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Disposición de los átomos
de C en el grafito
Estructura del átomo de
'jjC , según Bohr
e emen o
carbono
Para una
mejor
comprensión
de los siguientes temas estimamos
conveniente efectuar una revisión de los conceptos fundaméntale*
sobre estructura atómica, tabla periódica y uniones químicas»
tratados
en los capítulos4y5del
texto
QUÍMICA 4 -Aula
Taller]
del
mismo autor.
Editorial Stella
J-.
edición
1992.
En la siguiente ficha sintetizamos las principales caracter ís t icas '
elemento carbono:
Nombre: Carbono S í m b o l o : C
Origen del nombre: del latín carbo.
Descubrimiento:
conocido desde la prehistoria.
Estado natural: a) libre: grafito;-diamante o.carbón amorfo?
b)
combinado:.
'en:toda la r,¡au:ria-viva--y^
compuestosn i ihéfáles tales como piedra cáliz
marinóles, etcétera*/
Abundancia en la corteza terrestre: 0,027%.
Punto de fusión : 3.550
3
C
Punto de ebu l l ición : 4:827 °_Q
_1".1
¿¡Z.
Densidad: 1,8-2,1 g/ml
N ú m er o a t ó m i co : 6
Masa
a t ó m i ca
promedio: 12,001115
I só t o p o s : ^ C (98,9%);
1¡C (1.1%); 1¡C
(trazas)
Radio
a t ó m i co : 0,77 Á
Clase: No metal
Ubicación en la Tabla P e r i ó d i ca : Grupo 14; Período 2
Protones: 6 Electrones: 6
Electrones de valencia: 4
C o n f i g u r ac i ó n e l ec t r ó n i ca :
Neutrones: 6,7 u 8"
l s 2s" 2p Li s
Distr ibución de
electrones
en orbitales:
2s
2
.2p
Pv P;
•
Px Pv Pz;..
P
Sil
rien
Lo
a)
Electronegatividad:
2,5 (según Linus Pauling.)
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B
j Átomo
de carbono con
hibridización
sp2
1)
Sobre ¡a hoja de papel blanco construya un
ángulo
plano de
120°.
f 2) Recorte
el ángulo
trazado
y quítele
un sector de radio igual
al
de la esfera que
utilizará
como
átomo
de carbono.
3) Sobre
la línea ecuatorial
de
la
esfera, disponga tres escarbadientes
separados
entre
sípor el ángulo
de
120°.
Cada escarbadiente representa un
orbital
sp
2
.
4)
Coloque dos escarbadientes en los polos de la esfera, formando
ángulos
de 90a con los anteriores
Estos dos escarbadientes representan un orbital p
puro.
La
esfera así preparada representa un
átomo
de carbono con
hibridización
trigonal.
ft.
Átomo
de carbono con
h ibridización
sp
É
Este modelo se arma colocando
seis
escarbadientes sobre
la
superficie de
la
esfera que se
utiliza
como
^ átomo
de carbono, cuidando que dichos escarbadientes
formen
entre sí
ángulos
de
90°. De
ese modo
f
quedan representados los orbitales sp y los dos orbitales p puros.
Fuente: uímica de ¡os compuestos del carbono Volumen 1
-
Programa de perfeccionamiento docente PROCIENCIA-CONICET- 1986.
Wl Una propiedad muy especial del
Isl • carbono: Las cadenas carbonadas
Como ya fue
señalado,
la mayor parte de los 4,5.106 compuestos
orgá
nicos actualmente conocidos
están íonnados
por muy pocos elementos,
j5iincipaliiiente
C,
H,
O y N.
Entonces cabe preguntarse:
¿cómo
es posible que exista un
número
tan
elevado de sustancias co nsti tuidas por tan pocos elementos?
v El análisis
de la
composición
de las
moléculas orgánicas
muestra que
m mayoría
de ellas
están
formadas por muchos
átomos
de un reducido
número
de elementos.
Así,
los miles de hidrocarburos estudiados
están
íconsütuidos sólo
por
C
e H,
los
glúcidos y lípidos por C, H y O y la
mayor
¡fiarte
de las
proteínas
por C,
H,
O y N.
En
el
caso
de los hidrocarburos,
obse¡vamos fórmulas
moleculares
les como:
C H
C
2
H
6
C
3
H
8
C4H
10
C2 H42
Metano Eíano
Propaiio Butano Icosano
Estos ejemplos nos
llevan
a cuestionamos:
¿de qué
modo se unen los
játomos
de carbono e
hidrógeno
para
formar moléculas
diferentes?
La explicación
de
esta cuestión
se
encontró
al comprobarse que los
ítornos
de carbono tienen
la
propiedad
de unirse entre
sí (concatenación)
)r
enlaces covalentcs estables, fonnando
cadenas
carbonadas.
í ^aV r r i p Jécü l as
orgánicas^
esenciaes para lbs:p*rpcesos
; vi aes "se d enpm¡ñart vc
biomoiécülas:
'•"
-
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Así.
en los ejemplos
seña lados :
H
H
— C — H
H
Metano
H H H
I I
H _ C
— C —
C — H
H
H H
i
H —
C -
i
i
c
1
—
H
i
H
H
Etano
ti
i
H
i
H
i
H
i
C
—
i
C
—
i
c
1
i
- C —
i
H
i
H
H
Butano
H
H H
Propano
Las
cadenas
pueden tener diferentes longitudes y variadas
forró
constituyendo el esqueleto fundamental de las
molécula?
de la mfj
parte de las
sustancias orgán icas .
Los á tomos
de C, H, O y
N .
con electronegatividad elevada, tratan
completar su
configurac ión e lec t rón ica
extema compartiendo sus ele
trones con otros
á tomos ,
estableciendo uniones covalentes. Entone
cuando
un á tomo
de carbono se une
a
otro
á t o m o
de carbono o con
átOra
de
h id rógeno , ox ígeno
o
n i t rógeno ,
lo
hace
por medio de enl
covalentes.
4 3
Tipos de cadenas
carbonadas
a) La
fomia má s
frecuente de
unión
entre los
á t o m o s
de
ca rbón
la
siguiente:
C
C
c
C
c
c : c
Comoel
par de electrones compartidos se puede representar
po.
gu ión ,
tendremos:
C C
— C
C
— C — C — C
Los
electrones que no intervienen en la
formac ión
de la
cade
carbonada pueden unirse a otros
á tomos
diferentes por
enlá'e
covalentes. Entonces, las
cadenas
pueden representarse así:
LEn
la realidad, como los electrones del carbono
es t án
en orbitales
geniados hacia los
vé r t i ces
de un tetraedro imaginario, las
moléculas
no
É ñ
planas sino tridimensionales:
C
C
/ | V | \
c c c
/ l \ / ¡ \ / l \
c c c
c
l l
i
Las cadenas
carbonadas que tienen los extremos libres, como las
^anteriormente
representadas,
se denominan abiertas o
ac íc l i cas . Aác
§nás
por
presentarlos
á tomos
de carbono en fonna consecutiva, se
llaman
¡lineales
o normales.
i
¡>r..
-D) En otras ocasiones las
cadenas
tienen mayor complejidad:
: d
c:
C : C
c : c : c : c : c
• c •
•c• -c•
c c c c c c c c
•
c •
i
—c—
i i i
—c—c—c—
— C —
I I I 1
-C—C—C—C—C—
—c—
I I I I 1 I I
—c—c—c—c—c—c—c—c—
I I I I I I I
\
c
~
Estas
estructuras reciben el nombre de
cadenas
ramificadas.
.c)
En algunos
casos,
los extremos de la cadena se unen fonnando un
anillo
o
ciclo:
I
— C
C—
\ /
c
Las
cadenas carbonadas
pueden
estar
constituidas
hasta
por 90
á tomos
de
carbono.
Cadenas,
abiertas .
Lineales
-
Ramificadas
Cadenas
i
Acíclicas
•— Cíclicas
-
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5/25
Los átomos
de carbono que
forman cadenas saturadas
presentan hibridización sp
3
.
En
las ligaduras dobles, los
átomos
de C tienen orbitales
híbridos
sp
2
-
a a e n a s i
r Saturadas
No
saturadas
Los átomos de C que se
unen entre sí por ligaduras
triples
presentan
hibridi-
zación
sp.
/ \
—c c-
I
—c c-
I
Este
tipo de caJenas se denominan cerradas o
c íc l icas .
Los cicle
m ás comunes están formados
por
cinco o seis á t o m o s de carbono
d En los
casos antes
considerados, las uniones entre los
á t o m o s j
carbono se efectúan compartiendo un par de electrones. Eslf
uniones se denominan enlaces o ligaduras simples.
Todos los compuestos
o rgán icos
que
só l o
presentan enlaces
ligaduras simples entre sus
á tomos
de carbono, reciben el nombr
de compuestos o sustancias saturadas.
e)
Otras cadenas
carbonadas
presentan una o más umones covalente
dobles enlace o ligadura doble), tales como:
c:: c: c
c: c: : c: c:«:
—c=c—c—
—c—c=c—c—c-
T a m b i é n
existen
cadenas
en las cuales se observan uniorie
covalentes triples enlace o ligadura triple):
• c :: : c - - c = c -
c : : : c : c : c
—c=c—c—c-
Las cadenas que presentan una o más ligaduras dobles y/o triplej
se denominan no saturadas.
f
En ciertos
casos,
las
cadenas
c íc l ica s también
son no
saturada^
presentando uno o más enlaces dobles:
— C = C—
I
— C C -
c
—c c-
II
— C
C-
c
£ n resumen:
H as cadenas carbonadas se pueden clasificar de las siguientes formas:
R
según su forma:
abiertas
o
acíclicas
lineales o normales
ramificadas
cerradas o c íc l icas
íb según
el
tipo
de enlace o ligadura presente:
saturadas
(todas las ligaduras son simples)
no saturadas uno o má s enlaces son
dobles y/o triples)
Orbitales
moleculares
ip^Guando se forma una molécu la , los orbitales a tómicos de los á tomos
É
| í m t e r v i e n c n
en
la
un ión
covalente se superponen, formando
orbitales
.-moleculares.
K a su p e rp o s i c i ó n de dos orbitales correspondientes a á t o m o s diferen-
Íe|se denomina enlace. Los enlaces pueden ser sigma o) o p¡ (ic).
» a
Enlace
sigma o):
i
En
este tipo
de enlace se originan distintos
casos, según
sea que los
Gomos que se unen presenten orbitales s, p, o sp3-
;Caso 1:
Molécula de hidrógeno //?)
unión S-S
H + H H
2
Los dos orbitales ls, con un e lec trón cada uno, se interpenetran for-
mando la
un ión
s-s.
| | Los dos electrones que se aparean tienen spin opuesto y se mueven en
a la
proximidad
de ambos
núc leos.
1 P
El área de m á x i m a densidad e lec trón ica se halla entre los núc leos y es
esimé tr íca
con respecto al eje que une a dichos
núc leos
(eje molecular).
Cuando dos átomos se acer
can, se producen distorsiones
y reordenamiento de sus
orbitales.
orbitales
Eje molecular
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a
m
Ligadura simple entre dos
yf» átomos de carbono.
Caso 2:
olécula
de cloro Cb)
p + p = unión p-p
Cuando se aproximan dos orbitales p, con igual orien tac ión en el
pacic, se superponen frontalmente produciendo una unión p-p.
Caso 3: olécula de fluoruro de hidrógeno HF)
£ >*•:•.
-. .-sa éF>+etf*
e
+: • •¡''i
p + s
=
unión s-p
En
este
caso se produce la unión del
orbital
p del flúor con el orbit
s del
h idrógeno ,
estableciendo la
unión
s-p.
Caso 4: Unión C-C
Cuando se unen dos á to m o s de carbono por un enlace simple,
produce la superpos ic ión de dos orbitales h íbridos sp3, originando la unión]
sp 3 -s p 3
Caso 5: Unión C-H
p) Enlace pi (TC):
iEn ciertas ocasiones, dos orbitales p de á tomos diferentes pueden
Superponerse lateralmente:
É
jl
Este
tipo
de
unión
se denomina enlace pi (it).Se caracteriza porque
í'fiay menos s u p e rp o s i c ió n de orbi tales que en el enlace sigma (o) y la fucr-
zá'de unión es más débil .
£ Presenta dos zonas de alta densidad e lec trón ica y queda una zona de
densidad e lec trón ica nula alrededor del eje molecular.
Cuando dos á to m o s de carbono se unen por doble enlace
I
(—C=C—)
|iehen h ibrid izac ión sp
J
. Entonces uno de los orbitales h íbridos sp
J
de un
romo se superpone a otro
orbital
h íbrido sp
:
del otro á to m o de carbono,
• formando un enlace sigma. A d e m á s , el
orbital
p puro de un á to m o de
fipfcono se une al
orbital
p puro del otro á tomo, originando un enlace pi.
Luego,
los dobles enlaces C=C están formados por un enlace sigma
+ +
ybtro pi:
= unión
s-sp
3
Las ligaduras simples entre un
á tomo
de carbono y otro de
hidrógeno^
se producen por la superpos ic ión de un
orbital
h íbrido sp
3
del carbono y]
el
orbital
s del h idrógeno , estableciendo la unión
s-sp3.
g j t n todas las uniones consideradas (s-s,;p-p, .s-p, sp-sp ,
ssp;)sc
^produce una
supe'rrx)sicñón
;
' ;lrpniab:de
r
-düs ürbiUsT^s/atómio
;dispóiiiónclósp'er'{ form.á sim'étnca'có ñ:respecTo ¿1 eje m ¿Jecujárj
Este tipo de unión se denominaenlace sigma (- ). -
| Í
S
^
'En los casos en que dos á to m o s de carbono se unen por un triple enlace
v
:_c=C—
presentan
h ibrid izac ión
sp. Por
lo
tanto, se forma
un
enlace
•• sigma (sp-sp) y dos enlaces pi entre los orbitales p puros.
EEOii-
:
71
{p'y -py)
K r y
/Energía de enlaca
•£s-
la ;
cantidad -de
necesanapara romcarj
'pipi
i
'de enlaces.
La
energía del enlace doble no
es el doble que la del enlace
simple,
ya que la unión pi es
más débil que la sigma.
En
las ligaduras dobles en
tre átomos de C, se estable
ce un enlace sigma
y otro
pi.
Entre los
á tomos
de C que
se unen por triple ligadura,
se forman un enlace sigma
y
dos enlaces pi.
N i
resumen:
-
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7/25
ECÜ LARES
Enlace
p Í K )
Unión
' l&s?w
..; Energía de
enlace (KJmoí)
C — C
347
c c
611
c = c 837
Molécula de agua
Experimentalmente
se ha
comprobado que en el agua,
los átomos de H unidos
al O, forman entre
sí un ángulo de 105'.
n
/ ' L o s-.en laces
si
urna ; : •-. i ah .; sieuiehtes ca rac te rís t icas :
^ ¿ * P r é s é n t a n e l ár e a de m á x im a densidad e íéc tr^ ' rucá^ íredgc
'.. eje molecular. . . ,Tví;
• Producen un solo enlace entre dos á ió : : íós \ i ig^^
Hay mayor superpos ic ión de orbitales .que en el pi.
l ĵ
• Tienen mayor fuer/a de ui: on que ei enlace.pi. .... ¿> .: .
Los enlaces pi se caracterizan' por: '" : r " ^ ^ ^
• Formarse por la superpos ic ión latera de orbitales a tómicos . ; ;
,
• . Presentar dos
zonas de .á l ta Je ris idade jec tróñ ica ,
se
lo largo del eje
molecular
• Tener menos superposición -de
orbitales que en ios ¿ rü jB f iB B fc
; sigma. —'•'>.•'[::' :
'• -'^^^^^m^^^^l^^^^^^^^^^iE^íf^* ̂ ' :• '• >
• Presentar menor fuerza de unión que los
enlaces
sigma.
6 1
Interacciones
moleculares
una zónáded eas idad e lec trón ica
Pueden formarse dos
enlaces
p¡
Observaciones:
La explicac ión de los
orbitales
moleculares se ha efectuado de acuerdt
con la teoría del enlace de valencia (T E V ) , a c l a rá n d o se que existen otra
teorías para su explicac ión , como la teoría del orbital molecular ( T O M Í
estructura molecular y las^
propiedades de las sustanciase
La
estructura de una
molécula
y/o la forma de una zona de ella, tienetr
gran
incidencia sobre las propiedades fís icas , qu ímicas y b io lóg icas de I]
sustancia. Por lo tanto, es necesario conocer lo más detalladamente
posible la geometría de las moléculas para comprender o predecir
propiedades de las
sustancias
( solubilidad en diferentes solventes,
puntcí
de ebull ic ión , polaridad, e tcé te ra ) .
Para
conocer la geometría
molecular
se recurre a diferentes métodos
tales como la d ifracc ión de rayos X, electrones y neutrones, lj
espectroscopia infrarrojo, ultravioleta y de resonancia m a g n é t i c a nú
clear. Estos
métodos
permiten establecer los
ángulos ,
las longitudes i
enlace y la naturaleza de los á to m o s entre los que se produce la unión
A] Como consecuencia de la estructura que presentan las
moléculas ,
se
-producen
entre ellas diferentes fuerzas de a tracc ión . Estas fuerzas son de
¡¡distinta intensidad y mantienen m ás o menos unidas a las moléculas entre
sí , determinando las propiedades de las sustancias, tales como:
estado
de
agregac ión , punto de ebull ic ión , solubilidad, etcétera.
Las fuerzas de a tracc ión intermoleculares se denominan fuerzas de
Va n der Waals.
Entre
las fuerzas de V an der Waals se destacan: las fuerzas de London,
dipolo-dipolo inducido, dipolo-dipolo
y
u n ió n
puente de
h id ró g e n o .
6.1.1 Fuerzas de London
En las m o lé c u la s no polares puede producirse transitoriamente un
¡desp lazamiento relativo de los electrones originando un polo positivo y
otro negativo (dipolo transitorio) que detemiinan una a tracc ión entre
dichas
moléculas . (El
polo positivo de una
molécula atrae
al negativo de
otras,.y viceversa.)
Estas fuerzas de a tracc ión son muy débiles y se denominan fuerzas de
London. Su intensidad es proporcional al grado de pola rizac ión momen
táneo
que se produce en las
moléculas .
En los gases inertes (He, Ne, Ar, e tcé te ra ) las fuerzas de London se
manifiestan
a muy bajas temperaturas, ocasionando la l icuac ión de
dichos
gases.
6.1.2 Fuerzas dipolo dipolo inducido
En ciertas ocasiones, una m o lé c u la polar (d ipo lo), al estar próxima a
otra
no
polar, induce
en ésta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza
de atracción intennolecularllamada dipolo-dipolo inducido. A s í . e l agua,
cuya
m o lé c u la es un d ipo lo , produce una pequeña po la rizac ión en la
molécula no
polar
del oxígeno, la
cual
se transforma en un dipolo
inducido.
Esto hace que el oxígeno y el d ióx ido de carbono, que son no polares
presenten cierta solubilidad en solventes polares, como el agua.
6.1.3 Fuerzas dipolo dipolo
Cuando dos
m o lé c u la s
polares (dipolos) se aproximan, se produce
una a tracc ión entre el polo positivo de una de ellas y el
negativo
de la otra.
Moléculas no polares
Dipolo
transitorio
Dipolo
transitorio
Fuerzas de London
Dipolo
| Dipolo
inducido
Fuerzas dipolo - dipolo
inducido
-
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m 0
Dipolo _L Dipolo
Dipolo
-
Dipolo
Fuerzas dipoio
-
dipolo
.
H
^
F
F.
H
F
» H
• ^ H . - f
Hexámero de HF
(seis moléculas)
H
.0
I
i i
I
"4
Hexámero de H„0
Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cu
mayor es la polarización de dichas moléculas polares.
Estas fuerzas de
atracción,
llamadas dipolo-dipolo.se observan en
moléculas covalentes polares,
como
el
sulfuro
de hidrógeno H , S ) , el me
nol C H
3
O H ) . la glucosa C 6 H
[ 2
0
6
, etcétera. Estas sustancias de eleva
polaridad
se disuelven en solventes polares tales como el agua.
Entre
las fuerzas
dipolo-dipolo
tiene particular importancia la uní
puente de
hidrógeno.
6 1 A Unión puente de hidrógeno
En algunas sustancias que contienen hidrógeno, como fluoruro dj
hidrógeno H F ) , agua
H
2 0) y amoníaco H
,N ,
se observa una
forma]
unión
entre sus
moléculas,
denominada
unión
puente de
hidrógeno.^
En el
caso
del HF, las moléculas son covalentes polares co n |
consecuencia de la diferencia de electronegatividad que existe entre:
hidrógeno y el ílúor:
6'
8-
H
: F :
Esta polarización provoca la atracción de la zona
positiva
de unj
molécula
con la zona negativa de otra:
8
+
5- 5* 8-
H : F : < — > H : F :
De este
modo
el hidrógeno
forma un puente entre dos
átomos
de
flúl
y de allí proviene el nombre de unión puente de hidrógeno. Así se fomiá
cadenas moleculares de
fluoruro
de hidrógeno, donde los átomos dlj
hidrógeno vinculan
entre sí a los de
flúor.
Las moléculas de agua también son
dipolos
a causa de la di ferencia d ]
electronegatividad entre el
oxígeno
y el
hidrógeno
y pueden
formal
uniones puente de hidrógeno:
H
m 8-
: o : <
- > H :o :
JÉpmo consecuencia de este
tipo
de unión, las moléculas de agua se
San formando conglomerados de
masa
relativamente alta:
— H-
H
I
• H — O
H
I
• H — O
H
11
H— O » » H — O
Experimentalmente
se ha demostrado que los puntos de ebullición de
as sustancias son más elevados cuanto mayores son sus masas molecula-
's. Así, a temperatura ambiente, las moléculas pequeñas corresponden
gases: hidrógeno (2), oxígeno (32), dióxido
de carbono
(44).
El agua,
n
una masa molecular de 18, también debería ser un gas. Sin embargo,
lomo
consecuencia de la formación de conglomerados moleculares por
nión
puente de
hidrógeno,
su punto de
ebullición
se eleva a 100
°C
y
ñtonces a la temperatura ambiente es líquida.
J Las interacciones moleculares de
tipo dipolo-dipolo,
que
involucran
Ifniones
por puente de hidrógeno, son más fuertes que las del tipio
dipolo-
Mjpolo
inducido
y de London.
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
9/25
L O S H I D R O C R B U R O S
FUNCIONES QUÍMIC S ORGÁNIC S
Entre los numerosos compuestos o r g á n i c o s existentes m ás di
se ha encontrado que muchos tienen propiedades
q u í m i c a s semeja,
cual pemiite agruparlos en familias
0
funciones.
Se ha comprobado que cada compuesto de una misma
famil ia
á t o m o o
grupo de
á t o m o s
que determinan
la s imil i tud
de sus propi?
A dicho grupo de á t o m o s se lo denomina grupo funcion al, J
Entonces:
FUNCIONES QUÍMIC S ORGÁNIC S
Entre los numerosos compuestos o r g á n i c o s existentes m ás di
se ha encontrado que muchos tienen propiedades
q u í m i c a s semeja,
cual pemiite agruparlos en familias
0
funciones.
Se ha comprobado que cada compuesto de una misma
famil ia
á t o m o o
grupo de
á t o m o s
que determinan
la s imil i tud
de sus propi?
A dicho grupo de á t o m o s se lo denomina grupo funcion al, J
Entonces:Hidrocarburos
•
Alcoholes
•
Aldehidos
• Cetonas
• Ácidos orgánicos
• Éteres
• Anhídridos
• Aminas
• Amidas
• Nitrilos
FUNCIONES QUÍMIC S ORGÁNIC S
Entre los numerosos compuestos o r g á n i c o s existentes m ás di
se ha encontrado que muchos tienen propiedades
q u í m i c a s semeja,
cual pemiite agruparlos en familias
0
funciones.
Se ha comprobado que cada compuesto de una misma
famil ia
á t o m o o
grupo de
á t o m o s
que determinan
la s imil i tud
de sus propi?
A dicho grupo de á t o m o s se lo denomina grupo funcion al, J
Entonces:Hidrocarburos
•
Alcoholes
•
Aldehidos
• Cetonas
• Ácidos orgánicos
• Éteres
• Anhídridos
• Aminas
• Amidas
• Nitrilos
Definimos función químic orgánic
como un cmijunto
. s u ^ n m s _ p x g á n i c a s - . c o r ^ o j } ¡ e d a d e s q u í m i c a s similares
•
Hidrocarburos
•
Alcoholes
•
Aldehidos
• Cetonas
• Ácidos orgánicos
• Éteres
• Anhídridos
• Aminas
• Amidas
• Nitrilos
tener un mismo grupo funcional.
•
Hidrocarburos
•
Alcoholes
•
Aldehidos
• Cetonas
• Ácidos orgánicos
• Éteres
• Anhídridos
• Aminas
• Amidas
• Nitrilos
Entre las funciones
qu ímicas o rgán icas
podemos mencionar]
carburos, alcoholes, aldehidos, cetonas,
á c i d o s o r g á n i c o s ?
anh íd ridos o rgán icos, esteres, aminas .'amidas, e tcé te ra .
J[ idrocarburos
Lo s
hidrocarburos son los compuestos
o r g á n i c o s m á s
sencillo
conocen porque sus
molécu la s e stán
formadas solamente por
átoi
carbono e h id rógeno . , '
Se encuentran en el
pe tró leo ,
el gas natura l, los yacimientos dej.
y
los pantanos. m
Los
restos
o rgán icos
depositados en el mar ( j )
y
cubiertos por
sedimentos
2)
se transformaron
en
pe tró leo 3)
Entre las funciones
qu ímicas o rgán icas
podemos mencionar]
carburos, alcoholes, aldehidos, cetonas,
á c i d o s o r g á n i c o s ?
anh íd ridos o rgán icos, esteres, aminas .'amidas, e tcé te ra .
J[ idrocarburos
Lo s
hidrocarburos son los compuestos
o r g á n i c o s m á s
sencillo
conocen porque sus
molécu la s e stán
formadas solamente por
átoi
carbono e h id rógeno . , '
Se encuentran en el
pe tró leo ,
el gas natura l, los yacimientos dej.
y
los pantanos. m
Las
cadenas
de
á tomos
de carbono pueden
estar
formadas
só lo
por
ligaduras simples o presentar enlaces dobles o triples. Esto permite
Clasificarlos en hidrocarburos
alifáticos
saturados
só lo
ligaduras
sim-
pes) y no saturados (con ligaduras dobles y/o triples).
|F Los hidrocarburos
alifáticos
saturados
también
se llaman
alcanos
o
p a r a f í n a s .
Por
su
parte, los hidrocarburos
alifáticos
no saturados pueden
alquenos u olefinas (doble enlace) y alquinos o ace t i lén icos t r ip le
¡ftilace).
Para acercamos en forma más concreta a este tema, vamos a la'
siguiente lectura:
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
10/25
M BiS
I
E L P E T R O L E O
. La palabra petróleo proviene de la unión de
dos términos latinos: petro = piedra y oleum =
aceite (aceite de piedra). Es un líquido natural,
oleoso, inflamable, de olor característico, color
negro o amarillo oscuro, compuesto fundamen
talmente de hidrocarburos de distinto punto de
ebullición, con densidad entre 0,8 y 0,95 y que se
encuentra en el interior de la tierra a profundi-'
dades variables.
La s
propiedades físicas y la composición quí
mica
varían
considerablemente,
según
su proce
dencia.
El
petróleo está compuesto por 90 a 98 de
hidrocarburos
parafínas, ñafíenos e hidrocar
buros
bencénicos y el
resto por
sustancias
orgá-
nicas que contienen O.N.Sy trazas de compues
tos
orgánicos metálicos.
El origen del petróleo ha sido motivo de
muchas controversias. En la actualiadd.se acepta
que tiene origen orgánico. Los restos de organis
mos marinos animales
(peces),
vegetales (algas)
y principalmente microscópicos (plancton), de
positados y aprisionados en los sedimentos del
fondo marino se transformaron
en petróleo.
Este
proceso es muy complejo y lento.
Lo s organismos marinos muertos en condicio
nes reductoras (ausencia de
oxígeno),
a causa del
calor
y la
presión
que soportan y por la
acción
de
bacterias anaerobias, se convierten en un fango
negruzco, denominado sapropel. El paso del
sapropel a petróleo es muy complicado y en ét
intervienen una larga serie de procesos químicos.
Hasta hace poco se creía que todo
el
petróleo
se había formado en rocas anteriores al
plioceno.
Sin
embargo, se ha logrado extraer petróleo de
sedimentos marinos cuya edad (averiguada ¿|
C14)
es de unos 10.000
años.
El petróleo es conocido desde muy antigu^
Hay indicios de que el hombre neolítico y
paleolítico emplearon betunes en la constri
ción.
Los egipcios lo usaron en la conservada,
de momias. Los japoneses utilizaban aceite |
piedra en la iluminación, hace unos 2.000 aña
Lo s
chinos parece
que hicieron peroraciones '|
busca de petróleo hacia el año -221. Heródotg
cuenta qué los romanos lo empleaban para
alumbrado.
\La
utilización del petróleo como fuente d\
energía es reciente. A mediados del
siglo
próxim
O DE L O S M O L E C U L R E S DE LC NO S
objetivos
Armar modelos tridimensionales de las moléculas de hidrocarburos alifáticos saturados (alcanos).
Materiales:
10
esferas
de telgopor, plastilina, masilla o crealina, de
aproximadamente
4 cm de diámetro
y
color
negro.
20 esferas del mismo material que las anteriores, de
unos
2 cm de diámetro y de color blanco.
50 escarbadientes.
[Procedimiento:
pasado comenzaron las primeras explotacion^m^
Construya diez
modelos
de
átomos
de
carbono
con
hibridización
sp
3
, de acerco con ¡as indica-
comerciales como sustituto del
carbón.
C [ o n e s
dadas en el Trabajo p r á c t i c o : Átomos de carbono (Capítulo 1).
La
creación del motor de explosión y más
tarde el estallido de la Primera Guerra Mundial
incrementaron la producción, convirtiéndolo e¡
el combustible preferido del siglo XX.
La
producción de petróleo ha aumentado él
forma continua, pero la
crisis
petrolera de 197M
puso en evidencia su importancia como fuente
energética y la dependencia de los países indum
tríales con relación a
los
países productores. Estl
hecho, y la conciencia de que no es un recurk
renovable, incentivó la búsqueda de otrasfuentig
alternativas de
energía,
tales como la solar, li
cólica, etcétera.
Actualmente, el mayor porcentaje de petrólet
consumido se destina a la combustión de moto*
res.
Puede usarse en estado crudo como aceite,
combustión, pero en su mayor parte se refina m
sus elementos componentes. Además de estlm
usos, los derivados se emplean para obtenm
diversos
productos químicos, medicamento^
lacas, disolventes,
antisépticos, etcétera.
-
Las
esferas
más
pequeñas
representan
¡os
átomos
de
h id rógeno .
H 2) Proceda a unir cuatro átomos de h id rógeno a un átomo de carbono , respetando cuidadosamen
te los ángulos de separación de los escarbadientes (109° 28'):
El modelo obtenido representa una molécula de metano.
Responda
a) ¿Qué tipo de enlace se establece entre el átomo de carbono y cada uno de los átomos de
h id ró g eno ? :
b)
Represente en un plano la
molécula
obtenida
(fórmula
desarrollada):
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
11/25
c) Escriba la fórmula electrónica:
Étd) ¿
C u a l
e s
'a
fórmula
molecular?:
Í K o n
t r e s
a t o m o s
de carbono y ocho de
h idrógeno ,
construya el modelo molecular
de l
propano.
H • Esquematice el modelo obtenido:
d) ¿Cuá l
es la
fórmula
molecular?:
3)
Proceda a
unir
dos
á to m o s
de carbono entre sí,
quitándole
un escarbadiente a uno de dichos
á tomos :
Un a seis á tomos
de
h idrógeno
a los orbitales sp
3
libres de los dos
á to m o s
de carbono :
Responda
|
a) Los
á t o m o s
de carbono,
¿ e s t á n
en
l ínea
recta o en zig
zag?:
¿ p o r q u é ? :
| b) Escriba las fórmulas :
— desarrollada — electrónic —
molecular
El
modelo obtenido corresponde a una
molécula
de etano.
Responda
a)
¿ Q u é tipo
de enlace se
forma
entre los dos
á to m o s
de carbono?:
b)
Represente en un plano la
molécula
obtenida
(fórmula
desarrollada):
5) Utilizando cuatro á tomos de carbono y diez de h idrógeno , arme el modelo de la molécula de
butano (en zig zag).
•
Esquematice el modelo obtenido:
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
12/25
m
m
—Haciéndolos
rota r, ubique los
átomos
de carbono en diferentes posici ones.
Así, logrará dif
erent
formas de la
molécula
en el espacio, denominadas conformaciones.
Esquematice las conformaciones obtenidas:
m
Escriba las fórmulas:
des rroll d
electrónic
motecul r
Conclusiones:
—¿Cuáles
son los alcanos que ha representado?:
—¿Qué
clase de
hibridización
tienen los
átomos
de carbono?:
—¿Qué tipo
de enlace se establece entre los
átomos
de carbono?:
1
—¿Qué pasa
con la
forma
de la
molécula
a medida que aumenta el
número
de
átomos
de carbonojj
—Escriba las fórmulas desarrollada s de los alcanos representados:
Hidrocarburos
alifáticos
saturados alcanos o
parafínas
El más sencillo de todos los alcanos es el metano, constituido por
átomo
de carbono y cuatro
átomos
de
hidrógeno. Dicho átomo
de
arbono presenta
hibridización
sp
3
y, por
lo
tanto, tiene cuatro orbitales
ridos sp3, orientados hacia los vértices de un tetraedro imaginario y
parados entre sí por un
ángulo
de
109°
28'.
El
átomo de carbono, al combinarse con los átomos de hidrógeno,
¡forma con cada uno de ellos enlaces sigma (o) del tipo s - s p3:
H
Modelo
de
esferas
y
varillas.
La molécula, que en la realidad es
tridimensional,
se representa en un
(plano (bidimensional) del siguiente modo:
H
H : c: H
H
Fórmula electrónica
t
Como cada par
de
electrones se puede reemplazar
porun guión,
resulta
la siguiente fórmula desarrollada o estructural:
H
H—C— H
H
En
consecuencia la
fórmula
molecula r del metano es:
CH
Metano
l metano se lo llama gas
de los pantanos por origi
narse
durante
la putrefacción
de restos orgánicos en
aguas
pantanosas.
-
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13/25
• El alcano siguiente es el etano, con dos á t o m o s de c a r b o n e é
zados por un ión covalente simple y que también presentan h i b r i d i z f
sp-\- tre dichos á tomos de carbono se establece un enlace
sigm
del tipo sp
J
- sp
3:
Las posiciones relativas de los
átomos en la molécula deter
minan
diferentes estructuras
moleculares, denominadas
conformaciones.
'Las dstintas confornaaones
se
:?::e
n
a las
rotaccnes
dC:
-loŝ eniacess¡mpies;y .a fle
xibilidad
de tas-̂ rruVos:
de ̂
. - - i - . --*r
•.-.válenciaj:. --:-r.v :
-
H
mientras que la f ó rm u l a desarrollada resulta sc(
Modelo
de esferas y varillas
Lo s dos á tomos de carbono e s tán sobre una recta y por eso la mole
de etano es l i n e a l . A d e m á s , como dichos á t o m o s pueden rotar alredeüq
del eje que los une, p r e s e & á n el
movimiento
denominado de I i b r
t a c ió n :
Modelo
de
esferas
y
varillas.
En la m o l é c u l a del propano, los tres á t o m o s de carbono no e s tán en
ñea recta sino en zig zag. como consecuencia de la d ispos ic ión te traé -
fjfica
de los orbitales h íb ridos sp 3.
f
Las fó rmulas del propano son:
11 H
H
H
H
i
11
c
:c
.CU
i
H—C—C
i
- C — H
H H
i
H H
l i
(En el modelo b, el átomo de C número 2 se ha girado 60° con respecto
a la posición que tiene en a).
En el caso del etano la f ó rm u l a e l e c t ró n i c a es:
H
H : c: c : H
H
H
H H
I
H — C — C —
H
I
H Esta fó rmula es reemplazada frecuentemente por.1
f ó r m u l a semidesa rrollada: l«
C H j — C H
de donde se deduce que la f ó r m u l a molecular es:
C
• El alcano de tres á t o m o s de carbono, unidos entre sí por un ió j
covalente
simple,
se denomina propano. Dichos á t o m o s de carbono tie
nen h ib rid izac ión sp 3 y entre ellos se establecen dos enlaces sigma ( o) d j |
tipo sp 3-s p 3- 3
Fórmula
electrónica
Fórmula
desarrollada
C H , — C H , — C H ,
Fórmula
semidesarrollada
C ,H S
Fórmula
molecular
Sí ¡;
m i F.l
té
mi
no siguiente es el but ano, con una cadena de cuatro á tomos
^eyjarbono unidos entre sí por enlaces covalentes simples. Esos á tomos
\k carbono
también
presentan
h ib rid izac ión
sp
3
y se unen por enlaces
•siurna (o) del
Modelo de esferas
y varillas.
La
cadena
de á t o m o s de carbono no necesariamente tiene que estar en
zig zag, sino que puede adoptar diferentes conformaciones en razón de
que la un ión entre los á t o m o s de carbono pernote la libre ro tac ión dentro
de la molécu la . A modo de ejemplo:
£ í
ul
0 de
na\df-
-
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ti»
»
•
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
15/25
C H ,
C H 3
— C H
^ - C H 3
metüpropano
C H ,
CH,
C H ,
C H — C H — C H . — CH: ¡—
2-meálbutano
CH
C H ,
— CH
(e t i lo )
derivado de:
C H .
—
C H ,
etano)
C H 2 - C H 2
C H 3
(p ro p i lo )
proviene de:
C H
3
—
CH
2
— CH
3
propano)
I f C H , — C H ,
— CH, —
C H3 ( b u t i l o )
procede de: C H
3
- CH
2
- CH
2
— CH
3
butano)
: H , — C H ,
—
C H ,
—
C H , — C H
3
(penti lo )
generado
por:
CH —
C H ,
—
C H ,
—
C H
—
C H
3 pentano)
•ntonces podemos decir que:
C H 3 —
CH
-
CH
-
C H ,
-
C H
3
C H
} -
C H
2 —
CH
—
C H
2 —
Lo s radicales alquilo
son grupos
a tó m ic o s
monovalentes que
resultan de eliminar un
á t o m o
de
h id ró g e n o
de un hidroc ar
buro. T a m b i é n
se
los
denomina susti tuyentes hidrocarbonados.
^ H I D R O C A R B U R O ? :
RAMIFICADO~
—
Cadena
principal
— Ramificación/es
Radicaím'etilo
2 3-dimetüpentano 3-etüpentano
Se considera que en los hidrocarburos ramificados existen dos
p a r t í
lacadena
principal y
lao las
ramificaciones.
Lacadena
princ ipa l
es la
larga.
A s í .
en los siguientes
casos:
tomendatura de los alcanos ramif icados:
Consideremos los siguientes
casos:
C H ,
a metilprupano:
b 2J -dimetiipentano
rCH~ —• ramificación
ÍCH
[̂ 7̂*1—̂ r a m i f l c a i
- Ü - J . _ _
r
_ _ Ü J l i _ I _
— |
| C H , — C H
—
C E U | C H J
—
CH
—
C H
—
C H , —
CHl
adena principal adena principal
C H 3 —
C H
—
C H ,
—
C H
3
S La
cadena principal
tiene cuatro
á to m o s
de carbono corresponde al
butano).
B
Los
á to m o s
de carbono se numeran
desde
el extremo más
próximo
a
Ra
ramif icac ión :
2.3.1 ¿Qué son los radicales alquilo?
C H ,
3
C H 3
— C H
—
C H ,
4
C H ,
En
los
casos
anteriores las ramificaciones son iguales y podemj
representarlas así:
- C H ,
Es tá
constituida por un
á to m o
de carbono que tiene tres valencia
saturadas
con
á tomos
de
h idrógeno
y una cuarta
libre, razón
por la cua
no puede
existir
en
forma
independiente. Esta
ramif icac ión
puede
coflffl
derarse teóricamente
formada
p o re l im in a c ió n d e
un
á to m o
de
hidróger
del
metano:
La ramif icac ión
es un radical
meti lo
que
está
unido al carbono 2.
E
Luego, su nombre es: 2-met ilbutano.
(Después
del
n ú m e ro
se coloca
nm guión .
Se nombra primero el radical y luego el alcano al que
corresponde la
cadena principal.
Se lee: dos
melilbutano.)
b)
C H 3
— CH
2
CH, -> H t —
C H ,
CH
—
C H
—
C H ,
C H 3 CH 3
Es un radical
a lqu ilo
y recibe el nombre del alcano del cual provier
cambiando la
te rminac ión
ano por
i lo .
Por lo tanto, se llama
m e t i l o ^
Existen otros radicales de
cadenas
más largas que
también
resulta
( teóricamente )
de la
e l iminac ión
de un
á to m o
de
h id ró g e n o
de.i
hidrocarburo:
La
cadena
principal
tiene cinco
á tomos
de carbono pentano).
1
Los
á tomos
de carbono se numeran siempre
desde
el extremo más
cercano a la
ramif icac ión :
5 4 3
C H 3 —
C H
2 —
CH
C H
—
C H ,
C H , CH,
2-]
Pos ic ión
del radical
m
e
t
Nombre del radical
b
u
t
Nombre de la
a
cadena
principal
n
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
16/25
NOMENCLATURA
Procedimiento
Identificar
la cadena
principal
í
Enumerar los
átomos
de
carbono de la cadena
principal.
Reconocer el o los
radicales que forman la/s
ramrficación/es.
Establecer la
posición
del o
de los radicales.
Escribir el
nombre
correspondiente.
Las ramificaciones son dos radicales me ti lo , por eso se denonf
d i m e t i l .
Dichos radicales
e s tán
ubicados en los carbonos 2 y 3.
j
Entonces, recibe e nombre de:
IJ dimetilpentano.
(Los número
separan con una coma.)
c)
C H ,
—
C H ,
—
C H
—
C H,
—
C H
2 —
C H
2 —
C H ,
C H ,
C H ,
La cadena principal
tiene siete
á to m o s
de carbono (heptano).
Los á tomos
de carbono se pueden numerar de dos modos
difererit
CH,
o
también :
C H ,
2 3 4
C H
2 —
C H
—
C H 2
C H ,
1
CH,
C H , — C H — C H 2
C H ,
—
C H ,
—
C H ,
C H , — C H 2 — C H ,
2 CH,
1 CH,
La ramificac ión
es un radical etilo que
e s tá
unido al carbono 3. ¡
Su
nombre es:
3 etilheptano.
rl)
C H ,
C H ,
— C
— C H , —
CH2 —
C H ,
C H ,
— Cadena principal:
5
á tomos
de carbono (pentano)
— E n u m e ra c ió n
de los
á tomos
de carbono:
C H ,
1 2
1
3 4
C H, — C — C H , - C H ,
C H ,
C H ,
Ramificaciones:
dos radicales
metilo d im e t i l )
colocados ambos en
bono 2.
-Nom bre: 2 2-dimetilpentaño.
C H , CH,
I
C H , — C H
—C
— C H , - C H 2 — C H ,
C H
2
C H ,
|—Cadena
principal:
6
á to m o s
de carbono (hexano)
¡ i -E n u m e ra c ió n
de los
á to m o s
de carbono:
C H ,
CH,
1 2 3 4 5 6
C H , —
CH — C —
C H 2 — C H 2 — C H ,
C H ,
C H ,
—Ramificaciones:
dos radicales
metilo d im e t i l )
en los
carbones
2 y
í
y
un radical etilo en el carbono 3.
—Nombre:
3 etil 2J dimetilhexano. (Cuando hay radicales diferen
tes se los nombra por orden
a lfabé t ico .
El
prefijo
di no se considera.)
C H ,
— C H - C H ,
CH,
Como
el radical
metilo
só lo
puede hallarse en el carbono 2 se deno
mina metil propa no y no 2-metilpropano. (Cuando hay una sola posi
bilidad
de
ub icac ión
del radical no es necesario precisar su
pos ic ión .)
En
resumen:
Las normas de nomenclatura de los alcanos ramificados son:
fl.t 1
ós alcanos
ramifica
ios
c s lú
Jc-adcna^priñcipál
y la las raj
i ; aiSrío.Vam.¡ ¡j^ilc^e.nomj
.: ::; :>).rr̂ s.'̂ níie-la ca.ii ña.p.r.;
El componente más
impor
tante de la nafta es el 2,2,4-
trimetilpentano ¡so-octano)
por
su poder antidetonante.
.•.Paraba
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
17/25
Importante
Al
nombre de los alcanos de
cadena
lineal
se suele ante
poner la letra n para diferen
ciarlos de los de cadena ramrfl
cada.
Ejemplo: n-propanc; n-butano;
n-pentano, etc.
El estudio de los alcanos es
fundamental
porque son la
base de las restantes
funcio-
nes orgánicas.
stén unidos a uno, dos. tres o cuatro átomos de carbono, respectivamen-
t-Analicemos el siguiente caso:
C H ,
CH,
C H
3
—
CH,
—
CH
— C —
CH,
-
CH,
a l i a t i v:
•
i
• t j qn i j? ? ó ̂ . - ¿ 7/ / f 2>mg/ / / ; 3 m>f /
Concepto de alcanos
De
acuerdo con lo que hemos
visto,
podemos establecer que los:
•
Hidrpe;u:^
..-.••.orgánicos c o n M i t u i d o s ¡x r c : : r m ; ; o : h i d r ó g e n o , c r Y l o s ' a n l c s ' i o s j
s unp l c s ) ' : :. .as
,'.
r ami f i c adas - . : ^ :
cc;S 'por; unione.ycovalente
¡ tims
• •
• •
) m p a r t é i r e ü n * ' p a n ^
.asj carbonadas i - s oi V s at uf a1 1 asV-. inealcs
'-'¡51; ? . ( J ¡ :
• . .
Grupo funcional
De acuerdo con las características de los alcanos, se puede conside
como
grupo
funcional
al siguiente grupo soporte:
I
—
C —C —
lases
de
átomos
de
carbono
de las cadenas
Los átomos
de carbono que forman las cadenas carbonadas se d i |
rencian en primarios, secundarios, terciari os y cuaternarios, seg"
C H ,
5*?a]«El átomo
de carbono
número
1
sólo está
unido al carbono
número
2;
* "el
número
6 al 5; el 7 al 3; el 8 al 4 y el 9
también
al 4. Todos estos
átomos de carbono (1,6.7,8 y 9), unidos a un sólo átomo de carbono,
« » | | se denominan primarios. (Se encuentran en los extremos de las
•Efe'' cadenas.)
átomo número 2 está unido al 1 y al 3, y el número 5, al 4 y al 6.
Como estos átomos (2 y 5) están unidos a dos átomos de carbono
vecinos,
se llaman secundarios.
fe El átomo número 3 está l igado a los átomos 2, 4 y 7, es decir, a tres
átomos de carbono
vecinos. Porlo tanto,
recibe el nombre de terciario.
P
(Se observa cuando hay una
ramificación.)
Kff
H átomo número 4 está unido a los átomos 3,5, 8 y 9, o sea, a cuatro
•Pernos
próximos. Entonces, se denomina cuaternario. (Eneste átomo
• hay dos ramificaciones.)
¡som rí de
los alcanos
Comparemos los siguientes alcanos:
a) n-butano:
H i
H — C
- C
H
H
órmul desarrollada
C 4 H ¡
órmul molecular
b) metilpropano
H C H 3
H
H — C — C — C — H
I I
H H H
órmul desarrollada
C4 H l0
órmul molecular
-C--C-
- C — C — C — C — c
—
c
—
-Primarios: 1,6,7,-8 y 9
-Secundarios: 2 y 5
-Terciarios: 3
-Cuaternarios: 4
Isomería
Del
griego:
¡sos:
igual
meros: partes
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
18/25
n-butano
metilpropano
.X
— j /
V
•Nurnti
_ ..
; 1
Atornos de C
dsonwos
4
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
Estos dos alcanos tienen la misma fó rmula molecular C
4
H
10
) per-
como presentan algunas propiedades distintas (punto de ebu l l ició
densidad, etcétera) , son sustancias diferentes. Esto se explica porque 1
forma de sus
m o l écu l a s
es distinta; en el butano la
cadena
carbonada
I
lineal, mientras que en el met i l propano es ramificada. Entonces, |
butano y el metilpropano son i só m er o s .
En general, se establece que:
I s ó m e r o s son sustancias que tienen la misma fó rmula molecular,
pero distinta fó rmula desarrollada o estructural.
En el
caso
de la fó rmula molecular C
5
H
p
son posibles tres isómero
CH
—
CH
- C H
2
- C H
2
-
n peníano
C H ,
CH,
C H ,
C H — C H — C H , — C H ,
2 inetilbutano
C H 3
—C — C H
3
C H ,
dimetilpropano
Como vemos, a medida que aumenta el número de á t o m o s de carbono,
se incrementa el número de isómeros. Así , con 6 á t o m o s de carbono háf
5 i só m er o s ; con 7 á t o m o s 9 i só m er o s ; con 8 á t o m o s 18 i só m er o s ; con
á t o m o s 35 i só m er o s ; con 12 á t o m o s 355 i só m er o s ; con 15 á t o m o s 4.347.
i sómeros.
Estos i só m er o s , que se diferencian por la
forma
de la cadena, sé
denominan
i s ó m e r o s de
cadena.
- Observaciones
En química orgánica existen gran cantidad de isómeros no sólo
de cadena sino de otros tipos que se estudiarán más adelante. Este
hecho
hace necesaria la utilización de las órmulas desarrolladas
y
semidesarrolladas
para
representar
los distintos compuestos
a in de evitar las confusiones que se presentan con las fórmulas
moleculares.
te
LCANOS
Objetivos:
Verificar propiedades f ís icas y q u í m i cas de ios aicanos.
Materiales:
Gas Oil.
Aceite
lubricante para automotores.
Agua
destilada.
Azúcar .
Sal de mesa NaCI).
Etanol (alcohol etílico)
Naftalina.
20 tubos de ensayo.
1 gradilla x 24 tubos.
3 c á p s u l a s de porcelana.
4 goteros,
fósfo ros.
1 cucharita.
Nafta
Querosene
Procedimiento:
Propiedades f í s i c a s :
a) Solubilidad y densidad con respecto al agua:
• En cuatro tubos de ensayo coloque aproximadamente 1 mi de
nafta,
querosene, gas oil y aceite lubricante, respectivamente.
• Agregue a cada uno de los tubos un volumen igual de agua, y
agite.
• Observe y anote los resultados en la Tabla A (más adelante).
b) Poder disolven te:
• En cuatro tubos de ensayo coloque una p e q u e ñ a muestra de
azú ca r , s a l - c id « n esa , alcohol y naftalina, respectivamente.
• Añada unos 3 mi de nafta.
• Observe la solubilidad de las cuatro sustancias y registre en la
Tabla A si son muy solubles, solubles, poco solubles o insolu-
bles.
• Repita la experiencia utilizando querosene, gas oil y aceite
lubricante,
respectivamente. En cada caso anote los resultados
en la Tabla A.
Propiedades q u í m i c a s :
a) Inflamabilidad:
• En tres c á p s u l a s de porcelana coloque 2 gotas de nafta,
querosene y gas oil, respectivamente.
• Ensaye su inflamabilidad, acercando un fósforo encendido.
• Registre los resultados en la Tabla A, con expresiones tales
como: muy inflamable, inflamable, poco inflamable.
Advertencia
Los
alcanos son combustibles
TRABAJE
CON
PRECAUCIÓN.
ca:
afta j gasoil
querosene Aceite lubricante
J i
azúcar alcohol |
salde naftalina
mesa
Resultados:
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
19/25
PROPIEDADES; ^
Densidad con respecto al agua
|
Solubilidad en agua
Poder
disolvente
sobre
Azúcar
i
3
|
Poder
disolvente
sobre
Sal común
Poder
disolvente
sobre
Etanol
Poder
disolvente
sobre
Naftalina
Inflamabilidad
i¡ -
• aiaj-rjakí^ yon
7-0
/ Vé
¿>¡
"oíros-ca'sos-•de'fuentes^énerqe:::•:
v >¿/Ñ•.
: v
;V.
,:
¡ue¡ias-:us:nas;a
costos
relativas
uniente reducid/
' " / a posibilidad-áenbtcncr e'ce: >v
auiiap.c:
- • ineanu
\
Gas natural
Metano:
80%
Etano:
13%
Propano:
3%
Butano: 1
Nitrógeno:
3%
Biogás
Cámara | Cámara de
de carga 11
descarga
aberturas
.•-•i ví
Cámara
l J- de
digestión
Biodigestor
La
materia
orgánica (estiércol,
paja,
hojas,
etc.) se descompone por la
acción de bacterias anaeróbicas,
produciendo biogás.
Estado
natural
de
los alcanos
En la
Naturaleza
se encuentran como
constituyentes principales
del
petróleo y el gas
natural.
También, en
menor
proporción, en los
gases
dejg
¡ |
los yacimientos de carbón y de los pantanos.
Por la descomposición
natural
de la
materia
orgánica se generan
hidrocarburos
gaseosos,
tales como el metano. En la actualidad, se
realizan algunas experiencias tendientes a lograr que ese proceso natural
sea aprovechable
como fuente
de energía, s egún se expone en el
siguiente
artículo:
/ /
/ V77..S
E ES ERWA ÍW
\ l
:FS
:
La-:.uuu¿ación,.uc.Jos/esiduoS'Orgíuucos icon-elljin de>
5:Cppibi(s(ihí('s:co •(••;
zfcalificáiVcohió n •c
mvzneit
na es?i lihió'aiteswi-, que
utiliza dest
-••
ch os a gilí ip.c cuarios ha-sjdo.Jn,-, ta
lado
éfv'.ún.
<
s
ra
'\
^campóideh'p^rtidn'üe'CJ:'::^ as'f-'p •> iniciare
a]
Je Ja
•'••Ciencia
-y'J#éc7i/c^
is
proa u cíe
-¡are;
•(PJtblicqcit
•:
vi áiári • I¿ Sacióme'..-' 12
Propiedades físicas
de los
alcanos
J
~ En general, los alcanos son incoloros e inodoros.
| El olor del gas natural se debe a compuestos que se agregan para poder
detectar
posibles
escapes.
Todos
los alcanos son insoluoles en agua, en razón de la escasa o nula
polarización de sus moléculas.
Son
solubles
en solventes orgánicos, tales
como
cloroformo, éter,
'alcohol
y benceno.
Dicha solubilidad
disminuye al
aumentar
la masa
molecular.
Son miscibles entre sí en todas las proporciones. Con respecto a su
|
estado
de agregación,
punto
de ebullición (p. eb.),
punto
de fusión (p.f.)
y densidad
(5), invitamos a
realizar
la
siguiente
actividad.
dé buen pbJcrca. •••/.
El discjioyia ebnsírJ
. citada :':ey)á'hr
r
:--a .../ /• -
BIOGAS
Mezcla combustible forma
da por
metano
(50-70 ) y
CO2(30-40 ), con
peque-
ñas
proDorcones
de O H
N
2
yHS.
~1
'.tós' álcañ os son.soíub es ep,
-solventes o r g á n i o s de£ |
~r*é^áTál^ü ,apo ári6 ráa3B
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
20/25
ACTIVIDAD
N°
B) Confeccione el gráfico de curva correspondiente a la masa molecular en relación con el número de
'
f
átomos de carbono de los diez primeros alcanos:
Objetivos:
Reconocer cómo varían los estados de agregación, puntos de ebullición, puntos de fusión y las*
densidades de los alcanos.
Establecer la relación entre dichas propiedades y el número de átomos de carbono de los alcano|
Confeccionar e interpretar
gráficos
de curva.
Procedimiento:
En
base
a la siguiente tabla:
Propiedades
físicas
de los alcanos
Número
de...;
3tomos de .
carbono ~Jy.
hz S Nombré
,. p e>j C .. .
¿Densidad .
HE^E
.c
1
metano
-162
-183
0,420
16 Hf
2
etano
-89 -172
0,450
30
5l
^
r ;
;
3
propano
-42,1
-188
0,501
4
butano -0,5
-135
0,519
5 pentano
36,1 -130
0,626
i
hexano
68,7
-95
0,659
8 6? a i
7 heptano
98,4
-91
0.634 m
6 octano
125,7 -57
0,703
9
nonano 150,8 -54
0,718
128 '
| | l
10
decano
174,1
-30
0,730
142 3|t
11
undecano
195,9 -26
0,740
156 | j l
12 dodecano 216,3 -10
0,749
170
13 tridecano
234,0
-6,2
0,760
8
i 1
14
tetradecano 252,0
5.5
0,765
198
15 pentadecano 270,6 10
0,769
21 2
:rr
|r
¡i
6
hexadecano 287,0
2
0,775
226 ¡¡I
0 icosano
342,7
37
0,786
282 ' : ^ | |
1)
Complete los espacios en blanco:
la temperatura ambiente:
Son
gases
los siguientes alcanos:
Se encuentran en
estado
líquido los que tienen entre y átomos de carbón
partir de átomos de carbono, son sólidos.
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
21/25
4
Confeccione el
gráfico
de curva correspondiente al punto de
ebullición
en
relación
con e
número
d]
átomos
de carbono, desde el pentano
hasta
el pentadecano:
¡2.7.1 Explicación
de algunas propiedades
físicas
En
general, el punto de
ebullición
de las sustancias aumenta con el
incremento de
lá~masa
molecular y la
polarización
de. sus
moléculas.
Cuanto"mayor"esjTtemaflp, hay más superficie de contacto entre dos
moléculas
y las fuerzas de
atracción intemioleculares
(fuerzas de Van-
der Waals)
adquiereñhTásTñtensidad.Estoes lo que
sucede en los alcanos.
Cuando se trata de
isómeros
de un alcano, como
por ejemplo,
pentano
(CjH,
7
)
y dimetilpropano
(C.H,.).
que tienen
igual
masa molecular (74)
pero la
forma
de sus
moléculas
es diferente,
Anote
su
interpretación:.
5)
Confeccione un
gráfico
de curva que relacione el
número
de
átomos
de carbono con la densidad de
los
cinco primeros alcanos:
C H
C H
H3C
Pentano
CH
Dimetilpropano
H
el punto de
ebullición
es
inferior
en la
forma ramificada
(36 °C en
pentano y 9 °C en el
dimetilpropano).
Anote su interpretación
Se ha comprobado que d punto
de^ujlicjónjejosjjcanos
alcanza
el valor
m ás bajo en el
isómero
más
ramificado.
La causa de
este
comportamiento
se atribuye al hecho de que los alcanos lineales tienen
|
sus
moléculas más
extendidas
y,
entonces, presentan mayor superficie de
contacto entre sí. Por el contrario, cuando lajn^léan^ejjaniificaa^^
superficie
de contacto
cwfotfalííolécula
es menor
y
consecuentemente,
hierve a una temperatura
inferior.
En
el estado
sólido,
las atracciones intermoleculares
también
son
mayores cuanto mayores el tamaño y la polarización de las moléculas y.
por lo
tanto, requieren
más energía calórica
para
pasar
al
estado líquido.
Entonces, el punto de
fusión
de los alcanos aumenta con el incremento
del número de átomos de carbono que
forman
las moléculas porque el
tamaño molecular
es
mayor.
En cuanto a la densidad
(masa/volumen),
se
debe tener en cuenta que, al ser más intensas las atracciones entre las
moléculas, el volumen experimenta una leve contracción. Esta es la
causa
por la cual en los alcanos, la densidad aumenta al incrementarse el
húmero
de
átomos
de carbono, porque las fuerzas de Van der Waals se
manifiestan
con mayor intensidad.
Resumiendo: \
Responda: ¿Cómo es la densidad de los alcanos con respecto a la del agua
Las propiedades físicas de los alcanos dependen principal
mente del
tamaño
y la
forma
de sus
moléculas,
porque ellos
influyen
en la intensidad con que se manifiestan las fuerzas de
Van
der Waals.
En los alcanos lineales, la
superficie de contacto entre las
m o l é c u l a s
depende de sus
t a m a ñ o s
MSÓM Rf
p é
68
C: stilpentano',
'peh 63 3
.0;
Sp.et>:.60,3C
3-dimetilbutahc
cb ¡
58
C
En los alcanos ramificados las
m o l é c u l a s
tienen menos superfi-
cie de contacto que en os alcanos
lineales.
0 ropiedades químicas
Comienzo
de la reacción:
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
22/25
Parafina
Del latín = parum
affinis
que tiene poca
afinidad).
Reacciones de
sust itución
Son aquellas en que un áto
mo o grupo de
átomos
de
una
molécula
es
sustituido
por
otro
átomo
o grupo
ató
mico
diferente.
ALCANO
HALOGENO
HALOGENURO
DE
ALQUILO
La halogenación de un acano
es u«a. reacci ón de sustrtu-
de los alcanos
Los
alcanos presentan poca
reactividad química
porque son compues'
tos estables. Esta característica justifica la denominación de parafín
que también se utiliza para designar a los alcanos. ~~ —
A la temperatura ambiente no reaccionan con los ácidos sulfúrico"
nítrico"y clorhídrico.
Tampoco
éxpcriméñTañ cám bicjj ünmc ós
con
¡
hídróxidos de sodio o potasio, y es muy difícil que lo hagan con oxidante
fuertes como el pennanganato de potasio.
La_estabilidad
de los alcanos se
debe
a que los
enlaces
carborr
carfjóno (C-C) y carbono-hidrógeno (C- H) no.están polarizados poxqu
las diferencias de electronegatividad son nulas o
pequeñas.
Sin embargo, en condiciones apropiadas,,los alcanos sufren cambio
en los que los
átomos
de
hidrógeno
son reemj)lay.ados por
átomo,
diferentesoporgrupos atómicos. Dichas transformaciones se denomin-
reacciones de sustitución.
2 8 1
Halogenación
Los
hidrocarburos saturados reaccionan con los
halógenos
F, Q
.-B,
I) originando compuestos de sustitución, denominados halogenuros dé
alquilo.
En c caso del metano, éste puede reaccionar con el cloro, fonnand
clorometano:
íi
H —C H + C 1
2
-
H
H
-> HC1 + H —
c
—
ci
H
(CH 3C1)
clorometano o cloruro de metilo
Esta reacción se produce muy lentamente en la oscuridad, pero
rápidamente
en presencia de luz solar, por lo cual se denomina
reacción
fotoquímica.
Es una
reacción
de
sustitución,
porque se sustituye un
átomo
de
hidrógeno por otro de cloro.
Mecanismo de la reacción
La cloración
del metano es una
reacción fotoquímica
que se produc
en tres etapas:
La
luz. al
incidir
sobre las
moléculas
de
cloro, inicia
una
reacción
en
cadena.
Cada
molécula
de
cloro,
al absorber un
fotón,
se transforma en dos
átomos de cloro activados, también llamados radicales libres, por tener
un electrón desapareado:
. . ..
(Luz solar)
a : a : >
ci • a •
Cada uno de los
átomos
de
cloro
queda rodeado por sus siete electro
nes, por lo cual se ha producido una ru ptu ra
homolítica.
En
adelante, para representar los
átomos
de
cloro
activados
sólo
se
representará el electrón desapareado (CP).
b) Propagación o desarrollo de la reacción:
Un átomo
de cloro activado choca con una
molécula
de metano y
rompe una de las uniones C — H . Entonces se forma una molécula de
cloruro de hidrógeno (HC1) y queda un radical
metilo
(CH,—) libre:
H
H :
C
:
H
+a
H
ii
H :
C
H
H
El radical
metilo
libre es muy reactivo y al chocar con otra molécula
de
cloro, origina
c'oruro de
metilo
y cloro activado:
CH]+C1 2
-> CH,C1 + C1
c) Final de la reacción:
La reacción finaliza
cuando se agotan los reactivos o desaparecen los
radicales libre por unirse entre sí:
C l- +
Cl- ->
Q ,
(molécula
de
cloro)
CrT,+ CH ; > CH , — CH,(etano)
•
Por cloración del metano también pueden formarse los siguientes
compuestos:
a)
H
H - C
H
H
+ 2 CL
->
2
HC1
+ H
Cl
C-
l
ci C H c y
diclorometano o cloruro de metileno
Fotón
Corpúsculo
que
contiene
una
cantidad
discreta de
energía)
que forma la luz.
V
Radicad
í ibr*
Átomo o grupo atómico con
electrones desapareadci.
Radical
metilo
f
"V
¿ a
Iv1d̂ 3i6re
radicales
metilo s-.rf
- : yV - . r M0'|.s).
A
b)
Cl
. .
Lo s
alcanos arden en presencia de
o x í g en o ,
produciendo
dióx ido
de
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
23/25
E n e r g í a de
enlace
E n e r g í a que se
libera cuando
s e
rompe
un enlace.
E c u a c i ó n
general de
h a l o g e n a c i ó n
R- H + X, -> HX + R—X
R - H = alcano
X2 = h a l ó g e n o
HX = hidruro de h a l ó g e n o
R—X = halogenuro de alquilo
H —C — H + 3 C l ,
H
H
->
3 H C1 + H — C — G (CHC1,)
.
Cl
triclorometano cloroformo
C l
H
— C — H
+ 4 C 12 >4HC1
+
C 1
— C — Cl (CQ
4
)
C l
letraclorometo.no
o
tetracloru.ro de carbono
B
En el etano, la
sust i tución
de un
á t o m o
de
h i d r ó g en o
por otro de
cloro,
da lugar a la
formación
de un solo derivado monoclorado:
C H j — C H j + O,
-> HC1
+ CH,
CH2C1
clorometano cloruro de
etilo
propano , al reaccionar con el
cloro,
forma dos
i só m er o s :
C H 3
—
C H ,
—
C H3
+
C l,
>
H C1
+
C H
—
C H2 — CH ,C1 (48 ) '
l- cloropropano
C H 3
— CHQ — CH,(52%)
2 -
cloropropano
En el propano, la en er g í a que se libera cuando se rompe un enlace
C — H ,
en un carbono
primario,
es de 101
kcal /mol:
H
C H 3 — C H 2 — C H 2 -
-> CH
3
— CH
2
— CH, + H
- ruptura
homolíüca
mientras que en un carbono secundario es de 95
kcal /mol:
H
C H , — C H — . C H , -
-> CH, — CH — CH
}
+ H •
ruptura
homolítica
Como
se
forma
más
fáci lmen te
un radical cuanto menos
en er g í a
se
libera
al romperse un enlace, se produce una cantidad un poco mayor de
2-cloropropano (52%) que de 1-cloropropano (48 ) .
En los alcanos, la sust i tución de un át o m o de h i d r ó g en o por otro de
h a l ó g en o
es
más ráp ida
en un carbono
terciario
que en uno secundario y
en
éste
que en uno
primario.
carbono y agua^ y desprendiendo importantes cantidades de calor que
permiten su uti l ización como combustibles. Así, por ejemplo:
C H 4 +
2 0
2
> C0
2
+ 2 H
2
0 + 212
kcal/mol
metano
C 2 H s +
3.5 0
2
-
etano
-> 2
CO, + 3 H,0 + 368.4
kcal/mol
La cant idad de calor que se desprende al quemarse completamente un
mo l
de
m o l écu l a s
de una sustancia, se denomina calor de
co m b u s t i ó n .
A s í ,
al quemar 16 g de metano
(1
mol) se desprenden 212
kcal.
En
la
co m b u s t i ó n
de los alcanos, el aumento de un grupo —
C H , —
(metileno)
produce un incremento del calor de
co m b u s t i ó n
de 158
kcal/
mol.
Cuando la
co m b u s t i ó n
es incompleta, por
escasez
de
o x í g en o ,
los
alcanos producen
m o n ó x i d o
de carbono (gas
tóx ico )
y carbono
libre
(ho l l ín ) . Así , en el caso del metano:
->
2 H,0 + CO
( m o n ó x i d o
de carbono)
H . +
1.5 O,
C H 4
+ 0
2
> 2 H
2
0 + C
hollín)
En
las combustiones incompletas no se libera todo el calor posible
como
sucede
en las combustiones completas .
2.8.3 Isomerización
Un
alcano normal puede ser transfonnado en un
i só m er o
ramificado
del
mismo. Es un proceso lento y reversible . Se realiza en presencia de
catalizadores
( A l ,
0
3
,
HC1),
a temperaturas relativamente bajas (entre 80
y
120 °C) y a una presión de 3.039 kPa.
En
el
caso
del n-butano:
C H 3 — C H , — C H 2 —
CH
3
< Z ±
CH
— CH CH
3
n-butano
C H ,
metilpropano o isobutano
El
proceso de
i so m er i zac i ó n
tiene gran
importancia desde
el punto de
vista industrial, pues
permite mejorarlaef icac iacle las naftas al transfor
mar los alcanos lineales en ramific ados.
Calor cíe ,•
. c ó m b u s t 3i
Metano
212,0
Etano
368,4
Propano
526,3
Butano 684.0
Pentano
838,3
G a s g r i s ú
Mezcla de aire con 6 de
metano (muy
explosiva)
que suele
formarse
en las
minas
de c a r b ó n .
I S O M E R I Z A C I Ó N
Alcano
normal
Alcano
ramificado
i
r» CH
:
CH,+ CH
4
-
8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1
24/25
ALCANO
+
CALOR
DESINTEGRACIÓN
SINTESIS
CR CKING DE UN
OCT NO
2 2 3 3 tetrametil pentano
2.8.4 ¿Qué es pirólisis o cracking?
Cuando los alcanos son sometidos a temperaturas entre 500 y 800 ¡ 5
en ausencia de oxígeno, se rompen las cadenas carbonadas, formánd
alcanos y alquenos de menor masa molecular e
hidrógeno.
Este proc
se denomina pirólisis o cracking.
En
el
caso
del etano, el mecanismo de la
reacción
es el siguient
a) Comienzo de la
reacción:
E l etano sometido a una temperatura de 500 °C experimenta u
ruptura
homolítica,
originando dos radicales libres
metilo:
(500 °C)
C H 3 —C H 3 >2 CH (meti lo)
b) Propagación
de la
reacción:
Los radicales
metilo
reaccionan con otra molécula de etano, forman
metano y radicales libres
etilo:
C H j + C H
3
— C H
3
> C H
4
+ C H
3 — CHJ
(e t i l °)
'
Los
radicales
etilo
son de corta
vida libre, transformándose
en efe
e hidrógeno activado:
CH CHV
->
CH =
CH ,
+ H*
eteno etileno
Los átomos de hidrógeno activados reaccionan con otra moléculü'rJ
etano, produciendo un radical
etilo
y una
molécula
de
hidrógeno:
CH — C H* + H
->
CH3 — C H2 +Hj
c) Final de la reacción:
La reacción continúa en cadena hasta que se agota el etano o
radicales libres se unan entre sí. fonnando butano e
hidrógeno:
C H
3 - CH
2
+ CH