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bioquimica, energetica en la celula, energia metabolicaTRANSCRIPT
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TEMAS DE BIOQUIMICA
TEMA I: INTRODUCCION A LA BIOQUIMICA
Generalidades
Concepto de materia, cuerpo, sustancia. Sustancia simple y compuesta. Definicin de elemento qumico. Smbolos. Clasificacin de los elementos. Clasificacin peridica de los elementos qumicos. Frmulas qumicas. Valencia. Estructura del tomo. Clasificacin peridica y configuracin electrnica. Teora del octeto. Uniones qumicas. Unin electrovalente o heteropolar. Unin covalente. Unin covalente coordinada. Uniones intermoleculares: fuerzas de Van der Waals. Puentes hidrgeno. Interacciones entre dipolos.
Concepto de materia: Para llegar al concepto de materia es necesario realizar
una serie de experiencias.
a.- Para levantar una mesa se debe realizar un esfuerzo, lo mismo si se desea levantar una silla, un pizarrn, etc. Siempre que se realiza un esfuerzo muscular significa que se est aplicando una fuerza. Para qu ?. Para vencer un peso. Conclusin: Todos los objetos que nos rodean tienen peso.
b.- Si en un vaso lleno de agua se coloca una cuchara, se observa que el agua se derrama. Conclusin: Todos los objetos ocupan un lugar en el espacio.
c.- Los objetos se pueden tocar, algunos gustar, etc. Conclusin: Todos los objetos impresionan los sentidos.
Es decir que independientemente de su forma, color, uso, etc. Todos los objetos tienen algo en comn que se denomina:
La materia existe en tres estados fsicos fundamentales:
a.- Gas: es una materia cuya forma y volumen es infinitamente variable. Ej.: con el mismo peso de gas puede llenarse una pequea caja o un enorme baln.
b.- Lquido: es una materia cuya forma es infinitamente variable, adaptndose a la forma del recipiente que lo contiene.
c.- Slido: es una materia cuya forma permanece constante. A la materia que tenemos que manejar puede asignarse uno de estos tres
MATERIA
- Es todo aquello que nos rodea.
- Tiene peso.
- Ocupa un lugar en el espacio
- Impresiona los sentidos
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estados de agregacin. Concepto de cuerpo: Para definir un cuerpo es fundamental indicar su forma,
porque si sta desaparece origina otro u otros cuerpos. Ej.: si destrozo una botella, los fragmentos sern cualquier otro cuerpo menos una botella.
O sea que: CUERPO es una porcin limitada de materia.
Concepto de sustancia: Existen diferentes clases de materia que le dan a los cuerpos propiedades particulares. Ej.: si tengo tres cuerpos esfricos; uno de vidrio, otro de cobre, otro de plomo; tienen en comn su forma pero se diferencian por su color y su peso. Estas distintas clases de materia se llaman:
SUSTANCIA: Para definirla no es necesario indicar su forma porque si destruyo, por ejemplo, el cuerpo esfrico de vidrio, cada uno de los trozos sigue teniendo las propiedades del vidrio. Es decir que se ha destruido el cuerpo pero no la sustancia.
Luego:
SUSTANCIA es la calidad de materia que constituye un cuerpo.
Sustancias simples y compuestas: Existen dos clases de sustancias.
a.- las que se descomponen en otras ms sencillas; b.- las que no se descomponen.
Las primeras se conocen como:
sustancias compuestas
compuestos qumicos o combinaciones
Las segundas que no pueden descomponerse se llaman sustancias simples. Puede suceder que una sustancia compuesta no se descomponga directamente en sustancias simples, pero siempre se llega a stas. Por ej.: si calentamos lo suficiente un trozo de mrmol pulverizado obtenemos:
C, O2 y Ca son sustancias simples por lo tanto no pueden descomponerse.
Por qu ocurre esto? Porque sus molculas estn formadas por una sola clase de tomos.
- 2COgasun
C
2O
- calciodexidodeblancopolvoun
Ca
2O
-
3
En cambio las sustancias compuestas se descomponen porque sus molculas estn formadas por tomos de diferente naturaleza.
Elemento qumico: Elemento qumico es el componente presente en todas las
sustancias simples.
Hasta principios del ao 1.969 se conocan 104 elementos qumicos; de ellos 98 son aceptados internacionalmente,
Smbolos: Para simplificar la escritura de los elementos qumicos se utilizan
letras que se denominan smbolos. Luego:
Smbolo de un elemento es la abreviatura admitida para representarlo
Esta notacin considera el nombre latino o griego latinizado de los elementos qumicos y se lo representa por su primera letra mayscula.
Ejemplos:
ELEMENTO NOMBRE LATINO O GRIEGO LAT. SIMBOLO
Hidrgeno Hydrogenium H
Potasio Kalium K
Azufre Sulphur S
En los casos de elementos qumicos con la misma letra inicial se utiliza una segunda letra diferencial que no siempre es la segunda de su nombre. La primera se escribe con mayscula y la segunda con minscula.
Ejemplos:
carbono carbonium C
cobre cuprum Cu
cadmio cadmiun Cd
Clasificacin de los elementos
Los elementos se pueden clasificar en:
Metales
No metales
Metaloides
Elementos inertes, gases raros o gases nobles
Metales: Estos elementos presentan las propiedades generales siguientes:
Poseen brillo metlico
Son buenos conductores del calor y de la electricidad
Slidos a la temperatura de 20 C, con excepcin del mercurio (Hg) que es lquido.
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No metales: Estos elementos tienen los caracteres generales siguientes:
Carecen de brillo metlico
Malos conductores del calor y electricidad
Algunos son slidos (yodo, carbono, azufre, etc.); lquidos (bromo) y gaseosos (oxgeno, hidrgeno, nitrgeno, cloro, etc.)
Metaloides: Estos elementos tienen algunas propiedades metlicas y otras no
metlicas. De los 104 elementos conocidos, slo 5 son metaloides: boro, silicio, germanio, arsnico y antimonio. Elementos inertes, gases raros o gases nobles: Se presentan slo en estado libre como monoatmicos. Son muy inertes y no forman generalmente sustancias compuestas, es decir, no se combinan con facilidad con otros tomos. Clasificacin peridica de los elementos Qumicos El qumico ruso Dimitri Mendeliev en el ao 1.869, dispuso los elementos en un sistema ordenado llamado sistema peridico de los elementos. Mendeliev descubri una relacin importante entre los pesos atmicos de los elementos y sus propiedades fsicas y qumicas y los clasific segn sus pesos atmicos crecientes. Distribuidos as, los elementos forman filas horizontales que se denominan perodos. Las columnas verticales se denominan grupos. Cada grupo, a su vez, se divide en dos subgrupos, que se designan habitualmente como A y B. Resumiendo las caractersticas de esta tabla tenemos que:
1. Los elementos del primer grupo tienen carcter metlico.
2. Ese carcter disminuye del primero al sptimo grupo.
3. Las valencias mximas de los elementos crecen del primero al ltimo grupo.
4. El punto de fusin de los elementos aumenta del primero al cuarto grupo y a partir de ese grupo disminuye hasta el sptimo.
5. Los elementos de cada grupo tienen comportamiento semejante. Pero esta clasificacin de Mendeliev es incompleta y adoleca de defectos.
Clasificacin peridica moderna
El descubrimiento de nuevos elementos, la inclusin de los gases nobles o raros (helio, argn, nen, kriptn y radn) hizo necesaria la estructuracin nueva de la tabla.
En esta clasificacin se comienza por el hidrgeno. Se adiciona un grupo completo de seis elementos llamados gases nobles o inertes como grupo cero. La tabla queda con ocho columnas o grupos (columnas verticales), y un grupo cero y siete perodos (filas horizontales). El ordenamiento actual de los elementos de la tabla peridica se bas no en el peso atmico, sino en el nmero atmico.
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Ventajas de esta clasificacin
1. Ajuste de pesos atmicos: permiti el clculo y ajuste de pesos atmicos;
2. Propiedades de los elementos: permiti prever las propiedades de elementos;
3. Constantes fsicas: con el uso de la tabla se logr ajustar diversas constantes fsicas como la densidad, el punto de fusin, etc.
4. Estructura electrnica: permiti establecer una relacin entre la ubicacin de los elementos en la tabla y su estructura electrnica.
Frmulas qumicas
Por medio del smbolo se puede representar un tomo de cualquier elemento.
Pero, si se tiene en cuenta que una molcula est formada por una agrupacin de tomos, se debe combinar de tal manera los smbolos para que expresen no slo los tomos que forman la molcula sino tambin su nmero.
Esta representacin se llama frmula qumica de un compuesto.
Ej.: se quiere escribir la frmula qumica del agua cuya molcula est formada por dos tomos de hidrgeno y una de oxgeno. Se coloca como subndice la cantidad de tomos que forman esa molcula.
OH 2
Las frmulas ms empleadas en qumica son:
a.- Frmulas brutas o moleculares: Son las que se indican slo la calidad y cantidad de tomos que forman una molcula de una sustancia. Ej.:
OH 2 Agua 3NH amonaco
b.- Frmulas desarrolladas: En ellas se indican la forma en que se unen entre s los tomos que constituyen la molcula. Ej.:
OH
H
Agua
N
H
H
H
Amonaco
Valencia
Es el poder o capacidad de combinacin de un elemento qumico con respecto a otro, tomado como unidad.
Se dice que el elemento cloro, por ejemplo, tiene una valencia o capacidad de combinacin igual a uno, porque con el elemento hidrgeno (tomado como
referencia) se combina tomo a tomo. HCl
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El oxgeno se comporta como bivalente, pues un tomo de oxgeno se combina con dos tomos de hidrgeno, para formar agua.
Con el concepto de valencia se est en condiciones de representar, mediante frmulas desarrolladas, la unin qumica o ligadura entre los tomos.
Valencia de algunos elementos
III, V -Bismuto
Existen ciertos compuestos que pueden actuar como metal y como no metal, estos compuestos se denominan Anfteros, ejemplos:
Cromo: Valencia II, III (Metal), VI (No Metal).
Manganeso: Valencia II, IV (Metal), V, VI (No metal).
Molibdeno: Valencia III, IV (Metal), V, VI (No metal).
I
- Litio (Li)
- Plata (Ag)
- Potasio (K)
- Sodio (Na)
II
- Bario (Ba)
- Berilio (Be)
- Cadmio (Cd)
- Calcio (Ca)
- Estroncio (Sr)
- Magnesio (Mg)
- Zinc (Zn)
I . II - Cobre (Cu)
- Mercurio (Hg)
I I. III
- Cobalto (Co)
- Hierro (Fe)
- Niquel (Ni)
I . III - Oro (Au)
III
- Aluminio (Al)
- Boro (B)
M
E
T
A
L
E
S
I
- Antimonio (Sb)
- Arsnico (As)
- Fsforo (P)
- Nitrgeno (N)
- Oxgeno (O)
- Carbono (C)
- Silicio (Si)
III . V II
N
O
M
E
T
A
L
E
S
II . IV. VI
- Azufre (S)
- Selenio (Se)
- Telurio (Te) IV
I . III V . VII
- Bromo (Br)
- Cloro (Cl)
- Iodo (I)
-
- Fluor (F)
- Hidrgeno (H)
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Estructura del tomo
El tomo es la menor porcin de materia que constituye una molcula.
Est formado por partculas ms pequeas cargadas elctricamente con una estructura similar al sistema solar.
Un ncleo semejante al sol y alrededor una serie de partculas llamadas electrones (semejantes a los planetas) distribuidas en rbitas.
a.- El ncleo posee casi toda la masa del tomo, pues la de los electrones es prcticamente despreciable.
Las partculas que componen el ncleo son los protones y los neutrones.
Los protones se simbolizan as:
H11
El 1 superior indica que sa es su masa y el 1 inferior seala que cada protn posee una unidad positiva de carga. El protn posee una masa igual a 1 y una carga positiva tambin igual a 1.
Los neutrones se representan as:
h10
Esto indica que la masa del neutrn es 1 y su carga elctrica es nula. El neutrn posee masa, pero su carga elctrica es nula.
b.- El electrn es una partcula cuya masa es muy pequea; es 1836
1 de la
masa del protn. Es decir que 1836 electrones juntos poseen una masa igual a la del protn. La carga del electrn es negativa. Como el tomo es neutro, cada tomo posee tantos electrones como protones. El nmero de cargas positivas nucleares corresponden al nmero de orden en la tabla peridica que a su vez corresponde al nmero de electrones.
La clasificacin peridica y la configuracin electrnica
Segn Bohr el ncleo atmico se halla rodeado por rbitas concntricas recorridas por electrones.
La distancia ncleo-electrn vara; y dicha distancia constituye un nivel energtico.
Un tomo puede poseer hasta un mximo de siete niveles energticos que se designan de adentro hara afuera con los nmeros n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 a los que se llaman nmeros cunticos principales o con las letras K-L-M-N-O-P-Q.
Con estos conocimientos y observando la tabla peridica deducir:
1.- El nmero de rbitas niveles de energa de un tomo es igual al nmero del periodo en el que se halla en la tabla. Por ejemplo: el sodio se halla en el tercer perodo y su tomo posee tres rbitas.
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8
2.- En la rbita externa o de valencia, el tomo posee tantos electrones
como sea el nmero de grupo. As, todos los elementos ubicados en el primer grupo de la tabla tienen tomos con 1 electrn en la rbita externa; los ubicados en el segundo grupo tienen 2 electrones en la rbita externa y as sucesivamente. Ejemplo:
Masa
23
- 3 perodo: 3 orbitas de electrones
- 1 grupo: rbita externa con 1 electrn
- n atmico 11: n total de electrones distribuidos
en 3 rbitas.
Na
N atmico
11
n de rbitas n del periodo
rbita externa o de
valencia n de e n del grupo
Siempre en orbita
externa octeto
3.- Al aumentar en uno el nmero atmico de un tomo, se obtiene el que le sigue en la tabla peridica.
4.- Este electrn se ubica en la rbita ms externa o en una nueva segn se halle el elemento, en el mismo perodo que el anterior o en el siguiente.
5.- Al final de cada perodo se llega a un gas raro o noble que posee una rbita externa de 8 electrones a la que se denomina rbita completa u octeto completo.
6.- El helio es el nico gas raro que posee en su rbita externa y nica dos electrones.
x
K
L
M
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Teora del octeto
Como los gases raros no presentan compuestos y tienen poca afinidad; se consider que el anillo externo con 8 electrones es la configuracin ms estable de los tomos.
Lewis en 1.956 introdujo esta teora llamada del octeto electrnico: Los tomos al reaccionar entre s tienden a completar la estructura del gas noble ms prximo en la tabla peridica. O bien: todos los tomos tienen tendencia a adquirir la estructura electrnica del gas noble ms prximo a ellos.
La clasificacin peridica y el carcter metlico no metlico de los elementos: Segn la teora del octeto, si observamos los elementos de los grupos 1 y 7 de la tabla en su configuracin electrnica y comparamos a sta con la de cada gas noble, podemos deducir:
GRUPO I ORBITAS DE
ELECTRONES
Li 2-1
Na 2-8-1
K 2-8-8-1
Rb 2-8-18-8-1
Cs 2-8-18-18-8-1
Fr 2-8-18-32-18-8-1
GRUPO VII ORBITAS DE
ELECTRONES
F 2-7
Cl 2-8-7
Br 2-8-18-7
I 2-8-18-18-7
GASES
RAROS
ORBITAS DE
ELECTRONES
Ne 2-8
Ar 2-8-8
Kr 2-8-18-8
Xe 2-8-18-18-8
Rn 2-8-18-32-18-8
-
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1.- A todos los elementos del grupo I les es ms fcil perder el nico electrn de su capa externa que ganar siete.
2.- Anlogamente, a los elementos ubicados en los grupos II y III de la tabla les resulta ms factible ceder 2 o 3 electrones para quedar con una rbita externa de 8 electrones que adquirir 6 o 5. As el Mg (2-8-2) si cede 2 electrones se asemeja al Nen (2-8).
3.- Un tomo que cedi electrones presenta carcter electropositivo, pues predominan las cargas del ncleo y se denomina in electropositivo o catin. Estas caractersticas presentan los elementos del grupo I, II y III de la tabla.
4.- A todos los tomos de los elementos de los grupos V, VI y VII les es ms fcil adquirir electrones para completar su octeto que ceder 5, 6 o 7 electrones.
5.- Un tomo que adquiere electrones presenta carcter electronegativo pues predominan las cargas electrnicas sobre las positivas del ncleo y se denomina in electronegativo o anin. Esta propiedad la poseen los elementos de los grupos V, VI y VII.
6.- Como el carcter electropositivo es propio de los metales, a la propiedad del tomo de un elemento de perder electrones convirtindose en in electropositivo se denomina carcter metlico.
7.- Anlogamente, la propiedad de un tomo de un elemento de adquirir electrones, se denomina carcter no metlico.
8.- Los elementos del IV grupo entre los que se hallan el carbono y el silicio poseen en su rbita de valencia 4 electrones. Por eso pueden adquirir 4 electrones o cederlos para completar su octeto y asemejarse al gas noble ms prximo. En estos elementos estn equilibrados ambos caracteres (electropositivo y electronegativo) por lo que se denomina carcter anftero. Como el radio atmico disminuye dentro de un mismo perodo del I al VII grupo, la accin atractiva del ncleo sobre los electrones aumenta. Por eso es ms fcil ceder su electrn al sodio (I) que al Mg (II) y ste que al Al (III). Anlogamente, dentro de cada grupo crece el radio atmico con el perodo y por eso aumenta la facilidad para ceder electrones.
Radio atmico: Es la distancia comprendida entre el centro del ncleo de un tomo y su rbita externa.
Distribucin de los electrones: Cada nivel principal n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 de energa posee a su vez subniveles de energa. Estos subniveles se designan con las letras S, P, d, f.
El primer nivel K no posee subniveles y tiene un mximo de dos electrones.
-1 e
Na Na (catin sodio) electropositivo
-2 e
Mg Mg (catin electropositivo)
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electronessCapaK 21
electroneselectronesp
electronesssubcapasLCapa 8
62
22)2(
electrones
electronesd
electronesp
electroness
subcapasMCapa 18
103
63
23
)3(
electrones
electronesf
electronesd
electronesp
electroness
subcapasNCapa 32
144
104
64
24
)4(
El nmero mximo de electrones en un nivel energtico es igual a 22n siendo
n el nmero cuntico principal. O sea que para los cinco primeros niveles energticos se tiene:
1 nivel . 2 (1)1
= 2e
2 nivel . 2 (2)2 = 8e
3 nivel . 2(3)2 = 18e
4 nivel . 2(4)2 = 32e
5 nivel . 2(5)2 = 50e
El llenado de los subniveles por electrones se realiza de acuerdo a la siguiente regla: Para cada orbital o subnivel energtico se puebla primero cada suborbital con un solo electrn antes que comience el llenado con dos.
Ejemplos:
Elemento Configuracin
elctrica Representacin grfica
N7 322 221 pSS
B5 122 221 pSS
O8 422 221 pSS
F9 522 221 pSS
1 s 2 s
2 p
1 s 2 s
2 p
1 s 2 s
2 p
1 s 2 s
2 p
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UNIONES QUMICAS
Unin electrovalente inica o hteropolar
Todos los elementos que tienen un nmero de electrones vecinos a ocho, tienden a adquirir otros, para formar un octeto ms estable.
Ejemplo:
Un tomo de flor (F)
N atmico = 9 K= 2e L = 7 e
Tiene tendencia a aceptar un protn adquiriendo la configuracin del gas noble. Al aceptar un electrn se carga negativamente y es llamado electronegativo. Del mismo modo los elementos que tienen pocos electrones, tienden a perderlos para formar una capa externa de ocho. Al perder un electrn se carga positivamente y es llamado electropositivo.
Ejemplo: Litio - Sodio
Na N atmico= 11 K= 2 L=8
- 1 e = Na+ Nen
Es decir que los tomos al perder o ganar electrones adquieren cargas elctricas (positivas o negativas) y se trasforman en iones.
Por este motivo a esta unin se la llama unin inica cuando se unen un tomo de cloro con uno de sodio aparece entre ambos tomos, transformados en iones, una fuerza electrosttica que los mantiene unidos formando una molcula de cloruro de sodio.
Esta unin se denomina electrovalente. Como cada in que forma la molcula posee diferente carga elctrica tambin se la llama heteropolar.
En la formacin de compuestos electrovalentes hay una transferencia o pasaje de electrones del elemento electropositivo o metlico (en este caso el sodio) al elemento electronegativo (en esta reaccin el cloro). Es necesario que haya igualdad entre los electrones ganados y los perdidos.
Cuando el metal que se combina pertenece al segundo grupo de la tabla peridica posee en su rbita de valencia dos electrones, como sucede con el calcio.
El tomo de este elemento cede, al combinarse, dos electrones para formar el catin calcio.
Cl
Na +
ClNa
Ca Ca- 2 e
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Son precisos dos tomos de cloro para adquirir esos dos electrones, uno cada uno, y formar dos iones cloro restableciendo el equilibrio.
Los compuestos electrovalentes se caracterizan por:
Poseer elevado punto de fusin.
Poseer elevado punto de ebullicin.
Presentar estructura cristalina inica.
Ser soluble en agua y poco solubles o insolubles en compuestos orgnicos.
Al estar disueltos en agua la atraccin electrosttica entre sus iones se hace ms dbil y se disocian hacindose conductores de la corriente elctrica.
Esta unin es propia de sales, cidos y bases.
Por eso es la unin caracterstica de los compuestos de la qumica llamada inorgnica.
Unin covalente
Estudiando los compuestos qumicos se observ que las fuerzas que mantienen unidos a los tomos en las molculas no siempre son de naturaleza electrosttica. Existe otro tipo de unin en la cual los tomos que se combinan para formar molculas, lo hacen mediante un par o doblete electrnico formado por la contribucin de un electrn por tomo. El caso ms simple es el del hidrgeno. Cuando dos tomos de hidrgeno se unen y forman una molcula biatmica cada uno contribuye con su electrn en la formacin del par electrnico
Adquiere as cada tomo la configuracin del helio. Ninguno de los dos tomos logra posesin completa de ambos electrones.
En el caso del cloro cuando dos tomos, al encontrarse, forman una molcula, cada uno de ellos comparte los dos electrones del doblete, de manera que los tomos completan su octeto
Las cruces indican los electrones del par o doblete electrnico. Cada uno de los electrones del doblete poseen spin o giro electrnico opuesto y ello origina momentos magnticos contrarios que con su atraccin mantienen unidos a los tomos. Para formar un enlace covalente un tomo debe poseer un orbital desapareado, es decir, con un slo electrn. Los dos electrones del doblete se
Cl
Ca + ClCa 2
Cl
H + H H H
Cl
Cl
+ Cl
Cl
-
14
S O
O
O
3SO O
O
S
x x
xx
x
xO
aparean y completan el orbital. Como el par electrnico es compartido por igual por los tomos que se unen, la molcula resultante no presenta diferencias elctricas y por eso se denomina no polar u homopolar.
Los compuestos covalentes, no polares u homopolares presentan las siguientes propiedades:
Poseen bajo punto de fusin.
Bajo punto de ebullicin.
Los tomos se mantienen unidos como tales, es decir, no se transforman en iones.
Son solubles en lquidos orgnicos.
La unin covalente es la ms generalizada entre los compuestos de la qumica orgnica.
Unin covalente coordinada
Es una variante de la anterior. Se presenta cuando en lugar de contribuir cada tomo con un electrn para formar el doblete o par electrnico es un solo tomo quien completa el octeto del otro aportando el par de electrones. Este par cedido por uno de los tomos es compartido por ambos.
El tomo que contribuye con sus dos electrones se denomina tomo dador y el que los recibe, aceptor. La accin coordinativa se simboliza con una flecha. La punta se dirige hacia el tomo aceptor. En este ejemplo, el azufre se une a un tomo de oxgeno por covalencia, indicada por el doble trazo y a otro tomo por covalencia coordinada indicado por la flecha.
Otro ejemplo:
Uniones intermoleculares
Los mecanismos de las posibles uniones entre molculas adquieren un gran inters, principalmente cuando se trata de molculas de gran tamao, como es el caso de las protenas. Estas interuniones explican, por una parte, la estructura tridimensional de la propia macromolcula, y por otra parte, la posibilidad de su interaccin con otras formas altamente especficas, como ocurre en los anticuerpos y en las enzimas.
OS
x x
xx
xx
Opar electrnico cedido
S
O
O
2SO
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Estas fuerzas de unin intermolecular pueden ser de cuatro tipos:
1. Fuerzas de Van der Waals
2. Formacin de puentes hidrgeno
3. Interacciones entre dipolos
4. Atracciones electrostticas entre grupos funcionales con carga positiva o negativa.
Fundamentalmente, todas ellas, son de tipo electrosttico (por lo tanto dbiles) a diferencia de las de covalencia, que constituyen la gran mayora de las uniones interatmicas intramoleculares.
Para nuestro estudio nos interesa especficamente la 1 y 2.
Fuerza de Van der Waals: Se producen cuando dos tomos correspondientes a distintas molculas se encuentran lo suficientemente prximos para que el campo elctrico producido por el giro de los electrones de uno de ellos induzca la polarizacin en sentido contrario de los del otro, produciendo un efecto electromagntico de atraccin.
Puentes de hidrgeno: Se forman cuando dos tomos suficientemente electronegativos, unido uno de ellos a un tomo de hidrgeno, se encuentran lo bastante prximos entre s para que este tomo de hidrgeno sea atrado por el otro, producindose el efecto final de que dicho tomo de hidrgeno es compartido por ambos. Este efecto se produce, por ejemplo entre el grupo CO y el NH de dos polipptidos.
Formaciones de este tipo desempean un gran papel en la estructura de las protenas y de los cidos nucleicos.
NHOC __________
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TEMA II - SOLUCIONES
Definicin. Soluto y solvente. Solucin diluida, concentrada, saturada, sobresaturada. Peso atmico absoluto y relativo. Peso molecular absoluto y relativo. tomo/gramo. Molcula gramo o mol. Soluciones valoradas: molaridad, normalidad.
Para hablar de soluciones daremos un concepto bastante somero de sistemas homogneos y heterogneos.
Sistema: Definimos como sistema al objeto de que est directamente bajo nuestra atencin, aquello que es motivo de nuestro estudio. Cuando estudiamos un sistema y lo observamos, podemos distinguir dos grandes clases de sistemas:
Sistemas homogneos
Sistemas heterogneos
Un sistema formado por granos de hierro y granos de cal observados a simple vista, nos permite ver que las dos sustancias presentan propiedades diferentes. Entre las dos existen superficies que limitan las distintas porciones, que se denominan superficies de discontinuidad. Cuando sucede esto en un sistema, cuando hay diferentes sustancias separadas por superficies de discontinuidad, decimos que se trata de un sistema heterogneo.
Sistemas heterogneos
Son aquellos sistemas en los cuales existe ms de una sustancia y se observan superficies de discontinuidad que limitan partculas de diferentes propiedades. Cuando se trata de un sistema heterogneo en el que existen conjuntamente por lo menos dos sustancias distintas que conservan cada una de ellas sus propiedades y que pueden ser separadas por medios mecnicos o fsicos, constituyen lo que conocemos con el nombre de mezclas. Pueden haber mezclas de slidos entre s, de slidos con lquidos, de lquidos entre s, de lquidos con gases, de slidos con gases.
Sistemas homogneos
Son aquellos sistemas que tienen las mismas propiedades en todos sus puntos. Es decir son sistemas sin superficie de discontinuidad. Si el sistema est constituido por una sola sustancia, este sistema homogneo es una sustancia pura. Si est constituido por dos o ms, este sistema homogneo recibe el nombre de solucin. Para poder definir y diferenciar si un sistema homogneo es una sustancia pura o una solucin, se aplican mtodos de fraccionamiento. Todo sistema homogneo que se puede fraccionar es una solucin. Todo sistema homogneo que no se puede fraccionar es una sustancia pura.
Definicin de solucin
Es un sistema homogneo formado por dos o ms sustancias puras (lquida, slida o gaseosa).
Molculas de agua
Molculas de azcar
Solucin
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Soluto: Es la sustancia que se disuelve (o sea el azcar) y es la que se encuentra en menor proporcin.
Solvente: Es la sustancia que disuelve al soluto y se encuentra en mayor proporcin.
Ejemplos:
a.- Disolver: 10 cm3 de alcohol(soluto) en 90 cm3 de agua(solvente)
b.- Disolver: 10 cm3 de agua(soluto) en 90 cm3 de alcohol(solvente) Solucin diluida: Es aqulla que contiene solamente una pequea cantidad de soluto en relacin a la cantidad de disolventes. Ejemplo: solucin de NaCl al 5%
Solucin concentrada: Es aqulla que contiene una cantidad menor de soluto que la solucin saturada pero con valores prximos a ella.
Solucin saturada: Es aqulla que a una determinada temperatura, no admite ms soluto. Ejemplo: si a 100 gr de agua a T= 20 C y P= 760 mm, agregamos cloruro de sodio observamos que se disuelve hasta cierto punto pasado el cual se deposita en el fondo sin disolverse.
Solucin sobresaturada: Es aqulla que contiene mayor proporcin de soluto que la saturada a la misma temperatura.
Peso atmico absoluto: tomo es la menor porcin de materia capaz de combinarse. Al peso de cada tomo lo designamos como peso atmico. Si se pudiera separar cada tomo y pesarlo obtenemos el peso atmico absoluto. Esta magnitud es extremadamente pequea y su empleo en clculos produce muchos inconvenientes; por esta razn Berzelius y Hass, muchos aos despus, fueron lo que establecieron el peso atmico por comparacin, es decir, asignando al tomo de un elemento un valor arbitrario y relacionando el peso de los dems elementos con esa unidad. Es decir, que a la molcula de
2O se le otorg un valor de 32. Como es biatmica a cada tomo le
corresponde un valor de 16. De acuerdo con esto:
Peso atmico relativo: De un elemento es el nmero abstracto que expresa la relacin entre el peso de un tomo de ese elemento y la 1/16 del peso de un tomo de oxgeno. Ejemplo: el peso atmico del S= 32. Esto significa que el tomo de S pesa 32 veces ms que la 1/16 del tomo de 2O , pero sin que ello
implique una idea sobre el peso real del tomo de S.
tomo gramo: Se llama tomo gramo de un elemento al peso atmico relativo de ese elemento expresado en gramos.
Peso molecular absoluto: Al peso molecular absoluto se lo define como el peso de una molcula de una sustancia. Conociendo la frmula de una sustancia simple o compuesta, se calcula su peso molecular sumando los pesos atmicos de los tomos. Si bien se denomina peso molecular, es slo un nmero sin dimensiones, es decir, sin unidad que lo exprese.
Peso molecular relativo: Se lo define como la relacin entre el peso de la molcula de una sustancia y el peso de la molcula de otra sustancia tomada como referencia. (Se considera 1/32 del peso de la molcula de 2O )
-
18
Cmo se lo determina?
a). Se pesa un volumen determinado de gas, por ej. un litro, cuyo peso molecular (M) queremos determinar:
Peso 1 lt gas = peso 1 molcula gas x N de molculas que hay en 1 lt. de gas.
Peso 1 litro gas =
b). Se pesa un volumen igual de un gas tipo, por ej. el oxgeno:
Peso de 1 litro de 2O =
'' nM
c). Dividimos y miembro a miembro:
''
2OdelitroundePeso
gasdelitroundePeso
nM
nM
d). Existe un principio que dice que es igual el nmero de molculas que
hay en volmenes iguales de diferentes gases.
e). Para expresar pesos moleculares relativos se le asigna a uno de ellos un valor arbitrario; en la prctica al oxgeno se le asigna un valor
32'M , luego:
dondede32OdelitroundePeso
gasdelitroundePeso
2
M
2OdelitroundePeso
gasdelitroundePeso32M
Ej: Si un litro de 2O en condiciones normales pesa 1,429 grs y 1 litro de 2N
en condiciones normales pesa 1,251 grs, el peso molecular relativo del 2N
es:
grs
grsM
429.1
251.132 01.28M
O sea que el peso molecular relativo de una sustancia es 32 veces la relacin entre el peso de la sustancia y el peso de un volumen igual de 2O .
Dicho en otros trminos: El peso atmico y el peso molecular, relativo son nmeros que indican cuantas veces ms pesado es un tomo o una molcula que 1/16 partes de oxgeno o 1/32 partes de molcula de 2O .
M* N*
''
2OdelitroundePeso
gasdelitroundePeso
nM
nM
-
19
Molcula gramo o mol: Se denomina mol de una sustancia al peso molecular relativo de la misma expresado en gramos.
Ejemplo:
SUSTANCIA PESO
MOLECULAR
MOL
RELATIVO
Oxgeno 32 32 grs
Hidrgeno 2,016 2,016 grs
Agua 18,016 18,016 grs
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20
TEMA III - FUNCIONES QUMICAS
Concepto de funcin qumica. Breves nociones de funciones ms importantes de Qumica Inorgnica: xidos cidos - xidos bsicos - hidrxidos - cidos - hidruros sales: cidas, bsicas y neutras. Funciones de Qumica Orgnica. Funcin hidrocarburo. El tomo de carbono dentro de la molcula del hidrocarburo. Carbono primario, secundario, terciario, cuaternario. Grupos funcionales oxigenados: funcin, alcohol, aldehdo, cetona, cido. Funciones obtenidas por la combinacin de funciones oxigenadas: anhdrido, ter, ster. Funciones nitrogenadas: amina y anida, nitrilo. Funciones distintas en una misma molcula: hidroxicidos, aminocidos. Compuestos alicclicos, aromticos, heterocclicos.
Existen sustancias qumicas que tienen algunas caractersticas anlogas y que se agrupan para realizar ms fcilmente su estudio.
Adems tienen propiedades comunes que hace pensar que pueden considerarse como agrupacin de sustancias.
A estos grupos los designamos como funciones qumicas.
Funcin qumica: Es el conjunto de propiedades qumicas que corresponden a todo un grupo de sustancias.
Son funciones qumicas inorgnicas:
xidos cidos
xidos bsicos
hidrxidos
cidos
hidruros
sales xidos: Se dividen en:
a.- xidos cidos (o anhdridos)
b.- xidos bsicos (u xidos) xidos bsicos: Son los compuestos formados por la combinacin de un elemento metlico con el oxgeno.
Metal + 2O = xido bsico
xidos de metales monovalentes: Supongamos que el metal es el sodio (Na).
Sodio (Na) + 2O = xido de sodio
O = Sb
OH
OH
OH
O = As
OH
OH
OH
-
21
Cuando se escribe la frmula de un xido se debe tener en cuenta no slo que est formado por metal +
2O sino tambin considerar la valencia de ambos.
Como una de las valencias queda libre colocamos otro tomo de Na porque en todos los compuestos qumicos, las valencias deben estar saturadas.
La frmula global es:
Un mtodo que se emplea corrientemente para escribir las frmulas globales es intercambiar los nmeros que corresponden a sus valencias. Ejemplo: 12 ONa
xidos de metales bivalentes: En estos xidos el metal posee la misma valencia que el 02, por eso se combinan tomo a tomo.
En igual forma se obtienen las frmulas de todos los xidos de los elementos metlicos bivalentes: Zn, Mg, Cd, etc.
xidos de metales trivalentes: Como queda libre una valencia del aluminio, es decir, que tiene una valencia impar, se escribe otro tomo de aluminio y con un tomo de 2O como puente completamos la frmula desarrolladas.
Na O Na O
Na2O
22 OCa OCaCa O
Al
Al
O
O
O
32 OAl
Na
Na
O
-
22
xidos de metales pentavalentes: xidos de metales con valencia cuatro: Nomenclatura
a.- Metal que acta con una sola valencia: el xido se nombra con la palabra xido seguida del nombre del metal. O bien anteponiendo la palabra monxido al nombre del metal.
Ejemplo: ONa2 xido de sodio o monxido de sodio
b.- Metal que acta con dos valencias: el menos oxigenado se nombra con el nombre del metal terminado con el sufijo oso y el ms oxigenado con el sufijo ico.
Ejemplo: Fe (valencia 2 y 3) FeO xido ferroso ; 32OFe xido frrico
c.- Bixidos: cuando el xido est constituido por un tomo de metal y dos de oxgeno. Ejemplo: 2PbO bixido de plomo
d.- Perxidos: en la molcula del xido hay dos tomos de oxgeno y uno de metal, pero los dos tomos de oxgeno intercambia valencias entre s. Ejemplo:
e.- Sesquixidos: La molcula est constituida por dos tomos de metal y tres de oxgeno.
Ejemplo: 32 OAl sesquixido de aluminio
Sesqui es un sufijo que significa uno y medio o sea: el xido tiene por cada tomo de metal uno y medio tomo de oxgeno.
xidos cidos o anhdridos: Se llaman as a los compuestos que resultan de
combinar un no metal con el oxgeno. Ejemplos:
O
Bi O
O
Bi O
O
52 OBi
Sn
O
O
2OSn
H
H O
O
22OH perxido de hidrgeno
-
23
No metal monovalente =
OCl2
anhdrido hipocloroso o monxido de
cloro
No metal trivalente = 32 OP anhdrido fosforoso o trixido de fsforo
No metal tetravalente = 2CO anhdrido carbnico o dixido de
carbono
No metal pentavalente =
52ON
anhdrido ntrico o pentxido de
nitrgeno
No metal hexavalente = 3SO anhdrido sulfrico o trixido de azufre
No metal heptavalente =
72OCl
anhdrido perclrico
Nomenclatura:
a.- Si el no metal posee una sola valencia el compuesto se denomina anhdrido y a continuacin se coloca el nombre del no metal con el sufijo ico. Ejemplo: 2CO anhdrido carbnico o dixido de carbono
b.- Cuando el no metal posee dos valencias diferentes uno de los anhdridos (el menos oxigenado) se nombra haciendo terminar el nombre del no metal con el sufijo oso, el otro anhdrido (el ms oxigenado) se nombra haciendo terminar al no metal en el sufijo ico. Ejemplo:
32ON anhdrido nitroso (N con valencia 3) o trixido de
nitrgeno
52ON anhdrido ntrico (N valencia 5) o pentxido de nitrgeno
c.- Cuando el no metal posee cuatro valencias diferentes, por ejemplo el cloro (1-3-5-7) sus anhdridos se nombran segn se indica en los ejemplos.
1: OCl2 anhdrido hipocloroso (o monxido de cloro)
3: 32OCl anhdrido cloroso (o trixido de cloro)
5: 52OCl anhdrido clrico (o pentxido de cloro)
7: 72OCl anhdrido perclrico (o heptxido de cloro)
-
24
Ajuste de ecuaciones qumicas: Se indicar el procedimiento a seguir para
alcanzar el equilibrio de las ecuaciones, es decir, lograr que los tomos del primer miembro de la ecuacin se hallen en el segundo en igual nmero.
1.- Se escriben los elementos que forman el xido en el primer miembro y la frmula correcta del xido en el segundo miembro.
h
2.- Se igualan el nmero de tomos del primero al segundo miembro.
3.- Se le d la notacin molecular, recordando que la molcula de oxgeno es biatmica (
2O ) y la de sodio, monoatmica (Na).
Al colocar 2O en lugar de O duplicamos el nmero de tomos de oxge-
no por lo tanto debemos duplicar el nmero de tomos de Na y de ONa2.
Otros ejemplos:
Divalentes:
OCaOCaII 2
OCaOCa 22 2
OMgOMgII 2
OMgOMg 22 2
Trivalentes:
322
322
322
234
32
OAlOAl
OAlOAl
OAlOAlIII
Heptavalentes:
722
722
722
274
72
OClOCl
OClOCl
OClOCl
Reacciones de los xidos con el agua: Los xidos cidos y los xidos
bsicos reaccionan con el agua. Los xidos al reaccionar con el agua dan cidos oxigenados o simplemente cidos. Los xidos bsicos al reaccionar con el agua dan hidrxidos o bases.
xidoelformanqueelementos
ONa
xidodelcorrecta frmula
2 ONa
ONa2 ONa2
24 ONa ONa22
-
25
A. cidos: Los cidos se dividen en dos grupos:
a.- Hidrcidos: resultan de la combinacin entre el hidrgeno y un no metal con su menor valencia. Se forma entre la unin del hidrgeno con el grupo VII y el azufre, es decir, que en la molcula de los hidrcidos no hay tomos de oxgeno. Se nombran con la palabra cido seguida por la palabra que se obtiene aadiendo al nombre del no metal el sufijo hdrico. Ejemplos:
Oxcidos: resultan de la combinacin de un xido cido o anhdrido con agua. Oxido cido + agua = oxcido. Poseen en su molcula uno o ms tomos de oxgeno. El elemento que siempre est presente en la molcula de los cidos es el hidrgeno. Veremos algunos casos posibles:
Los oxcidos se nombran con la palabra cido seguida por la misma palabra que designa al anhdrido que lo gener.
HCl = cido clorhdrico
HF = cido fluorhdrico
SH 2 = cido sulfhdrico
carbnicocido
carbnicoanhdrido
3222 COHOHCO
sulfricocido
sulfricoanhdrido
4223 SOHOHSO
sulfurosocido
sulfurosoanhdrido
3222 SOHOHSO
cloroso
cido
2
clorosoanhdrido
2232 HClOOHOCl
ohipocloros
cido
2
ohipoclorosanhdrido
22 HClOOHOCl
perclrico
cido
2
perclricoanhdrido
4272 HClOOHOCl
clrico
cido
2
clricoanhdrido
3252 HClOOHOCl
ntrico
cido
2
ntricoanhdrido
3252 HNOOHON
nitroso
cido
2
nitrosoanhdrido
2232 HNOOHON
-
26
Frmula desarrollada de los oxcidos
Para interpretar estas frmulas explicaremos que se entiende por radical.
En qumica se llama radical a un tomo o grupos de tomos que no se halla libre, y que al unirse a algn elemento le confiere propiedades caractersticas de ese radical.
Los radicales son tan estables que intervienen sin alterarse en muchas reacciones. Si a la molcula del agua se le quita un tomo de hidrgeno queda un radical llamado oxhidrilo con una valencia no saturada que se lo representa como OH.
Vamos a desarrollar la frmula del cido nitroso ( 2HNO ). Pero antes debemos
decir que: En todo cido inorgnico hay tantos radicales oxidrilos como tomos de hidrgeno tenga la molcula del cido". En el caso del cido nitroso hay un tomo de hidrgeno, por consiguiente, hay un radical oxidrilo.
O N OH (el N2 acta con valencia 3) En forma similar se procede con el cido ntrico.
N OH (el N2 acta con valencia 5)HNO 3
O
O
Otros ejemplos:
H2SO3
OH
S
O
HO
cido sulfuroso
H2SO4S OHHO
O
O
cido sulfrico
O
H
H
Agua
O
H
radical oxidrilo
-
27
H2CO3
O
C OHHO
cido carbnico
HClO Cl OH cido hipocloroso
HClO2 Cl OHO cido cloroso
HClO 3 Cl OH
O
O
cido clrico
HClO 4 Cl OH
O
O
O
cido perclrico
RADICALES
bisulfito-HSO
sulfito-SO
bisulfato-HSO
sulfatoSO
fosfatoPO
carbonatoCO
obicarbonat-HCO
nitrito-NO
nitrato-NO
amonioNH
perxidoO
oxidrilo
3
3
4
4
4
3
3
2
3
4
2
OH
B. Hidrxidos/Bases:
Oxido bsico + agua hidrxido o base
En la frmula de hidrxido debemos recordar que hay tantos radicales oxidrilos como valencia tenga el metal
-
28
Ejemplo:
emonovalent
espotasioel
)potasiodehidrxido(OHK
Nomenclatura: El nombre de los hidrxidos es igual al del xido que lo origina.
Na2O (xido de sodio) NaOH (hidrxido de sodio)
Fe O (xido ferroso) Fe (OH) 2 (hidrxido ferroso)
Resumiendo lo tratado se obtiene:
Sales a.- Sales de hidrcidos:
1.- Se designan cambiando la terminacin hdrico del cido por uro y
aadiendo luego el nombre del metal.
(anhdrido)
No Metal +
Oxgeno
xido cido
+
Agua
xido bsico
+
Agua
cido
SAL + H2O
Metal +
Oxgeno
xido bsico
Hidrxido + cido sal + agua
oclorhdriccido
OHNaHCl sodiodecloruro
2OHClNa
-
29
2.- Al reaccionar un cido con una base el metal de la base reemplaza a los hidrgenos del cido.
b.- Sales de los oxcidos:
1.- Las sales que provienen de cidos terminados en oso cambian este
sufijo por ito; y las que provienen de cidos terminados en ico cambian este sufijo por ato.
2.-
cido carbonico carbonato de magnesio
3.-
cidos poliprtico
Se emplea esta expresin y tambin la de cidos policidos para designar aquellos cidos que pueden reemplazar ms de un tomo de hidrgeno por tomos de metal cuando forman sales. El cido sulfrico, por ejemplo, es un cido diprtico pues es capaz de separar dos tomos de hidrgeno para sustituirlos por tomos de metal.
H2SO4
O
O
HO S OH
O
O
S O---HOH---
El cido fosfrico es un cido triprtico pues es capaz de separar tres tomos de hidrgeno.
calciodehidrxido
oclorhdriccido
2 2OHCaHCl calciodecloruro
2 22 OHClCa
3)(3 OHAlClH OHClAl 23 3
potasio de nitrito
22 OHKNO
nitrosocido
2 OHKHNO
232 )(OHMgCOH OHMgCO 23 2
sulfricocido
)(23 342 OHAlSOH aluminiodesulfato
6)( 2342 OHSOAl
ohipocloroscido
OHCaOClH 2)(2 calciodeohipoclorit
OHClOCa 22 2
-
30
H3PO 4 O = P
OH
OH
OH
O = P
O
O
O
H
H
H En cambio el cido ntrico es un cido monoprtico pues posee un solo tomo de hidrgeno reemplazable.
HNO 3 N
O
O
OH N
O
O
O H
Sales cidas, Bsicas Y Neutras
Las sales que hasta ahora hemos visto se llaman neutras. En estos casos todos los tomos de hidrgeno del cido han sido reemplazados por tomos del metal de la base. En ciertos casos la reaccin puede ser parcial y entonces quedan tomos de hidrgeno del cido sin reemplazar.
1.- Reaccin de un policido o cido poliprtico (varios tomos de H sustituidos por tomos de metal) con una base monocida (un solo OH).
a.- La reaccin puede ser total:
sodiodeneutrosulfato
22 24242 OHSONaOHNaSOH
En este caso los H del cido fueron todos sustituidos por tomos de metal. La sal es neutra.
b.- Pero la reaccin puede ser parcial:
potasiodebisulfatoocidosulfato
2442 OHKHSOOHKSOH
En este caso el cido diprtico (dos tomos de H sustitubles) conserva tomos de H. La sal es cida.
2.- Reaccin de un cido monoprtico (un slo tomo de H) con una base policida (varios oxidrilos).
OHClMgOHMgHCl 222 2)(2
-
31
En este caso la reaccin es total y la sal es neutra. Pero la reaccin puede ser parcial.
magnesiodebsicocloruro
)( 22 OHClOHMgOHMgHCl
La sal obtenida es bsica.
Otros ejemplos:
Bi
OH
OH
NO 3
nitrato bsico de bismuto
Fe
Cl
OH
OH
cloruro bsico de hierro
-
32
FUNCIONES DE QUIMICA ORGANICA La qumica orgnica es la parte de la qumica que estudia los compuestos del carbono. Para conocer la estructura de dichos compuestos es necesario conocer su frmula desarrollada. Esto se fundamenta en propiedades caractersticas del elemento carbono:
El tomo del carbono es tetravalente.
Sus cuatro valencias son iguales.
Los tomos de carbono se unen formando cadenas.
Analizando cada uno de estos puntos sabemos:
El tomo de carbono es tetravalente, es decir posee cuatro electrones de valencia que se hallan orientados hacia los vrtices de un tetraedro cuyo centro lo ocupa el tomo de carbono.
Estos cuatro electrones pueden formar cuatro enlaces covalentes con otros tantos tomos de hidrgeno constituyendo la frmula espacial tridimensional de un compuesto llamado metano.
Las cuatro valencias del carbono se hallan formando entre s ngulos de 109 28' y adems, equidistan una de la otra. La proyeccin sobre un plano de la frmula tetradrica, determina una frmula as: Los guiones representan uniones covalentes entre el tomo de carbono y los tomos de hidrgeno.
Las cuatro valencias del carbono son iguales: si en una molcula de metano se reemplaza cualquiera de los tomos de hidrgeno por un tomo diferente, se obtiene siempre el mismo producto.
C
H
H
HH + Cl 2 C
H
H
ClH
C
H
H
HCl C
Cl
H
HH C
H
Cl
HH
C
H
H H
H
Frmula
electrnica
C
H
H
HH
Frmula
estructural
CH4 Metano
Frmula
molecular
-
33
El tomo de cloro se ubica en lugar de cualquiera de los tomos de hidrgeno y se obtiene un solo derivado monosustitudo. Esto indica que las cuatro valencias del carbono son iguales. Los tomos de carbono se unen formando cadenas: al unirse los tomos de carbono entre s formando cadenas, constituyen el "esqueleto carbonado" de las molculas de la inmensa variedad de compuestos orgnicos. El "esqueleto carbonado de una molcula orgnica constituye su funcin soporte. Las uniones entre los tomos de carbono se pueden realizar de varias formas diferentes.
a. Por intermedio de una sola ligadura: Estas uniones pueden dar lugar a cadenas lineales o ramificadas.
En estas cadenas el tomo de carbono se denomina primario; cuando intercambia una ligadura con otro tomo de carbono; se denomina secundario cuando intercambia dos ligaduras con otros dos tomos de carbono; terciario cuando intercambia tres ligaduras con otros tres tomos de carbono y cuaternario cuando intercambia cuatro.
C
C
C
C
C
C
C
Lineal Ramificada
C
C
C
C
C
C
CC
C
C
CC
C
primario
secundario
primario
carbono terciario
carbono cuaternario
-
34
b. Por medio de dos ligaduras o doble ligadura:
C
C
C
C
C
c. Por medio de tres ligaduras o triple ligadura:
C
C
C
C
C
d. Formando cadenas cerradas o ciclos:
Las cadenas carbonadas representadas anteriormente se denominan abiertas o acclicas. Pero las cadenas de carbono pueden cerrarse constituyendo anillos, ciclos o cadenas cerradas. Ejemplos:
CC
C CC
C C
C
C
C
C
C
C
Como se observa, en los ciclos, pueden existir tambin simples o dobles ligaduras.
-
35
Funciones de la qumica del carbono
Si, observamos la frmula de las siguientes sustancias: Podemos ver una semejanza en su estructura sealada con un recuadro. Estudiando, sus propiedades fsicas y qumicas se encuentran analoga en las mismas. A estos grupos de sustancias que teniendo analoga en la estructura molecular presentan semejanza en sus propiedades, las designamos con el nombre de funcin qumica. Grupo funcional: es un tomo o grupo de tomos que al hallarse presente en
la molcula de una sustancia le confiere a las mismas propiedades ca-ractersticas. Estudio de las funciones:
Funcin hidrocarburo
Si en las cadenas carbonadas se ocupan las valencias libres de los tomos de carbono con tomos de hidrgeno obtenemos los hidrocarburos.
"Hidrocarburos son sustancias cuya molcula est constituida, solamente por tomos de carbono y de hidrgeno. Los hidrocarburos se clasifican en dos grandes grupos:
I. Hidrocarburos de cadena abierta o acclicos o alifticos: se llaman as a todos los hidrocarburos de cadena abierta. Se dividen en:
a.- Hidrocarburos saturados o alcanos: Los saturados o alcanos o parafinas, son aquellos hidrocarburos de cadena abierta cuyos tomos de carbono estn unidos entre s por ligaduras simples.
CH4 metano C2H6 etano
1.- El nombre de los alcanos termina en ano;
2.- Los cuatro primeros tienen nombres particulares: metano, etano, propano y butano.
3.- Del quinto en adelante se nombran con el prefijo que indica el nmero de carbonos y luego el sufijo ano: pentano, hexano, etc.
4.- Luego se nombran indicando el nmero de carbonos: hidrocarburo saturado de 24 carbonos, etc.
H
OHCH 2
metanol
3CH
2CH
|
OHCH 2
propanol
3CH
OHCH 2
etanol
-
36
Frmula general de los hidrocarburos saturados
22nn HC
n = nmero de tomos de carbono de la cadena
etano2 622222 HCHCn
Los hidrocarburos no saturados acclicos son aquellos donde, por lo menos, dos tomos de carbono se unen entre s por doble o por triple ligadura. Segn tengan tomos de carbono unidos por doble o triple ligadura se clasifican en:
1.- etilnicos, olefnicos o alquenos;
2.- acetilnicos o alquinos.
Los primeros son aquellos hidrocarburos no saturados donde dos tomos de carbono se unen entre s por dos ligaduras.
H2C CH2
eteno
CH3 CH CH2
propeno
CH3 CH2 CH CH2
buteno En la nomenclatura cambian el prefijo ano de los alcanos por el sufijo eno. As, de:
etano eteno
propano propeno
butano buteno
pentano penteno
Los segundos, o sea los acetilnicos o alquinos, son aquellos en los que dos tomos de carbono se hallan unidos por triple ligadura.
CH CH
etino
CH3 C CH
propino
CH3 CH2 C CH
butino Para nombrarlos se cambia el sufijo ano o eno de los hidrocarburos anteriores por el sufijo ino. As:
Alcanos Alquenos Alquinos
etano eteno etino
propano propeno propino
butano buteno butino
pentano penteno pentino
hexano hexeno hexino
-
37
II. Hidrocarburos cclicos
Se llaman as a todos los hidrocarburos donde los tomos de carbono en la molcula, se hallan formando un ciclo o anillo.
CH2
CH2 CH2
CH2
CH2 CH2
CH2
ciclo propano ciclo butano
Se dividen a su vez en:
a. isocclicos: Los hidrocarburos isocclicos son aquellos en los que los nudos del ciclo se hallan slo ocupados por tomos de carbono. Ej. ciclo propano.
b. heterocclicos: Los hidrocarburos heterocclicos son aquellos en los que los nudos del ciclo se hallan ocupados por tomos de carbono y por tomos de otros elementos. Ej. furano
Esta clasificacin depende de que los nudos de los anillos se hallen, ocupados solamente por tomos de carbono o por tomos de otros elementos.
CH2
CH2 CH2
ciclo propano
(isocclico)
CH CH
CHCH
O
furano
(heterocclico) Los hidrocarburos isocclicos a su vez se dividen en:
a. Hidrocarburos ciclnicos o alicclicos: son aquellos hidrocarburos cclicos en los cuales los tomos de carbono estn unidos entre s por una sola ligadura. Ej. ciclo propano, ciclo butano.
b. Hidrocarburos bencnicos o aromticos: son aquellos hidrocarburos isocclicos donde entre los tomos de carbono se intercambian ms de una valencia. El tipo de estos hidrocarburos es el benceno. Ejemplo:
CH
CH
CCH
CHC
H
H
-
38
Resumiendo:
Ejemplo:
Hidrocarburos acclicos o alifticos
(cadena abierta)
Saturados Serie alclica (simple ligadura)
Sustancia tipo:
metano 4CH
(ano)
No Saturados
Serie etilnica
(doble ligadura)
Sustancia tipo:
etileno HC CH
(eno)
Serie acetilnica (triple ligadura)
Sustancia tipo:
acetileno CH CH
o etino (ino)
Hidrocarburos cclicos
(cadena cerrada)
Isocclicos (nudos ocupados por tomos de C)
Ciclnicos o alicclicos
(simple ligadura)
CH2
CH2CH2ciclo propano
Bencnicos (doble ligadura)
CH
CH
CCH
CHC
H
H benceno
Heterocclicos (nudos ocupados por tomos de C y otros elementos)
CH CH
CHCH
O
furano
CH CH
CHCH
NH
pirrol CH2
CH CH
CH CH
O
pirano
-
39
- Funciones oxigenadas: estas funciones se consideran como derivadas de
los hidrocarburos en cuya molcula se ha sustituido uno o ms tomos o grupos de tomos con oxgeno.
- Funcin Alcohol: Si en la frmula de un hidrocarburo saturado sustituimos
un tomo de hidrgeno de un carbono primario por un grupo oxidrilo obtenemos la frmula de un alcohol primario.
C H
H
H
C
H
H
H
etano
C H
H
H
C
H
H
OH
etanol
CH3
CH2 OH
El grupo funcional alcohol primario es:
Nomenclatura: para nombrar a los alcoholes se sigue las mismas reglas que para los alcanos respectivos, pero la terminacin es ol.
etano etanol
propano propanol
butano butanol
pentano pentanol
Alcoholes secundarios: su frmula se obtiene reemplazando un hidrgeno de un carbono secundario por un radical oxidrilo.
CH
H
C
H
H
H
C
H
H
H
propano
CH
C
H
H
H
C
H
H
H
OH
propanol
secundario
CH3
CH
CH3
OH
El grupo funcional alcohol secundario es: Se nombran como los alcoholes primarios, agregando un nmero que indica la posicin del grupo funcional alcohol. Ej. propanol secundario o propanol - 2.
CH OH
CH2 OH
-
40
Si hay dos o ms grupos funcionales alcohol se designan como dialcoholes, trialcoholes y en general polialcoholes, indicando la posicin del grupo oxidrilo en la molcula.
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
1-2-3 propanotriol
CH2
CH
CH3
OH
OH
1-2 propanodiol Recordar
CH2 OH
grupo funcional
CH OH
alcohol primario
grupo funcional
alcohol secundario
- Funcin aldehdo: si reemplazamos dos tomos de hidrgeno ubicados sobre el mismo carbono primario de un hidrocarburo por un oxgeno.
CH
H
C
H
H
H
C
H
H
H
CH
H
C
H
C
H
H
H
OH
O H
obtenemos
por prdidade agua
CH
H
C
H
C
H
H
H
O
aldehdo
Si se oxida a la molcula de un alcohol primario y se le quita una molcula de agua, se obtiene un aldehdo.
CH3
C
H
OH
O Hobtenemos
por prdidade agua
C
CH3
H
H
OH
+ [O]
C
CH3
H
O
El grupo funcional aldehdo es:
C
H
OR
-
41
Ejemplos:
C
H
H
O
metanal
C
H
OCH3
etanal CH
O
CH2
CH3
propanalC
H
O
CH2
CH2
CH3
butanal
Nomenclatura: se nombran cambiando el sufijo ol del alcohol por el sufijo al.
- Funcin cetona: si reemplazamos los dos tomos de hidrgeno de carbono
secundario de un hidrocarburo por dos grupos oxidrilos se forma un compuesto inestable que por prdida de agua origina una cetona.
CH3
CH
H
C
H
H
H
obtenemos
por prdidade agua
+ 2 OH OH
CH3
C
C
H
H
H
O H
C
CH3
CH3
O
Si oxidamos un alcohol secundario y le quitamos una molcula de agua, obtenemos una cetona.
CH3
CH
OH
CH3
obtenemos
por prdidade agua
+ O
OH
CH3
C
CH3
O HC
CH3
CH3
O
propanol -2 propanona
El grupo funcional es:
Este grupo se denomina carbonilo
C O
-
42
Ejemplos:
C
CH3
CH3
O
propanona
C
CH3
CH2
O
CH3
butanona
CH2
CH3
CH2
C
CH3
O
pentanona 2
CH2
CH3
C
CH2
CH3
O
pentanona 3
Nomenclatura: se cambia el sufijo ol del alcohol por el sufijo ona, aadiendo un nmero si es necesario.
Recordar:
C
H
O
(al) C O ona
grupo funcional aldehdo(en un carbono primario)
grupo funcional cetona(en un carbono secundario)
- Funcin cido: si reemplazamos los 3 hidrgenos unidos a un carbono
primario de un hidrocarburo por radicales oxidrilos, se forma un compuesto inestable que pierde agua.
CH3
CH2
C
H
H
H
propano
CH3
CH2
C
O H
O H
O H
- H2O
CH3
CH2
C OH
O
cidopropanoico
Si se oxida un aldehdo se obtiene un cido orgnico.
C
H
H
O+ [O]
C
H
OH
O
metanal metanoico
-
43
El grupo funcional cido es:
C
H
O
CO.OH
este grupo se denomina carboxilo
Ejemplos:
C
H
OH
O
metanoico
C
OH
O
CH3
etanoico C
OH
O
CH2
CH3
propanoico C
OH
O
CH2
CH2
CH3
butanoico
Nomenclatura:
Se cambia la terminacin al del aldehdo respectivo por el sufijo oico. Recordar:
a. El grupo funcional alcohol puede ubicarse en un carbono primario. secundario, terciario o cuaternario
b. El grupo cetnico slo va ubicado en un carbono secundario, mientras que los grupos aldehdos y cidos van ubicados, solamente en un tomo de carbono primario.
En tomo de carbono primario
CH2OH
alcohol primario
CO.H
aldehido
COOH
cido
En tomo de carbono secundario
CH.OH
alcohol secundario
CO
cetona
-
44
- Funcin sal: Las sales orgnicas al igual que las inorgnicas, se pueden
obtener combinando un cido orgnico con un hidrxido.
C
H
O H
O + Na OH - H2OC
H
ONa
O + H2O
El hidrgeno del carboxilo del cido se reemplaza por el tomo de metal de la base.
Nomenclatura: Se nombran cambiando la terminacin ico del cido por ato, seguido por el nombre del metal. Radicales: Radical es un tomo o grupo de tomos que no existe en estado
libre y que pasa sin modificarse de una reaccin a otra, confirindole a los compuestos en los que se halla propiedades caractersticas. En las molculas orgnicas los radicales ms usuales son: a) Radicales alqulicos: resultan de quitar un tomo de hidrgeno a la
molcula de un hidrocarburo saturado, quedando. una valencia libre. Ejemplos:
CH4
metano
CH3
metilo
CH3
CH3
etano
CH3
CH2
etilo
Nomenclatura: Se nombran cambiando el sufijo ano del alcano por el sufijo ilo.
Frmula general: 12nn HC
b) Radicales cidos: Resultan de suprimir en la molcula de un cido el H.
C
H
OH
O
cido metanoico
C
H
O
O
radical metanoico
Nomenclatura: se designa con el nombre del cido cambiando de sufijo oico por ilo.
-
45
FUNCIONES OBTENIDAS POR COMBINACIN DE FUNCIONES
OXIGENADAS
1.- Funcin ter: Se obtienen por combinacin de dos molculas de alcohol
con prdida de una molcula de agua.
CH2
H
O H
CH2
H
O H
OH2 +
CH2
H
CH2
H
O metano-oxi-metano
O sea que el tomo de oxgeno est unido a dos radicales alquilos. En general su frmula ser:
Si los radicales alqulicos son iguales, el ter se llama simple; si son diferentes el ter se llama mixto. Ejemplos:
CH3 O CH3 CH3 O C2H5
ter metlico ometano-oxi-metano
metano-oxi-etano
Nomenclatura: Se designan con el nombre de los hidrocarburos de donde provienen los alcoholes con la palabra oxi al medio. Si es un ter mixto se designa primero el hidrocarburo de menor nmero de carbonos. Ej.: metano-oxi-etano.
2.- Funcin anhdrido: Resultan de la combinacin de dos cidos con prdida
de una molcula de agua.
CO.O H
CH3
CO.O H
CH3
OH2- C
CH3
C
CH3
O
O
O
cido etanoico
anhdrido etanoico Nomenclatura: Se nombran anteponiendo la palabra anhdrido al nombre del
cido que lo origin. Si los cidos son diferentes se nombra poniendo primero el de menor nmero de carbonos sin la terminacin oico. Ejemplo: anhdrido metan etanoico
R O - R
-
46
3.- Funcin ster: Resultan de la combinacin de una molcula de cido con
una molcula de alcohol con prdida de una molcula de agua.
CH3
CO.O H
+
CH3
CH2
CH2 OH
- H2O
CH2
CH2
CH3
CH3
C
O
O
cido etanoico etanoato de propilo
Los steres tambin pueden resultar de la combinacin de un cido inorgnico con un alcohol.
H Cl +
CH3
CH2 OH
OH2 +
CH3
CH2 Cl
cloruro de etilo
Nomenclatura: Se denominan como las sales orgnicas, cambiando la terminacin ico del cido por el sufijo ato y aadiendo luego el nombre del radical alqulico. Si proviene de un hidrcido se nombra como las sales de los mismos con la terminacin uro seguida por el nombre del radical alqulico.
Funciones nitrogenadas
1.- Funcin amina: resulta de la combinacin de una molcula de amonaco
con una de alcohol, con prdida de agua.
N
H
H
H
+
CH3
CH2 OH
amonaco
OH2 +
CH3
CH2 NH2
N
H
H
C2H5
etanol etilamina
Estas aminas se denominan primarias.
-
47
N CH2 CH3
H
CH2 CH3
N CH2 CH3
CH2 CH3
CH2 CH3
amina secundaria amina terciaria Nomenclatura: Se nombran anteponiendo a la palabra amina el nombre del radical alqulico.
2.- Funcin amida: Resultan de la combinacin de una molcula de amonaco
con una de cido con prdida de agua.
N
H
H
H
+
C
CH3
OH
OOH2 +
C
CH3
NH2
O etanamida
Tambin se puede escribir:
Nomenclatura: Se nombran aadiendo al nombre del hidrocarburo de donde proviene el cido sin la ltima letra, la palabra amida.
3.- Nitrilos: Provienen de la deshidratacin de las amidas.
C
CH3
O
N H 2
C
CH3
N
etanamida
etano nitrilo
O bien se forman por el reemplazo de tres hidrgenos de un carbono del hidrocarburo por un tomo de nitrgeno.
C
C
H
H
H
H
H
H
CH3
C N
N
H
H
CO CH3
como si un tomo de hidrgeno del amonaco fuera reemplazado por radical cido.
-
48
El grupo funcional nitrilo es:
Nomenclatura: llevan el nombre del alcano de donde provienen, seguido
por la palabra nitrilo. Funciones distintas en una misma molcula
En qumica orgnica hay sustancias que en su molcula pueden tener funciones qumicas diferentes. Ejemplos:
CH2
C
O
H
OH
CH3
CH
CO
OH
OH
CH3
C
CO OH
O
etanol-alpropanol-2-oico propanoico-ona
Nomenclatura:
a.- Se nombra en primer lugar el alcano originario. Ej. etano-propano, etc.
b.- Luego se aade las terminaciones de cada grupo funcional en este orden: alcohol, aldehdo, cetona y cido
c.- En caso de duda sobre la ubicacin de una funcin se indica sta con un nmero que seala el tomo de carbono respectivo.
C N
-
49
TEMA IV: ISOMERIA
Definicin de isomera. Clasificacin de las sustancias ismeras. Isomera plana. Estereoisomera. tomo de carbono asimtrico. Estereoisomera ptica. Estereoisomera geomtrica.
Las frmulas moleculares estudiadas en Qumica Inorgnica caracterizan a una sustancia. As por ejemplo:
OH 2 (agua) 3HNO (cido ntrico)
42SOH (cido sulfrico) NaOH (Hidrxido de sodio)
Sin embargo en los compuestos orgnicos se encuentran con frecuencia sustancias distintas que tienen la misma frmula global pero propiedades distintas, por ejemplo:
1.- 284 OHC (frmula global)
Frmulas desarrolladas: CH3
CH2
CH2
COOH
CH3
CH2
C
CH2OH
O
cido butanoico butanol 1-ona 2
2.- OHC 63 (frmula global)
Frmulas desarrolladas: CH3
CH2
CH
O
CH3
C
CH3
O
propanal propanona La palabra ismero deriva del griego: isos = igual; meros = partes; quiere decir que las partes de las molculas son las mismas; pero la distribucin de los tomos en la molculas es la que cambia. Ismeros: Son todos aquellos compuestos que teniendo igual frmula global
pueden diferir en sus propiedades fsicas y qumicas. Propiedades fsicas: Punto de fusin, ebullicin, densidad, etc.
-
50
Propiedades qumicas: Reactividad hacia otras sustancias. En algunos casos
es necesario que la molcula de cada ismero se represente en forma espacial para poder explicar el fenmeno. En otros casos es suficiente la representacin de los ismeros en el plano. Por estas razones dividimos a la isomera en:
a) Isomera plana: la isomera plana puede ser de posicin y de compensacin
- La isomera de posicin: los ismeros de posicin son compuestos que poseen igual frmula molecular e igual grupo funcional pero ubicado en distinta posicin. Por ejemplo:
1.- 104OHC
CH3
C
CH3
OH3CH3
CH3
CH2
CH2
CH2OH
CH3
CH2
CH
CH3
OH
metil-propanol-2butanol butanol-2
2.- 125HC
CH2
CH2
CH3
CH2
CH3CH3
C
CH3
CH3CH3
pentano
tetrametil metanoo
dimetil propano
- La isomera de compensacin: los ismeros de compensacin son
aquellos compuestos que tienen igual frmula global pero poseen grupos funcionales distintos. Por ejemplo:
1.-
OHC 63
CH3
CH2
CH
O
CH3
C
CH3
O
propanal propanona
-
51
H
H
H
H
2.- 263 OHC
CH3
CH2
CO OH
cido propanoico etanoato de Metilo
CH3
CH3
COO
OHC 104
CH3-COO-CH2-CH3
CH3
CH2
CH2
CH2OH
CH3
CH2
O
CH2
CH3
butanol-1 etano oxi-etano
b. Isomera espacial o estereoisomera: Se ocupa de la ubicacin en el espacio de los tomos que forman una molcula.
Estereoismeros son aquellos compuestos cuyas propiedades dependen fundamentalmente de la posicin de los tomos o grupos atmicos diferentes en el espacio.
Se basa en la teora del tomo de carbono asimtrico y en la teora tetradrica del tomo de carbono. La estereoisomera puede ser:
- ptica
- geomtrica Teora tetradrica del tomo de carbono: En el ao 1874 Le Bell y Van Hoff
establecieron esta teora. En ella se explica que el tomo de carbono est relacionado con sus cuatro valencias en la misma forma que si estuvieran ubicados en el centro de un tetraedro y sus valencias dirigidas a cada uno de sus vrtices; de esa forma las valencias formarn ngulos iguales. Ej. De acuerdo a esta teora el metano CH4 se representa as:
-
52
De acuerdo a esta teora la representacin del etano es:
Teora del tomo de carbono asimtrico: Cuando las cuatro valencias del tomo de carbono se hallan ocuparlas por tomos o grupos atmicos diferentes, el tetraedro se hace asimtrico. Ej.
El tomo de carbono cuyas cuatro valencias se hallan ocupadas por tomos o grupos atmicos diferentes entre s se llama carbono asimtrico. Ej.:
CH3
CH.OH
CO.OH
1
El tomo de carbono asimtrico est marcado con el nmero 1. En el espacio se lo representa as:
HO
3CH
H
COOH
-
53
Presenta dos frmulas moleculares espaciales.
Una es la imagen especular de la otra. Toda sustancia que en su molcula posee un tomo de carbono asimtrico, tiene accin sobre el plano de vibracin de la luz polarizada. Puede desviar el plano de vibracin hacia la derecha o hacia la izquierda. Cuando lo desva hacia la derecha, la sustancia se denomina dextrgira y cuando lo hace hacia la izquierda, levgira. A las sustancias que ejercen accin sobre el plano de vibracin a la luz polarizada se los llama pticamente activos. Estereoisomera ptica: Dos sustancias son estereoismeros pticos cuando
tienen propiedades fsicas y qumicas semejantes pero presentan diferentes acciones sobre el plano de vibracin de la luz polarizada. Ya vimos el cido lctico o propanol 2-oico, tiene dos ismeros espaciales: uno que desva el plano de vibracin de la luz polarizada hacia la derecha (forma destrgira) y el otro que lo desva hacia la izquierda (levgira). Esto es posible por la presencia de un tomo de carbono asimtrico en la molcula.
La forma I y II son imgenes especulares. El uso del tetraedro no es prctico y se emplean proyecciones sobre el papel. As se representa el cido lctico.
C
CH3
H OH
COOH
C
CH3
COOH
HOH
-
54
Estereoisomera geomtrica: La presentan sustancias que siendo inactivas al plano de vibracin de la luz polarizada, presentan diferentes propiedades fsicas. Ej.
COOH
CH
CH
COOH
cido butenodioico
C
C CH3
CH3H
H
forma cis ( I)
CH
CH
COOH
HOOC
forma trans ( II) En el caso I, en la forma cis, los dos tomos de hidrgeno se encuentran a la derecha del plano determinado por los tomos de carbono. En el caso II en la forma trans, los tomos de hidrgeno se encuentran a ambos lados del plano antes mencionado.
-
55
TEMA V. AGUA
Propiedades fsicas y estructura del agua. Enlace de hidrgeno. Propiedades disolventes del agua. Interacciones hidrofbicas. Efecto de los solutos sobre la estructura del agua. Ionizacin del agua. Electrolitos fuertes y dbiles. Producto inico del agua. Concepto de pH. cidos y bases. Tampones. Indicadores.
AGUA
El agua es considerada con frecuencia, un lquido inerte, meramente destinado a llenar espacios en los organismos vivos. Pero, en realidad el agua es una sustancia de gran reaccionabilidad, con propiedades poco frecuentes, que la diferencian mucho, tanto fsica como qumicamente, de la mayora de los lquidos corrientes. Las primeras clulas que surgieron en el mar primitivo tuvieron que aprender a hacer frente a las propiedades singulares del agua, y al fin los organismos vivos desarrollaron mtodos para la explotacin de ests propiedades. Sabemos ahora que el agua y los productos de su ionizacin, los iones hidrgeno e hidrxilo, son factores importantes en la determinacin de la estructura y las propiedades biolgicas de las protenas, de los cidos nucleicos, de los lpidos, de las membranas y de otros componentes celulares. Propiedades fsicas y estructura del agua: Cuando se compara con otros lquidos corrientes, el agua posee elevadas propiedades fsicas: punto de fusin, punto de ebullicin, calor especfico, calor de fusin y tensin superficial. Estas propiedades indican que en el agua, las fuerzas de atraccin entre sus molculas, son relativamente elevadas. Por ejemplo, en la tabla, vemos que el calor de vaporizacin del agua es considerablemente mayor que el de cualquier otro lquido anotado en la lista. Calores de vaporizacin de algunos lquidos:
)gm(calAH 1vap.
Agua 540
Metanol 263
Etanol 204
n-propanol 164
Acetona 125
Benceno 94
Cloroformo 59
El calor de vaporizacin es una medida directa de la cantidad de energa necesaria para superar las fuerzas de atraccin entre las molculas adyacentes en un lquido, de modo que las molculas individuales puedan separarse una de otras y pasar al estado gaseoso. Cul es el origen de estas fuerzas intermoleculares en el agua lquida?
-
56
Es consecuencia de la ordenacin de los electrones en sus tomos de hidrgeno y de oxgeno, que a su vez origina una polaridad elctrica con las molculas. El tomo de oxigeno, ms electronegativo, tiende a atraer los electrones no compartidos del tomo de hidrgeno, y deja desnudos los ncleos de hidrgeno. El resultado es que cada uno de los dos tomos de hidrgeno posee una carga local parcial positiva (designada por ).
El tomo de oxgeno, a su vez, posee una carga local parcial negativa
(designada por ).
As, aunque la molcula de agua no posee una carga neta, es un dipolo elctrico. Enlace de Hidrgeno: La naturaleza dipolar de la molcula de agua es responsable, en gran parte, de las fuerzas de atraccin entre sus molculas. Esto es debido a que se produce una fuerte atraccin electrosttica entre la carga parcial negativa, situada sobre el tomo de oxigeno de una molcula de agua, y la carga parcial positiva del tomo de hidrgeno de otra molcula de agua adyacente. Este tipo de interaccin electrosttica, recibe el nombre de ENLACE DE HIDROGENO. A causa de la ordenacin de los electrones en la molcula, tiende a establecer enlaces de hidrgeno con cuatro molculas de agua vecinas.
O
HH
H
O
H H H
O
H
H
O
H
O
H
Propiedades de los enlaces de Hidrgeno
1.- Los enlaces de hidrgeno (6 Kcal/mol)-1 son mucho ms dbiles que los enlaces covalentes (110 Kcal/mol)-1. Esto se demuestra porque la energa de enlace (es la energa necesaria para disociar un enlace) en el agua lquida es de solamente 4,5 k cal/mol-1 en comparacin con las 110 kcal/mol-1 para los enlaces OH .
El tomo de oxgeno comparte un par de electrones con cada uno de los tomos de hidrgeno.
C
H
H
-
57
2.- Los enlaces de hidrgeno son dirigidos debido a la ordenacin caracterstica de los orbitales de enlace de los tomos de hidrgeno y oxigeno. Ejemplo:
O
H
H
O
H
O
H
O
3.- Los enlaces de hidrgeno poseen una longitud de enlace caracterstica que depende de la distribucin electrnica en las molculas implicadas. Los enlaces de hidrgeno no se presentan solamente en el agua. Tienden a formarse entre cualquier tomo electronegativo tal como: 2O ,
2N , F.
O
R
H
O
H H
C
R R'
O
H
OH
C
N
H
C
R
HO
H
N
C C
R O
H
Entre grupo hidrxiloy el agua
Entre un grupo carbonilo y el agua
Entre dos cadenas peptdicas
Los enlaces de hidrgeno entre dos molculas de soluto en un medio acuoso son muy dbiles, debido a que las molculas de agua que los rodean compiten para formar enlaces de hidrgeno con los solutos. Sin embargo, cuando existe cierto nmero de enlaces de hidrgeno entre dos estructuras, la energa necesaria para separarlas es mucho mayor que la de cada enlace de hidrgeno por separado. Este fenmeno se conoce con el nombre de enlace de hidrgeno cooperativo y se presenta, de modo caracterstico, en las protenas y en algu-nos cidos nucleicos que pueden contener docenas e incluso centenares de enlaces de hidrgeno cooperativos. Tales enlaces rinden estructuras que son muy estables en el agua. Propiedades disolventes del agua: El agua es un gran disolvente debido a su naturaleza dipolar. Cmo disuelve en el agua?
-
58
1.- Si se trata de compuestos de carcter inico, se disuelven con facilidad en el agua. Por ejemplo. NaCl : su red cristalina se mantiene unida
mediante fuertes atracciones electrostticas entre iones positivos e iones negativos. Para separar a stos unos de otros, se necesita una energa considerable. El agua disuelve, no obstante, el NaCl cristalizado, debido
a la fuerte atraccin entre los polos del agua y los iones Na y Cl .
Estos iones forman iones hidratados, muy estables, superando la
tendencia del Na y Cl a atraerse mutuamente.
Este proceso tambin se ve favorecido por la tendencia del disolvente a oponerse a la atraccin entre los iones positivos y negativos; lo cual se
expresa por la constante dielctrica D , definida por la siguiente relacin:
2
21
rD
eeF
F = fuerza de atraccin entre iones de carga opuesta.
21 / ee = carga de los iones
r = distancia entre los iones Constante dielctrica de algunos lquidos
Agua 80
Metanol 33
Etanol 24
Acetona 21.4
Benceno 2.3
Hexano 1.9
Como puede verse en la tabla el agua posee una constante dielctrica muy elevada y la correspondiente al benceno muy pequea. Al ser baja la constante dielctrica o sea la atraccin entre los iones, favorece la hidratacin de los mismos y que la red cristalina se rompa.
2.- Existe otra clase de sustancias que se disuelven en el agua con facilidad a pesar de tratarse de compuestos no inicos, pero de carcter polar. Ej. Azcares, alcoholes sencillos, aldehdos y cetonas. Su solubilidad se debe a la tendencia de las molculas de agua a establecer enlaces de hidrgeno con grupos funcionales polares, por ej. los grupos hidrxilo de los azcares y alcoholes y el tomo de oxgeno
-
59
del grupo carbonilo de aldehdos y cetonas. Interacciones hidrofbicas
Existen compuestos que contienen simultneamente grupos hidrofbicos y grupos polares fuertes. Dichos compuestos se denominan anfipticos. El agua tambin la dispersa formando micelas. Este tipo de "solubilizacin" resulta posible por el establecimiento de enlaces de hidrgeno, que en este caso no se establecen entre las molculas del soluto y del solvente, sino entre las molculas del disolvente. Las biomolculas anfipticas ms corrientes que tienden a formar micelas son cidos grasos y lpidos polares. Veamos un ejemplo: un cido graso de cadena larga como el oleato de sodio (18 tomos de carbono).
C
O
O
Na+
Oleato de sodio
Debido a su larga cadena hidrocarbonada tiene poca tendencia a disolverse en agua, como disolucin molecular. Sin embargo, si se dispersa cuando forma micelas, en la cual los grupos carboxilos cargados negativamente se hallan expuestos a la fase acuosa y los grupos no polares permanecen ocultos dentro de la estructura micelar.
Na O
C
O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
cabeza
cadena
Cada micela posee una carga negativa neta y permanece en suspensin debido a su mutua repulsin. Adems, se forman porque el agua tiene ms afinidad por sus propias estructuras que por las no polares. En el interior de las micelas existen fuerzas de atraccin adicionales entre las estructuras
-
60
hidrocarbonadas adyacentes, que se denomina interaccin hidrofbica.
Efecto de los solutos sobre la estructura del agua: La presencia de un soluto inico (como el NaCl ), origina un cambio en la estructura del agua,
debido a que cada uno de los iones Na y Cl se halla rodeado de una capa
de dipolos del agua. Los iones hidratados poseen geometra algo diferente de las agrupaciones de molculas de agua unidas por medio de enlace hidrgeno. Es decir que las sales "rompen" la estructura del agua. El efecto de un soluto sobre el disolvente se manifiesta en un conjunto de propiedades llamadas propiedades coligativas. Estas dependen del nmero de partculas del soluto por unidad de volumen del disolvente. Los solutos producen en el disolvente:
a. Descenso del punto de congelacin
b. Elevacin del punto de ebullicin
c. Disminucin de la presin de vapor.
Ionizacin del Agua: Debido a la pequea masa del tomo de hidrgeno y que su nico electrn est fuertemente retenido por el tomo de oxgeno, hay una tendencia limitada del tomo de hidrgeno para:
a). disociarse, del tomo de oxgeno al que se halla unido correlativa-mente en una molcula de agua;
b). para "soltar" al tomo de oxgeno de la molcula de agua adyacente a la cual se halla unida por enlace de hidrgeno.
En esta reaccin se producen dos iones, el in hidronio ( OH 3 ) y el in
hidrxilo (OH ).
Por convencin la ionizacin del agua se escribe como sigue:
OH2 H+
+ OH-
Aunque en el agua no existen protones desnudos, el propio in hidronio
2 H2O H3O+ + OH
-
O
H
H
H
OH
O
H
H H
++ OH
-
-
61
( OH 3 ) se halla hidratado mediante el establecimiento de ms enlaces de
hidrgeno y formando el in OH 9
O
H
H H
O
H
H
O
HH
O
H
H+
-
62
Agua: pH
CONCEPTOS PRELIMINARES
Electrlitos: son sustancias que en solucin (o fundidas) conducen la corriente elctrica con transporte de materia. Tienen la virtud de disociarse en iones, partculas con carga elctrica que surgen como consecuencia de un desplazamiento electrnico. Por ejemplo, el cloruro de potasio es un electrolito cuya disociacin en iones puede representarse por la siguiente ecuacin:
Cl K Cl-
+ K+
El in cloruro ( Cl ) tiene carga negativa, es un anin (migra hacia el nodo en
un campo elctrico) y el in potasio ( K ), de carga positiva, es un catin (migra hacia el ctodo). Cuando un electrolito se disuelve en agua, sus molculas se disocian en iones. A su vez, los iones formados pueden mostrar tendencia a recombinarse para originar de nuevo molculas enteras. Supongamos una
sustancia AB que se disocie en iones A y B . De acuerdo a lo expresado, el proceso puede representarse como una reaccin reversible:
AB1
2+ B
+A-
La reaccin 1, indicada por la flecha hacia la derecha, se llamar reaccin directa, la reaccin 2, en el sentido de la flecha hacia la izquierda, ser la reaccin inversa. Llega un momento en el cual ambas reacciones alcanzan igual velocidad y la reaccin llega a un estado de equilibrio. Este equilibrio es dinmico, es decir, la cantidad de AB que se disocia es igual a la que se re-constituye por unin de los iones. En otros trminos, en estado de equilibrio la concentracin de molculas sin disociar y las de los iones permanecen constantes. Como en toda reaccin