclica	Doble (C=C)	Ciclohexeno
Aromático (arenos)	Cíclica (Anillo Bencénico)	Conjugado (deslocalizado)	Benceno, tolueno, xileno
Aromático (no arenos)	Cíclica (Sistema conjugado)	Conjugado (deslocalizado)	Azuleno, fulveno

Conclusiones

Saber qué son los hidrocarburos permite comprender por qué su clasificación en hidrocarburos alifáticos e hidrocarburos aromáticos es fundamental para anticipar su comportamiento en distintas aplicaciones industriales. Mientras los primeros abarcan estructuras simples como alcanos, alquenos y alquinos, los segundos están definidos por anillos conjugados con propiedades electrónicas específicas, lo que condiciona tanto su reactividad como sus riesgos ambientales.

Avanzar hacia un uso más responsable y sostenible de los hidrocarburos representa una acción prioritaria en la búsqueda de eficiencia industrial con responsabilidad ambiental. En este contexto, el futuro de la química orgánica y energética dependerá, en gran medida, de la capacidad para rediseñar procesos, optimizar el aprovechamiento molecular del carbono y aplicar criterios de sostenibilidad en toda la cadena de valor asociada a estos compuestos.

Referencias

1. https://www.britannica.com/science/hydrocarbon/Cycloalkanes
2. https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburo