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Universidad Tecnológica Nacional.

Facultad Regional Delta.

Sede Pilar.

Técnicatura Superior en Procesos Industriales.

Química II.Profesor: Ing. Reartes, Raúl Alejandro

Universidad tecnológica Nacional-Facultad Regional Delta- Sede Pilar

QUÍMICA II- PROCESOS INDUSTRIALES

Objetivos de curso

La adquisición de los conocimientos que les permita conocer la química del carbono, como así también la habilidad del manejo de la misma la que permita realizar un análisis en los procesos que envuelve.Desarrollar en el alumno capacidad para: analizar y relacionar la importante presencia de los compuestos derivados de la química del carbono presentes en innumerables compuestos que integran parte de los insumos y/ o consumos en los que comúnmente se encuentran los compuestos orgánicos, reconocimiento de grupos funcionales y su importancia.

Contenidos generales.

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGANICA.

HIDROCARBUROS.

COMPUESTOS OXIGENADOS.

COMPUESTOS NITROGENADOS.

POLIMEROS (macromoléculas naturales y sintéticas).

INTRODUCCION AL ESTUDIO DEL PROBLEMA DE RESIDUOS Y EFLUENTES.

Contenidos específicos de la asignatura.Técnicatura Superior en Procesos Industriales

Ing. Reartes, R.A.2



Unidad temática 1: INTRODUCCION A LA QUIMICA ORGANICA.-

Introducción histórica - Enlaces del carbono – Cadenas carbonadas – representación de los compuestos del carbono – isomería: estructural: de cadena, posición, de función, isomería geométrica y óptica. - Grupos funcionales nociones reacciones de la química orgánica.

Unidad temática 2: HIDROCARBUROS.

Clasificación de los hidrocarburos: alifáticos y aromáticos – fuentes de hidrocarburos – Parafínicos: nomenclatura, isomería, reacciones. – Olefínicos: nomenclatura, isomería, reacciones –Acetilénicos: nomenclatura, isomería, reacciones Aromáticos: nomenclatura, reacciones y fuentes.

Unidad temática 3: COMPUESTOS OXIGENADOS

Alcoholes, fenoles, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos: funciones y reacciones. – Reacciones acido- base.

Unidad temática 4: COMPUESTOS NITROGENADOS.

Aminas- Amidas - Nitrilos: nomenclatura, reacciones, métodos de obtención.

Unidad temática 5: POLIMEROS (macromoléculas naturales y sintéticas).

Conceptos generales – Tipos de polímeros o macromoléculas- Clasificación.Tipos de Polimerización.- Principales polímeros y aplicaciones industriales.Aminoácidos, ácidos nucleicos, proteínas, lípidos (polímeros naturales)

Unidad temática 6: INTRODUCCION AL ESTUDIO DEL PROBLEMA DE RESIDUOS Y EFLUENTES.

Contaminación del aire, del suelo y el agua – Residuos, tipos: agrícolas - asimilables a los domiciliarios –patogénicos - peligrosos / especiales – Residuos industriales: Contaminación del aire, suelo y agua residuales. Las principales industrias y la contaminación. Legislación sobre industrias

Bibliografía.

Emplearemos un corpus cuyas premisas adoptan la bibliografía de referencia

Técnicatura Superior en Procesos IndustrialesIng. Reartes, R.A.

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Para una correcta integridad en la materia la cátedra ha seleccionado los siguientes datos bibliográficos, del cual se toman las premisas para el dictado de las clases, dejando al alumno la elección de acuerdo con las referencias bibliográficas en virtud de los tópicos expuestos para el desarrollo de cada clase, que ayuden al corpus ideado a la profundización de la temática desarrollada.

Química Orgánica.- R. Morrison y R. Boyd, Fondo Educativo Interamericano

Química de los Compuestos Orgánicos, C. R. Noller, Ed. Médico-Quirúrgica

ALLINGER, Norman L. y cinco autores más. "Pumice Organic". Reverté. 1984.

EGE, S.; "Química Orgánica. Estructura y Reactividad". Tomo I. Reverté. 1996.

HART, H., HART, D.J., CRAINE, L.E., “Química Orgánica” Novena edición. McGraw Hill.1995. PRIMO YUFERA, E.; “Química Orgánica Básica y Aplicada. De la molécula a la industria”. Reverté. 1994.

Unidad temática 1: INTRODUCCION A LA QUIMICA ORGANICA

Introducción histórica


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El carbono está ampliamente distribuido en la naturaleza pese a no ser un elemento especialmente abundante. En la corteza terrestre es el duodécimo elemento en orden de abundancia, siendo la misma la milésima parte de la de oxígeno y sólo vez y media mayor que la del manganeso.

Sólo se conocen unas cincuenta mil sustancias en cuya composición no interviene el carbono, y pasan de 2 millones el número de compuestos de carbono conocidos.

Al final del siglo XVII, los científicos dividían las sustancias naturales en tres grupos según su origen: sustancias vegetales, sustancias animales y sustancias minerales.

Al final del siglo XVIII y gracias a los trabajos de Lavoisier, se llegó a la conclusión de que no existían diferencias en cuanto a la naturaleza de sustancias animales y vegetales. A partir de entonces se clasificaron las sustancias en dos grupos: las producidas por seres vivos u orgánicas, y las que no procedían de seres vivos o inorgánicas.

A principios del siglo XIX, Berzelius aún creía en la existencia de una razón básica que fuese responsable de las marcadas diferencias que se encontraban entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos. La causa de las diferencias se achacaba a la vis vitalis (fuerza vital), de misteriosa naturaleza y que sólo actuaba en los seres vivos, por lo que los compuestos orgánicos no podrían nunca prepararse artificialmente.

La derrota de la teoría de la vis vitalis se atribuye a Friedrich Wöhler, quien en 1828 sintetizó urea (sustancia que se encuentra en la orina de los animales, siendo el principal producto nitrogenado del metabolismo de las proteínas). La síntesis tuvo lugar, sin intervención de organismos vivos, según:

SO4(NH4)2 + (CNO)2Pb SO4Pb + 2CNONH4 (H2N)2CO(Urea)

La síntesis efectuada por Kolbe en 1845 (síntesis del ácido acético) y la de Berthelot (síntesis del metano), así como otras que les siguieron, corroboraron las conclusiones de Wöhler, determinando el definitivo y total rechazo de la teoría de la fuerza vital.

Poco a poco fue diluyéndose en la mente de los científicos la barrera entre Química Orgánica y Química Inorgánica. Sin embargo, se conservaron estos términos debido a que:

Todos los compuestos considerados como orgánicos contienen carbono.


Título del diagrama

COMPUESTOS

INORGANICOS ORGANICOS

Sintetizados por los seres vivos

Tienen "Fuerza vital"

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Los compuestos de carbono son mucho más numerosos que los compuestos conocidos del resto de los elementos.

Los compuestos con un esqueleto carbonado no parecen ajustarse a las reglas de valencia a que se ajustan los compuestos minerales.

Los compuestos orgánicos presentan propiedades generales muy distintas de las que presentan los compuestos minerales. Así, los compuestos orgánicos se descomponen con facilidad por la acción del calor, son combustibles en su gran mayoría, tienen puntos de fusión y ebullición bajos, de ordinario reaccionan con lentitud, etc.

Química orgánica en la actualidad:

La Química de los “Compuestos del Carbono”.

También tienen hidrógeno.

Se exceptúan CO, CO2, carbonatos, bicarbonatos, cianuros...

Pueden tener otros elementos: O, N, S, P, halógenos...

En la actualidad el número de compuestos inorgánicos es de unos 100.000, mientras que el número de compuestos orgánicos es de unos 8.000.000 y se siguen sintetizando muchísimos nuevos cada año. Entre estos últimos se encuentran plásticos, insecticidas, jabones, medicamentos, gasolinas, fibras textiles...

Ejemplo:

Dados los siguientes compuestos, identifica cuales de ellos son compuestos orgánicos: CH3-COOH; CaCO3; KCN; CH3-CN; NH4Cl; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3

Inorgánicos: CaCO3; KCN; NH4ClOrgánicos: CH3-COOH; CH3-CN; CH3-NH-CH2-CH3; Cl-CH2-CH3

Enlaces del carbono

Estructura electrónica del carbono

Al átomo de carbono con número atómico 6 le corresponde la configuración electrónica:

1 s 2 2 s 2 2 p 2

Siguiendo el principio de máxima multiplicidad de Hund podemos representar la configuración como:

1s 2s 2p


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esta configuración justifica una covalencia 2 para el carbono. A pesar de esto, el carbono sólo presenta la covalencia 2 en el monóxido de carbono y en un grupo de compuestos conocidos como isonitrilos.

El carbono, de ordinario, presenta covalencia 4, y ello no es explicable por la configuración que presenta en estado normal. De hecho, lo que sucede es que al formarse los enlaces, uno de los dos electrones 2s capta energía y es promocionado al orbital 2pz en el subnivel 2p.

2s 2p

px ppz

átomo de carbono en estado normal

Energía2s 2p

px py pzátomo de carbono en estado excitado

La configuración: 1s2 2s1 2p3, para el átomo de carbono explica su tetravalencia, pero no explica el que los cuatro enlaces C—H del metano (CH4) sean idénticos como prueban la existencia de un solo derivado monoclorado (ClCH3) y de un sólo derivado diclorado (Cl2CH2). Así, la forma de los orbitales de valencia del carbono sería la siguiente:

existiendo un electrón en cada uno de los orbitales.

Según esto, los cuatro átomos de hidrógeno del metano se dispondrían así:

Esta disposición es incompatible con la conocida equivalencia de los cuatro enlaces C—H del metano. Por otra parte los espectroscopistas insisten en que el ángulo entre cada dos


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enlaces C—H es de 109° 28',1o que sólo puede estar de acuerdo con una estructura como esta:

Es evidente que a los orbitales del átomo de carbono aislado les ocurre «algo» cuando el átomo de carbono se combina con otros cuatro átomos. Según Pauling, el átomo de carbono se dispone situando cada uno de los cuatro electrones de valencia en uno de los cuatro orbitales idénticos que se forman a partir del orbital 2s y de los tres orbitales 2p. El proceso se denomina hibridación, y cada uno de los orbitales formados es un orbital híbrido.

Como en la formación de estos orbitales intervienen un orbital s y tres orbitales p, se denominan orbitales híbridos sp3.

De este modo la configuración electrónica del átomo de carbono en el momento de combinarse sería:

1s2 2(sp 3) 4

Las condiciones para que haya hibridación son:

a) Los orbitales que se hibridan han de tener energías muy próximas.

b) La energía liberada en la formación de enlaces con los orbitales hibridados ha de ser superior a la energía que se liberaría en la formación de los mismos enlaces con los orbitales sin hibridar, y la diferencia ha de ser mayor que la energía consumida en la hibridación.

Cumpliéndose estas condiciones, la formación de orbitales híbridos está favorecida, pues las estructuras resultantes son más estables.


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Hay que hacer notar que en los átomos de carbono no enlazados no puede hablarse de orbitales híbridos.

El carbono adopta la hibridación sp3 para formar los enlaces C—C y C—H. Ambos son enlaces : el primero es (2sp3-2sp3), mientras que el segundo es (2sp3-1s). Los enlaces C—C son covalentes puros mientras que los C—H presentan una polaridad pequeñísima. Son enlaces muy estables.

La hibridación sp3 no es la única que adopta el átomo de carbono, pues en la formación de enlaces dobles, el carbono adopta la hibridación trigonal, sp2. Como indica su denominación, en la hibridación sp2 intervienen un orbital s (el 2s) y dos orbitales p (los 2px y 2py). En esta ocasión, los orbitales híbridos se disponen en un plano formando ángulos de 120°, siendo el conjunto perpendicular al orbital 2pz que queda sin hibridar.

hibridación

La configuración electrónica del carbono en el momento de combinarse sería:

1s2 2(sp 2) 2pz1

Este tipo de hibridación se da en los casos de formación de doble enlace: carbono-carbono, por ejemplo, en la molécula de etileno: .

El átomo de carbono aún puede sufrir otro tipo de hibridación, la hibridación digonal sp. Como indica su nombre, en ella intervienen un orbital s (el 2s) y otro p (el 2py). En esta ocasión los orbitales híbridos se disponen alineados formando ángulos de 180°, y dirigidos según el eje OY. Los orbitales 2px y 2pz que no intervienen en la hibridación conservan su forma y posición.

hibridación

La configuración electrónica del carbono en el momento de combinarse será:

1s2 2(sp) 2 2px1 2p

z1


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Este tipo de hibridación se da en los casos de formación de triple enlace: carbono-carbono, por ejemplo, en la molécula de acetileno: . En el triple enlace carbono-carbono, uno de los enlaces es un enlace (2sp-2sp) y los otros dos son enlaces (2px-2px y 2pz-2pz).

El enlace triple es aún más reactivo que el doble enlace debido a la presencia de los dos enlaces .

Cadenas carbonadas

El enorme conjunto de los compuestos orgánicos del carbono puede estudiarse atendiendo a las formas de los distintos «esqueletos» carbonados o cadenas de carbono. Estas cadenas de carbono llegan a formarse por la facilidad que presenta el carbono de poder unirse consigo mismo.

Los compuestos con un esqueleto en forma de cadena abierta se denominan alifáticos (del griego: aleiphar = grasa, ya que las grasas presentan esqueleto carbonado de este tipo).

Los compuestos orgánicos también pueden presentar estructuras en forma de ciclo, por ejemplo:

Se conocen dos clases de compuestos cíclicos: alicíclicos y aromáticos.

Los compuestos alifáticos sólo se diferencian de los alicíclicos en que estos últimos presentan la cadena cerrada. Los compuestos aromáticos, sin embargo, presentan estructuras especiales.

Tanto los compuestos alifáticos como los cíclicos pueden presentar ramificaciones en sus estructuras.

En las cadenas llamaremos: Técnicatura Superior en Procesos Industriales

Ing. Reartes, R.A.10



Carbonos primarios, a los que están unidos a un sólo átomo de carbono (no importa que el enlace sea simple o no);

Carbonos secundarios, terciarios o cuaternarios, a los que están unidos respectivamente a dos, tres o cuatro átomos de carbono diferentes.

Ejemplo:

Primarios (a) CH3 CH3

Secundarios (b) CH3–C–CH2–CH–CH2OH

Terciarios (c) CH2

Cuaternarios (d) CH3

Ejercicio B:

Indica el tipo de carbono, primario (a), secundario (b), terciario (c) o cuaternario (d) que hay en la siguiente cadena carbonada:

CH3 CH3

CH3–C – CH–CH2 – C – CH2 –CHCl–CH3

CH2 CH2OH CH3 CH3

Representación de compuestos orgánicos

Los compuestos químicos se pueden representar mediante las llamadas fórmulas químicas. El primer paso para el conocimiento de un compuesto es determinar su composición cualitativa, es decir, los elementos que lo constituyen, lo que se consigue mediante el llamado análisis elemental cualitativo. El conocimiento de la composición cualitativa es relativamente vago, en particular en Química orgánica, donde un elevado número de compuestos pueden tener la misma composición cualitativa. Este número se reduce enormemente cuando, mediante el llamado análisis elemental cuantitativo, se determina la composición cuantitativa de una sustancia, es decir, la relación en que se encuentran los elementos componentes de la misma.

El resultado del análisis elemental cuantitativo permite establecer la llamada fórmula empírica, formada por los símbolos de cada uno de los elementos componentes, a los que se añaden los subíndices enteros más pequeños, que indican la relación existente entre ellos. Así, por ejemplo, la fórmula empírica CH2O representa un compuesto formado por carbono, hidrógeno y oxígeno, en la proporción 1: 2: 1 (por sencillez, el subíndice 1 se omite en la fórmula empírica); pero estos números no indican necesariamente el número de átomos de cada elemento que forman la molécula, sino únicamente la relación en que se encuentran. Para conocer el número de átomos de cada elemento que forman la molécula, es decir, la llamada fórmula molecular, es necesario conocer el peso molecular de la sustancia en cuestión, que puede determinarse por diferentes métodos, como, por


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a a

a d b c a

b

a



ejemplo, ebulloscopía, crioscopía, osmometría, densitometría, ultracentrifugación, etcétera.

La fórmula molecular no define unívocamente a un compuesto, en particular tratándose de compuestos orgánicos. Un determinado número de átomos pueden unirse entre sí de distintas formas para dar lugar a diferentes compuestos. Por ejemplo, la sencilla fórmula molecular C2H4O2 puede corresponder a tres compuestos distintos: ácido acético, formiato de metilo y aldehído glicólico. Para poder identificar unívocamente un compuesto es necesario indicar los enlaces que existen entre los átomos que lo forman. Para ello, se utilizan las llamadas fórmulas estructurales, que pueden ser:

Empírica.

Es la forma más reducida. Sólo da idea de la proporción de átomos de cada tipo en la molécula. No sirve pues para identificar compuestos

Ejemplo: CH2O

Molecular

Indica el número de átomos de cada tipo existentes en la molécula. Tampoco sirve para identificar compuestos, ya que hay muchos compuestos distintos con la misma fórmula molecular (isómeros).

Ejemplo: C3H6O3

Semidesarrollada

Llamadas también lineales y en las que los pares de electrones de cada enlace se representan por un trazo o guión, que une a los dos átomos correspondientes. En este tipo de fórmulas se suelen omitir algunos enlaces simples, en particular los enlaces C—H, e incluso, muchas veces, algunos dobles enlaces, poniendo los átomos ordenados para dar idea de su forma de enlace. Por ejemplo:

Es la más utilizada en la química orgánica. Indica únicamente los enlaces que constituyen la cadena carbonada.

Ejemplo: CH3–CHOH–COOH

CH2=CH2 , CH2Cl—CH3 , CH2OH—CHO

Desarrollada

Fórmulas expandidas, o fórmulas planas, en las que se representan en el plano todos los enlaces. Por ejemplo:

Indica todos los enlaces que conforman la molécula. No se usa demasiado aunque al principio es muy útil.

Ejemplo: H O–H H–C–C–C=O


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H H O–H

Con distribución espacial

Utilizada exclusivamente en estereoisomería.

Fórmulas tridimensionales, en las que se representan las direcciones de los enlaces en el espacio mediante distintos tipos de proyecciones. Entre las más usadas se encuentran la proyección en caballete, proyección de Newman y proyección de enlaces convencionales. La siguiente figura muestra estos tres tipos de representación aplicados a la molécula de etano (C2H6):

Proyección en

caballete

Proyección modificadade Newman

Proyección deenlaces

convencionales

Las fórmulas anteriores son las más corrientes en Química orgánica, si bien existen otros tipos de representaciones especiales, utilizados para poner de manifiesto algunas propiedades particulares, como son, por ejemplo, los llamados diagramas moleculares, en los que se indican numéricamente las longitudes y ángulos de enlace, e incluso la densidad de carga electrónica sobre cada átomo, resultado de complicados cálculos mecanocuánticos.

Además de estos tipos de fórmulas, en Química orgánica son muy utilizados los llamados modelos moleculares.

Modelos moleculares del etano


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Modelo de bolas y varillas

Modelo de esferas interpenetradas

El conocimiento de la estructura molecular es de suma importancia y constituye, en la actualidad, uno de los principales temas de investigación de numerosos químicos, puesto que todas las propiedades fisicoquímicas de una sustancia dependen de su estructura molecular. Por otro lado, el conocimiento de la estructura molecular de un compuesto es el punto de partida para su síntesis en el laboratorio y posteriormente en la industria, por lo que constituye la base de muchas de las ramas de la técnica actual. Desde la fabricación de nuevos plásticos y fibras sintéticas hasta la de productos farmacológicos están basadas en gran parte en los conocimientos adquiridos en el análisis estructural. Toda esta investigación se realiza, hoy en día, con la ayuda de potentes ordenadores, que permiten la creación de auténticos "modelos virtuales" de las moléculas, los cuales, dotados de animación, llevan los límites del realismo a extremos insospechados. Como muestra (y salvando distancias) podemos ver el efecto que se consigue dotando de animación a los dos modelos moleculares anteriores:

Animaciones de modelos moleculares del etano

(rotación de 360º sobre el eje Y)

Modelo de bolas y varillas Modelo de esferas interpenetradas

Ejemplo:

Sabemos que un compuesto orgánico tiene de fórmula empírica C2H5N y su masa molecular aproximada es de 130 g/mol. Escribe cual será su fórmula molecular.

La masa molecular debe ser un múltiplo (entero) de la masa expresada por la fórmula empírica:


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(aprox).

Luego la fórmula molecular será: C6H15N3

Ejercicio A:

Un compuesto orgánico dio los siguientes porcentajes en su composición: 71,7 % de cloro y 4,1 % de hidrógeno. Además, 1 litro de dicho compuesto en estado gaseoso medido a 745 mm Hg y 110 ºC tiene una masa de 3,12 g. Hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular.

Isomería

Tipos de isomería

La isomería consiste en que dos o más sustancias que responden a la misma fórmula molecular presentan propiedades químicas y/o físicas distintas.

Los distintos tipos de isomería se clasifican según el siguiente esquema:

Tipos de isomería

Isomería estructural o plana

La isomería estructural o plana se debe a diferencias de estructura y puede explicarse mediante fórmulas planas.

a) Isomería de cadena


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Es la que presentan las sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la disposición de los átomos de carbono en el esqueleto carbonado, por ejemplo:

Isómeros con fórmula molecular C4H10

n-butano 2-metil-propano (isobutano)

b) Isomería de posición

Es la que presentan sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la situación de su grupo funcional sobre el esqueleto carbonado.

Veamos algún ejemplo:

Isómeros con fórmula molecular C3H8

1-propanol 2-propanol

c) Isomería de función

Es la que presentan sustancias que con la misma fórmula molecular presentan distinto grupo funcional, por ejemplo:

Isómeros con fórmula molecular C2H6O

etanol metano-oxi-metano

propanal propanona

Estereoisomería: Isomería geométrica

La estereoisomería la presentan sustancias que con la misma estructura tienen una diferente distribución espacial de sus átomos.

Una de las formas de estereoisomería es la isomería geométrica. La isomería geométrica desde un punto de vista mecánico, se debe en general a que no es posible la rotación libre alrededor del eje del doble enlace. Es característica de sustancias que presentan un doble enlace carbono-carbono:

, así como de ciertos compuestos cíclicos.

Para que pueda darse en los compuestos con doble enlace, es preciso que los sustituyentes sobre cada uno de los carbonos implicados en el doble enlace sean


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distintos. Es decir, que ninguno de los carbonos implicados en el doble enlace tenga los dos sustituyentes iguales.

Las distribuciones espaciales posibles para una sustancia que con un doble enlace son:

Forma cis; en ella los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en una misma región del espacio con respecto al plano que contiene al doble enlace carbono-carbono.

Forma trans; en ella los sustituyentes iguales de los dos átomos de carbono afectados por el doble enlace se encuentran situados en distinta región del espacio con respecto al plano que contiene al doble enlace carbono-carbono.

Por ejemplo:

Isómeros geométricos para el compuesto CH3-CH=CH-COOH

I

isocrotónico)

Isómero trans (Ácido crotónico)

De ordinario resulta más fácil transformar la forma cis en la trans que a la inversa, debido a que en general la forma trans es la más estable.

Configuraciones y conformaciones

Como acabamos de ver, al estudiar la isomería geométrica, hay ocasiones en que una misma estructura molecular puede adoptar disposiciones espaciales diferentes y estables que resultan ser isómeros espaciales separables. Estas disposiciones espaciales diferentes y permanentes reciben el nombre de configuraciones.

Así las formas cis y trans de los isómeros geométricos son distintas configuraciones de la misma estructura.

La libre rotación en torno a un enlace simple da lugar a que las moléculas puedan adoptar un número infinito de distribuciones espaciales interconvertibles recíprocamente sin ruptura de enlaces. Estas disposiciones espaciales, pasajeras, y que se interconvierten con tanta facilidad que no pueden aislarse isómeros espaciales reciben el nombre genérico de conformaciones.

Dos o más conformaciones diferentes de una misma molécula reciben la denominación recíproca de rotámeros o confórmeros.

De las infinitas conformaciones posibles por libre rotación en torno al enlace simple, no todas son igualmente probables, dependiendo de las interacciones entre los átomos de la misma molécula.


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En el etano, que es uno de los casos más sencillos de considerar, las conformaciones más notables son la alternada y la eclipsada. La siguiente figura muestra ambas conformaciones con distintos tipos de representaciones:

Conformación alternada

Proyección en

caballete



convencionalesEtano (C2H6)

Conformación eclipsada

Proyección en

caballete



convencionales

La conformación de mayor contenido energético es la eclipsada debido a que la repulsión entre los átomos de hidrógeno es máxima, mientras que en la conformación alternada es mínima.

Estereoisomería. Isomería óptica

Existen sustancias que al ser atravesadas por luz polarizada plana producen un giro del plano de vibración de la luz. Se dice que estas sustancias presentan actividad óptica.

Se llaman sustancias dextrógiras las que al ser atravesadas por una luz polarizada plana giran el plano de polarización hacia la derecha (según un observador que reciba la luz frontalmente).

Se llaman sustancias levógiras las que al ser atravesadas por una luz polarizada plana giran el plano de polarización hacia la izquierda (según un observador que reciba la luz frontalmente).

La causa de la actividad óptica radica en la asimetría molecular. En química orgánica la principal causa de asimetría molecular es la presencia en la molécula de algún átomo de carbono asimétrico. El átomo de carbono asimétrico se caracteriza por estar unido a cuatro grupos diferentes. Se acostumbra a señalar los carbonos asimétricos con un asterisco cuando se quiere poner de manifiesto su carácter de carbonos asimétricos:


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En el caso de una molécula con un sólo átomo de carbono asimétrico son posibles dos configuraciones distintas y tales que una cualquiera de ellas es la imagen especular de la otra. Estas configuraciones son recíprocamente enantiomorfas.

Configuraciones enantiomorfas(imágenes especulares)

Los enantiomorfos son isómeros ópticos, pues teniendo la misma fórmula molecular sólo se diferencian en su acción sobre la luz polarizada. Los enantiomorfos presentan las mismas propiedades químicas y físicas (excepto su acción sobre la luz polarizada). Una mezcla equimolecular (igual número de moléculas) de dos enantiomorfos no presentará actividad óptica. A esta mezcla se le llama mezcla racémica.

Grupos funcionales. Series homólogas

La adopción de nombres inequívocos y sistemáticos, a la vez que sencillos, para todos los compuestos orgánicos es hoy en día una de las mayores preocupaciones de los químicos. El número de compuestos orgánicos conocidos es muy elevado (más de 2.000.000) y para poder realizar su estudio es preciso una gran sistematización a la hora de efectuar una cuidada distribución de tales compuestos.

Se consiguió efectuar una clasificación de los compuestos orgánicos, introduciendo los conceptos de grupo funcional y de serie homóloga.

Se entiende por grupo funcional un conjunto de átomos presente en la cadena de carbono de un compuesto y que por sus características de reactividad define el comportamiento químico de la molécula. Cada grupo funcional definirá, por tanto, un tipo distinto de compuesto orgánico.

El conjunto de compuestos orgánicos que contienen el mismo grupo funcional constituye una familia de compuestos.

Una serie homóloga está constituida por un grupo de compuestos con el mismo grupo funcional y tales que cada término se diferencia del anterior y del posterior en que posee un grupo —CH2— más y menos, respectivamente.

Con estos conceptos, se puede introducir la clasificación de los compuestos orgánicos como derivados de la serie homóloga de cadena no ramificada, de los hidrocarburos saturados (o parafinas), por sustitución de un átomo de hidrógeno por el grupo funcional correspondiente.

En cuanto a la nomenclatura, en líneas generales, el nombre de un compuesto orgánico está formado esencialmente por dos partes: un prefijo, que indica el número de carbonos de la cadena y una terminación, que caracteriza la función.

La siguiente tabla muestra las principales funciones orgánicas:


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NOMBRE DE LA FAMILIA

GRUPO FUNCIONAL

EL NOMBRE TERMINA EN EJEMPLO

Alcanos -ano

Alquenos -enoAlquinos -ino

Hidrocarburos aromáticos

nombres no sistemáticos acabados en -eno

Alcoholes -olÉteres éter

Aldehídos -al

Cetonas -ona

Ácidos carboxílicos -ico, -oico

Ésteres -ato de ...-ilo

Aminas -amina

Amidas -amida

Nitrilos o cianuros

-nitrilo (o cianuro de ...-ilo)

Derivados halogenados haluro de ...-ilo

Para su estudio se suelen agrupar las familias de compuestos que presentas grupos funcionales similares. Por ejemplo:

Hidrocarburos: Alcanos, alquenos, alquinos, hidrocarburos aromáticos, etc.Compuestos oxigenados:Alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos,

ésteres, etc.Compuestos nitrogenados: Aminas, amidas, nitrilos, etc.

Las reacciones en Química Orgánica

En los procesos orgánicos es poco frecuente el que unos reactivos dados conduzcan a unos productos definidos por una reacción única. Lo normal es que la reacción que esperamos vaya acompañada de otros procesos secundarios, de modo que no sólo se


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obtienen los productos que esperamos sino también los que aparecen como consecuencia de los procesos secundarios. Como es natural en esta situación, los productos de la reacción dependen en gran medida de las condiciones experimentales.

Las peculiaridades comentadas dan lugar a que el rendimiento real quede en general muy por debajo del previsto en función de la ecuación estequiométrica. Este inconveniente puede soslayarse, al menos parcialmente, con el uso de catalizadores adecuados que, favoreciendo el proceso que nos interesa, no favorezca a los procesos secundarios, con lo que estos últimos pueden llegar a ser imperceptibles.

Las relaciones de transformación entre dos compuestos orgánicos dados no se limitan a un sólo proceso, si no que hay diversos caminos posibles (en una o en varias etapas) para producir la transformación de uno en otro.

El que la mayoría de los compuestos orgánicos tengan todos sus enlaces covalentes, determina el que las reacciones entre compuestos orgánicos sean lentas en general (en ausencia de catalizadores).

Los tipos más frecuentes de reacciones orgánicas que vamos a encontrar son los siguientes:

a) Reacciones de sustitución

Son reacciones en las que un átomo o grupo atómico se separa de la molécula reaccionante, siendo sustituido por otro átomo o grupo atómico, que procede del reactivo atacante. Pueden representarse por la ecuación general:

R—X + Y R—Y + X

Las reacciones de sustitución pueden ser homolíticas o heterolíticas. Las primeras suelen ocurrir cuando tienen que romperse enlaces poco polares (como C—C o C—H), y las segundas cuando se rompen enlaces muy polares (C—O, C—X, siendo X un halógeno, etc.)

b) Reacciones de adición

Son típicas de los compuestos con enlaces dobles y triples. Una molécula se adiciona a los átomos del enlace múltiple, reduciendo la multiplicidad del mismo (si era doble pasa a ser simple, si era triple pasa a ser doble o simple). Así por ejemplo:

R—CH=CH—R' + X—X R—CHX—CHX—R' Reacción de adición al doble enlace

R—C C—R' + X—X R—CX=CX—R' Reacción de adición al triple enlace

c) Reacciones de eliminación

Son las reacciones en las que se separan dos átomos o grupos de átomos de una molécula, sin que se produzca al mismo tiempo la penetración de nuevos átomos o grupos


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atómicos. En la mayoría de los casos una molécula se transforma con pérdida intramolecular de una molécula más pequeña y formación de un enlace múltiple, por ejemplo:

CH3—CHOH—CH3 eliminación

adiciónCH3—CH=CH2 + H2O

pero existen otras reacciones de eliminación donde esto no sucede. Como se observa en el ejemplo, las reacciones de eliminación son opuestas a las reacciones de adición, existiendo un equilibrio, que se desplaza en uno u otro sentido según las condiciones de la reacción.

d) Reacciones de condensación

Consisten en la unión de dos moléculas con pérdida intermolecular de una molécula más pequeña, por ejemplo:

R—O—H + HO—R' (H2SO4) R—O—R' + H2O

e) Reacciones de transposición

Estas reacciones, llamadas también de reordenación, consisten en el cambio, desde una a otra posición dentro de una molécula, de uno o varios átomos o grupos atómicos. Las reacciones de transposición son importantes porque, en ciertas ocasiones, los demás tipos de reacciones orgánicas van acompañadas de procesos de reordenación molecular.

Una transposición muy frecuente es la llamada tautomería, que consiste en la emigración de un protón de un lugar a otro de la molécula, dando lugar a dos isómeros, llamados tautómeros, que se encuentran en equilibrio. El caso más importante es el de la tautomería cetoenólica donde se encuentran en equilibrio una cetona (o aldehído) y un enol.

f) Otras reacciones

Existen, de otra parte, reacciones que sin ser típicamente orgánicas son muy comunes en el estudio de los compuestos orgánicos, como por ejemplo las reacciones de combustión, ácido base, de oxidación reducción, de síntesis, etc.


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Unidad temática 2: HIDROCARBUROS

Introducción

Clasificación de los hidrocarburos

Los compuestos del carbono más simples se denominan hidrocarburos. Están constituidos únicamente por carbono e hidrógeno, y forman la base estructural común a todos los demás compuestos orgánicos.

Los enlaces carbono-hidrógeno son siempre enlaces , muy similares en cualquier tipo de compuestos. Por el contrario, como ya sabemos, los enlaces carbono-carbono pueden ser de tres tipos: simples, dobles y triples, lo que produce un comportamiento distinto en los compuestos correspondientes. Por otra parte, la disposición de la cadena hidrocarbonada, según sea abierta (lineal) o cerrada (cíclica), da lugar también a pequeñas variaciones en las propiedades de los respectivos compuestos. Por último, las distintas posiciones de los elementos singulares de la molécula (enlaces múltiples y ramificaciones de la cadena), también afectan al comportamiento de los compuestos. Por todo ello, conviene clasificar los hidrocarburos en distintos grupos, lo que permitirá hacer su estudio de forma más sistemática.

En primer lugar, se pueden dividir los hidrocarburos en dos grandes grupos: alifáticos y aromáticos. El carácter de aromaticidad, que estudiaremos después, se debe a la existencia de dobles enlaces conjugados en anillos cíclicos (como el benceno), y confiere a los compuestos ciertas propiedades características, que los diferencian de los demás, lo que justifica su estudio como grupo propio. Los hidrocarburos alifáticos se pueden subdividir, a su vez, en acíclicos y alicíclicos, según que la cadena hidrocarbonada sea abierta o cerrada (cíclica). Ambos grupos comprenden tres tipos distintos de hidrocarburos: alcanos o cicloalcanos, cuando sólo existen enlaces simples C—C;


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alquenos o cicloalquenos, cuando tienen algún doble enlace C=C, y alquinos o cicloalquinos, si tienen algún triple enlace C C. Esta clasificación de los hidrocarburos puede verse claramente en el siguiente esquema:

Se utilizan también corrientemente los nombres de hidrocarburos saturados o parafinas, para designar a los alcanos, hidrocarburos etilénicos u olefinas, para los alquenos, y de hidrocarburos acetilénicos para los alquinos; incluyendo muchas veces también a los respectivos compuestos cíclicos. Algunas veces, dentro de cada grupo, se distingue entre hidrocarburos lineales o normales y ramificados, pero esta diferencia, como veremos, es relativamente pequeña.

Hidrocarburos parafínicosFUENTE DE LOS ALCANOS: PETRÓLEO Muchos alcanos existen de manera natural en plantas y animales. Por ejemplo, la cubierta cerosa de las hojas de la col contiene nonacosanos (n-C29H60), y el aceite de algunos pinos contiene heptano. La cera de abejas contiene, entre otras cosas, eneitriacontano (n-C31H64). Las principales fuentes de alcanos son, los depósitos mundiales de gas natural y petróleo, derivados de la descomposición de materia orgánica marina sepultada hace años. El gas natural consiste principalmente en metano, aunque también contiene etano, propano, butano e isobutano. Estos hidrocarburos simples se usan en grandes cantidades para calentar casas habitación, para cocinar alimentos y como combustible en las industrias. El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, la cual es necesario refinar para obtener diferentes fracciones antes de que pueda usarse.


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Las series homólogas en los hidrocarburos parafínicos

Recordemos que se llama parafinas o hidrocarburos saturados a aquellos que se caracterizan por presentar exclusivamente enlaces simples carbono-carbono.

El nombre de parafinas (que hace referencia a su «pereza a reaccionar» [parum: poco, affinis: afinidad], se dio inicialmente a estos compuestos al observar que prácticamente no reaccionaban con los reaccionantes más corrientes: ácidos y bases fuertes o notables agentes oxidantes como el permanganato potásico (MnO4K). Sin embargo, las parafinas son capaces de reaccionar en condiciones experimentales apropiadas.

Tosas las parafinas responden a la fórmula general CnH2n+2, por ejemplo, las fórmulas de las parafinas más sencillas serían:

Para n=1: CH4 (metano)Para n=2: C2H6 (etano)Para n=3: C3H8 (propano)

Al considerar las fórmulas estructurales de estos compuestos se comprueba que dentro de la misma serie homóloga, cada uno de ellos se diferencia del inmediato superior y del inmediato inferior en un grupo —CH2— (grupo metileno).

Así por ejemplo: propano y butano:

propano (C3H8) butano (C4H10)

pertenecen a la misma serie homóloga. Sin embargo: propano e isobutano:


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propano (C3H8) isobutano (C4H10)

no pertenecen a la misma serie homóloga.

Nomenclatura de los hidrocarburos parafínicos

La nomenclatura de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), para los hidrocarburos parafínicos dicta las normas siguientes:

a) Los hidrocarburos parafínicos se nombran combinando un prefijo con el sufijo -ano, que identifica al compuesto como hidrocarburo parafínico.

b) Los cuatro primeros prefijos: met-, et-, prop-, but-, son de origen histórico.

c) El resto de los prefijos proceden de los numerales griegos e indican el número de átomos de carbono contenido en la molécula.

Por ejemplo: C6H14 (ex-ano), C20H42 (icos-ano), etc.

Sin embargo las reglas antedichas sólo nos sirven para nombrar a las parafinas de cadena lineal, es decir, que no tienen átomos de carbono en cadenas laterales.

El procedimiento que abarca a todas las parafinas de cadena abierta es el siguiente:

(a) Los hidrocarburos de cadena abierta no ramificada van precedidos del prefijo n- antes del nombre.

(b) De la parafina que deseamos nombrar tomamos la cadena lineal más larga posible: es la cadena principal. El resto de los grupos ligados a la cadena principal se llaman cadenas laterales o sustituyentes. Si son dos iguales las cadenas más largas, se elige la más sustituida.

(c) Se numera la cadena principal de uno a otro extremo, de modo que correspondan los números más bajos posibles a las cadenas laterales, independientemente de la naturaleza de los sustituyentes.

(d) Las cadenas laterales se nombran por orden alfabético. Cada nombre se antecede por el número que indica la posición del átomo de carbono de la cadena principal a que está unida (un número por cada vez que aparezca) y un prefijo numérico (di-, tri-, tetra-, penta-, etc.) que indica su multiplicidad.

(e) En último lugar se nombra la parafina a la que corresponde la cadena principal.

(f) En el caso de que algunas de las cadenas laterales estén constituidas por grupos complejos, la multiplicidad de los mismos se indica con los prefijos bis, tris, tetrakis o tetraquis, pentakis o pentaquis, etc., en vez de di, tri, tetra, penta, etc.

NOMBRE No. DECARBONOS

ESTRUCTURA

Metano 1 CH4Etano 2 CH3CH3

Propano 3 CH3CH2CH3


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Butano 4 CH3 ( CH2 )2 CH3Pentano 5 CH3 ( CH2 )3 CH3Hexano 6 CH3 ( CH2 )4 CH3Heptano 7 CH3 ( CH2 )5 CH3Octano 8 CH3 ( CH2 )6 CH3Nonano 9 CH3 ( CH2 )7 CH3Decano 10 CH3 ( CH2 )8 CH3

Undecano 11 CH3 ( CH2 )9 CH3Dodecano 12 CH3 ( CH2 )10 CH3Tridecano 13 CH3 ( CH2 )11 CH3

Tetradecano 14 CH3 ( CH2 )12 CH3Pentadecano 15 CH3 ( CH2 )13 CH3Hexadecano 16 CH3 ( CH2 )14 CH3Heptadecano 17 CH3 ( CH2 )15 CH3Octadecano 18 CH3 ( CH2 )16 CH3Nonadecano 19 CH3 ( CH2 )17 CH3

Eicosano 20 CH3 ( CH2 )18 CH3Heneicosano 21 CH3 ( CH2 )19 CH3

Docosano 22 CH3 ( CH2 )20 CH3Triacontano 30 CH3 ( CH2 )28 CH3

Tetracontano 40 CH3 ( CH2 )38 CH3Pentacontano 50 CH3 ( CH2 )48 CH3Hexacontano 60 CH3 ( CH2 )58 CH3

Radicales alquílicos

Cuando se separa un átomo de hidrógeno de una parafina resulta un radical alquílico. En estado libre se denominan radicales libres y por tener un electrón desapareado son muy reactivos y su vida libre es muy corta (menos de 0.001 segundos). Se les nombra cambiando por -ilo la terminación -ano de la parafina de que provienen. Veamos algunos ejemplos:

Radical Parafina originaria

Nombre radical

—CH3 Metano Metilo—CH2—CH3 Etano Etilo—CH2—CH2—CH3 Propano Propilo

Los radicales alquílicos se suelen representar, en general, por la letra —R. De esta forma podemos representar por ejemplo a un hidrocarburo parafínico mediante:

R—H y R—CH3

Isomería en las parafinas

Si formamos cadenas carbonadas con enlaces simples carbono-carbono de modo que intentemos dar con todas y cada una de las formas posibles para las distintas fórmulas que resultan al dar valores a n en la expresión CnH2n+2, veremos que para n = 1, 2, 3, la solución es única.


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metano (CH4) etano (C2H6) propano (C3H8)

Sin embargo para n = 4, tenemos dos disposiciones posibles:

butano (C4H10) butano (C4H10)

Ambas fórmulas son de butano (C4H10), pero corresponden a sustancias distintas, pues la estructura de las respectivas moléculas es diferente. A la primera sustancia como antes hemos indicado se le debe denominar: n-butano, y a la segunda: 2 metil propano o isobutano.

Dentro de un grupo de isómeros se suele asignar el prefijo iso al que sólo difiere del de cadena no ramificada por tener como único sustituyente un grupo metilo (—CH3) en el carbono 2 de la cadena.

El número de isómeros posible crece enormemente al aumentar el número de carbonos de la cadena, sin embargo se trata únicamente de posibilidades teóricas. En la práctica sólo se ha conseguido preparar un pequeño número de los posibles isómeros con más de diez átomos de carbono (75 isómeros teóricos).

Propiedades físicas de las parafinas

Todas las parafinas son incoloras, «huelen a petróleo» y son insolubles en agua (debido a su marcado carácter no polar). Los cuatro primeros miembros de la serie homóloga n-parafinas son gases, desde el n-pentano hasta el n-hexadecano líquidos, y del n-heptadecano en adelante sólidos.

Esta serie homóloga presenta también las siguientes características:

La volatilidad disminuye al aumentar el peso molecular. Los puntos de fusión en general, se elevan al aumentar el peso molecular. La densidad es inferior a la del agua y tiende a un valor límite en toda la serie.

Estas tres propiedades no son características sólo de la serie n-parafinas sino que son generales para las distintas series de alcanos.

Los puntos de fusión y los puntos de ebullición dentro de un grupo de parafinas isómeras disminuyen al aumentar la ramificación. El efecto es más intenso en los puntos de fusión que en los de ebullición, ya que cada cadena lateral dificulta mucho la orientación de las moléculas en una red cristalina.

Reacciones de los hidrocarburos parafínicos

Veamos algunos de los procesos más característicos de entre los que sufren las parafinas:

a) Oxidación


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A temperatura ordinaria, los oxidantes usuales (oxígeno, ozono, permanganato potásico, óxido de plata, dicromato potásico, etc.) prácticamente no atacan a las parafinas o lo hacen muy lentamente. Aunque no siempre el proceso es directo, los productos finales de la oxidación de todos los hidrocarburos son dióxido de carbono y agua.

Cuando las parafinas se oxidan rápidamente a elevada temperatura bajo la acción del aire entran en combustión y se dice que arden. La combustión no siempre es completa sino que depende de la cantidad de aire que interviene.

b) Isomerización

Las parafinas en presencia de cloruro o bromuro de aluminio (como catalizador) y a una temperatura de 100 a 200 °C sufren un proceso de isomerización generalmente muy complejo, en el que se llega a una situación de equilibrio en la que coexisten varios de los isómeros posibles.

Un ejemplo sencillo sería el de isomerización del n-butano:

(Cl3Al)

200 ºC

c) Descomposición pirolítica

Consiste en la descomposición de una sustancia por la acción del calor.

Puede ocurrir que esta descomposición pirolítica de parafinas sea deseable, como ocurre en la industria del petróleo. En este caso el proceso recibe el nombre de cracking o craqueo.

Dependiendo de las condiciones de la reacción se obtienen distintos productos (según por donde se rompa la molécula).

d) Halogenación

El cloro y el bromo (el iodo no reacciona si no es en presencia de oxidantes), reaccionan con las parafinas sustituyendo átomos de hidrógeno por átomos de halógeno. La reacción con el flúor se produce con efecto violento.

Tanto el cloro como el bromo precisan del concurso de luz ultravioleta o de calor para que la reacción tenga lugar. El resultado de la reacción es una mezcla compleja de productos. Por ejemplo, la cloración del metano:

CH4 + Cl2 luz o calor ClH + CH3Cl

clorometanoTécnicatura Superior en Procesos Industriales




la reacción no se detiene aquí, y el proceso de cloración continúa, obteniéndose los siguientes productos:

CH2Cl2 : diclorometanoCHCl3 : triclorometano (cloroformo)CCl4 : tetraclorometano (tetracloruro de carbono)

En el caso de parafinas superiores se observa que el hidrógeno unido a carbono terciario es el más rápidamente sustituido; le siguen los unidos a carbono secundario, mientras que los átomos de hidrógeno unidos a carbono primario son los últimos en ser sustituidos.

e) Nitración

El ácido nítrico concentrado en fase de vapor o el ácido nítrico diluido en fase líquida actúan a elevadas temperaturas produciendo en las parafinas la sustitución de un átomo de hidrógeno por un grupo nitro (—NO2). Normalmente sólo se introduce un grupo nitro por molécula de parafina.

R—H + HONO2 R—NO2 + H2O nitroparafina

Obtención de parafinas

Los hidrocarburos saturados que se consumen en la industria se obtienen generalmente a partir de gas natural o del petróleo, del que pueden separarse mediante cuidadosas destilaciones fraccionadas. No obstante, existen numerosos métodos de laboratorio para la obtención de alcanos:

a) Hidrogenación de hidrocarburos no saturados

Tanto los alquenos como los alquinos pueden adicionar hidrógeno en presencia de catalizadores de platino, paladio o níquel, para formar el alcano con el mismo esqueleto carbonado.

CH3—CH=CH2 + H2 CH3—CH2—CH3

b) Reducción de halogenuros de alquilo

Consiste en la reducción de un halogenuro de alquilo (preferentemente un ioduro) por medio de ioduro de hidrógeno según el proceso:

R—I + IH I2 + R—H

c) Síntesis de Wurtz

Consiste en hacer reaccionar un halogenuro de alquilo (bromuro o ioduro) con sodio metálico:

CH3—I + Na CH3—I + Na

2 INa + CH3—CH3


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En general, a partir de un halogenuro de alquilo con n átomos de carbono, se obtiene una parafina con 2n átomos de carbono.

d) Hidrólisis de reactivos de Grignard

Los reactivos de Grignard, llamados corrientemente magnesianos, son compuestos del tipo:

R—Mg—X

que se hidrolizan fácilmente para dar el alcano correspondiente al radical alquílico R.

CH3—(CH2)2—Mg—Br + H2O CH3—CH2—CH3 + Br—Mg—OHbromuro de propilmagnesio propano

Hidrocarburos olefínicos o etilénicos

Nomenclatura de los hidrocarburos etilénicos

Las olefinas se caracterizan por la presencia de dobles enlaces carbono-carbono en su molécula. Para nombrarlos:

a) Se elige la cadena lineal más larga que contenga al (o a los dobles) enlaces. Será la cadena principal. El resto de los grupos serán las cadenas laterales.

b) Numeraremos de extremo a extremo la cadena principal de modo que correspondan los números más bajos posibles a los dobles enlaces.

c) Cuando intervienen varios dobles enlaces se entiende por números más bajos posibles:

1. la mínima suma de los números. 2. los mínimos números individuales.

d) Los grupos sustituyentes se nombran del modo indicado en el caso de los hidrocarburos parafínicos.

e) Por último, se nombra la olefina a la que corresponde la cadena principal, teniendo en cuenta que su nombre se forma con el nombre de la parafina del mismo número de átomos de carbono sustituyendo la terminación -ano por la terminación -eno, e indicando la posición del doble enlace con el número más bajo de los dos correspondientes a los átomos de carbono por él ligados (el número debe anteceder al nombre de la olefina).

Veamos algunos ejemplos:

2-hexeno


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3-etil-6-metil-2-hepteno

Propiedades físicas de las olefinas

Todas las olefinas son menos densas que el agua e insolubles en ella. Las olefinas al igual que las parafinas son incoloras. Las temperaturas de ebullición de cada una son muy próximas a las de la parafina de estructura similar.

El metano, como es evidente, no puede formar dobles enlaces. Eteno, propeno y n-buteno son gaseosos, del n-penteno al n-octadeceno líquidos y del n-nonadeceno en adelante son sólidos.

Isomería en las olefinas

Las olefinas presentan isomería de cadena como las parafinas, y también isomería de posición del doble enlace.

Debido a la rigidez para la rotación que es característica del doble enlace se presenta también isomería cis-trans o geométrica. Si los dos sustituyentes sobre uno de los carbonos portadores de doble enlace son iguales, no se presenta isomería geométrica.Por ejemplo:


trans-2-penteno cis-2-penteno

Reacciones de los hidrocarburos olefínicos

a) Oxidación

En cuanto a la combustión, se comportan de modo análogo a las parafinas, conduciendo a CO2 y H2O en la combustión completa y pudiendo producir CO e incluso carbono elemental si el aire está en defecto.

Gracias a la reactividad del doble enlace las olefinas reaccionan fácilmente con oxidantes normales tales como disoluciones de permanganato potásico (MnO4K).

b) Isomerización

A temperaturas elevadas y en presencia de catalizadores adecuados las olefinas se isomerizan de un modo complejo: de una parte se desplaza el doble enlace, y de otra se presenta una modificación de la cadena carbonada similar a la que sufrían las parafinas.

c) Hidrogenación


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Las olefinas en presencia de catalizadores como Ni, Co, Pt y PtO adicionan hidrógeno sobre los átomos de carbono portadores del doble enlace (adición al doble enlace), según:

RR'C=CR''R''' + H—H catalizado

r RR'CH—CHR''R'''

en donde R, R', R" y R"' pueden ser radicales alquílicos cualesquiera e incluso átomos de hidrógeno (para mayor generalidad). Por ejemplo:

d) Halogenación

Las olefinas sufren con facilidad la adición al doble enlace tanto de bromo como de cloro:

RR'C=CR''R''' + Br—Br RR'CBr—CBrR''R'''

El iodo precisa del concurso de luz ultravioleta para adicionarse con velocidad perceptible.

El flúor no se utiliza pues bajo su acción suelen romperse las moléculas orgánicas.

El cloro a 300 °C y en presencia de O2 (como catalizador) da lugar a compuestos de sustitución con preferencia a los de adición (que también se forman).

e) Adición de ácidos hidrácidos

Los ácidos hidrácidos se adicionan con facilidad sobre los dobles enlaces olefínicos. En esta reacción se cumple la denominada regla de Markownikoff.

En las adiciones de moléculas asimétricas a los alquenos, el producto principal es el formado por la adición del H o extremo positivo de la molécula adicionante al átomo del carbono portador del doble enlace ligado al mayor número de átomos de hidrógeno. Así, por ejemplo, la reacción:

CH3—CH=CH2 + BrH CH3—CHBr—CH3

tiene lugar, principalmente, como está escrita, obteniéndose 2-bromopropano, y muy poco 1-bromopropano, CH3—CH2 —CH2Br

f) Polimerización

Las olefinas tienen una notable tendencia a polimerizarse, es decir, a asociarse muchas moléculas simples (o unidades estructurales menores) para dar moléculas de elevado peso molecular medio. (polímeros o macromoléculas)

Obtención de olefinas


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Todos los alquenos de importancia industrial se obtienen en el craqueo del petróleo, del que pueden separarse mediante cuidadosas destilaciones fraccionadas. No obstante, existen algunos métodos de laboratorio para la obtención de olefinas, por ejemplo:

a) Deshidratación de alcoholes

Es un proceso de buen rendimiento, pero se ve acompañado de otros procesos secundarios difíciles de evitar (en los que se producen éteres y ésteres inorgánicos). La reacción principal es:

R—CH2—CH2OH H2SO4

150 ºCR—CH=CH2 + H2O

b) Deshidrohalogenación de parafinas monohalogenadas

La acción de potasa alcohólica en caliente sobre un monohalogenuro de alquilo, provoca la eliminación de una molécula de haluro de hidrógeno y la formación del alqueno correspondiente.

Hidrocarburos acetilénicos

Se denominan así (y también alquinos) a los hidrocarburos que tienen por lo menos un triple enlace carbono-carbono en su molécula:

—C C—

Este nombre se debe al primer elemento de la serie, CH CH, denominado corrientemente acetileno.

Nomenclatura

Los alquinos se nombran de forma análoga a las olefinas sustituyendo la terminación eno por ino (característica del triple enlace). Su fórmula empírica general es:

CnH2n-2


1-butino 2-butino 1-buten-3-ino

(no 3-buten-1-ino)

Propiedades físicas de los hidrocarburos acetilénicos

Su temperatura de ebullición es superior a la de las olefinas correspondientes. Son todos incoloros. Tienen olor aliáceo (recuerda al de los ajos). Los tres primeros (etino o acetileno, propino y n-butino) son gaseosos, desde el n-pentino al n-tetradecino son líquidos, y en adelante son sólidos. Son insolubles en agua y menos densos que ella. Se disuelven bien en éter, acetona. etc.

Isomería en los hidrocarburos acetilénicos


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Los hidrocarburos acetilénicos presentan isomería de cadena y de posición de triple enlace; sin embargo no pueden presentar isomería cis-trans ya que la dirección de la valencia no saturada de cada uno de los carbonos implicados en el triple enlace sigue la línea de unión de los átomos de carbono, —C C—.

Reacciones de los hidrocarburos acetilénicos

La mayor parte de las reacciones de los hidrocarburos acetilénicos son muy parecidas a las de las olefinas, como es de esperar, siempre que las reacciones sean de adición al triple enlace. Sobre el triple enlace se pueden adicionar cuatro átomos o grupos monovalentes de átomos hasta dar lugar a la total saturación del enlace. La saturación puede ser parcial si se detiene en el estadio de olefina.

a) Oxidación

La combustión completa conduce a la formación de CO2 y H2O. Sufren fácil oxidación frente al permanganato potásico (KMnO4), aunque en este caso los productos de la oxidación son complejos.

b) Hidrogenación

En presencia de hierro (Fe), o paladio (Pd), la hidrogenación de un hidrocarburo acetilénico se detiene en la etapa olefínica.

Si el catalizador es platino (Pt), o níquel (Ni), la hidrogenación conduce a la formación de la parafina correspondiente:

R—C CH + H2Fe o Pd R—CH=CH2

R—C CH + 2 H2

Ni o Pt R—CH2—CH3

c) Halogenación

Los hidrocarburos acetilénicos adicionan halógenos con facilidad, llegando el proceso hasta la total saturación del enlace:

R—C CH + Br2 R—CBr=CHBr R—CBr2—CHBr2

d) Adición de ácidos hidrácidos

En resumen podemos escribir la reacción principal como:

R—C CH + 2BrH R—CBr2—CH3

e) Adición de agua

Los hidrocarburos acetilénicos adicionan agua en presencia de sales mercúricas y ácido sulfúrico, y se producen cetonas:

R—C CH + H2O Hg++ R—CO—CH3


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H2SO4

Si el hidrocarburo es acetileno se produce acetaldehído, esta reacción es de gran interés en síntesis industrial.

f) Polimerización

Los alquinos se polimerizan con facilidad por la acción del calor en presencia de catalizadores como el cobre, cianuro niqueloso, etc., conduciendo con frecuencia a la formación de compuestos cíclicos, por ejemplo:

3 CH CH Cu

500 ºC

etino (acetileno) benceno

Obtención de hidrocarburos acetilénicos

De todos los alquinos, el acetileno es el único de importancia industrial; se prepara por hidrólisis del carburo cálcico:

C2Ca + 2 H2O Ca(OH2) + CH CH

que a su vez, se produce por fusión en un horno eléctrico, de carbón de coque con óxido cálcico (cal viva), obtenida por calcinación de la piedra caliza, CO3Ca.

También se fabrica acetileno por pirólisis de hidrocarburos, principalmente de metano, en hornos especiales o mediante un arco eléctrico.

Homólogos superiores del acetileno pueden obtenerse alquilando acetiluros sódicos con haluros del alquilo disueltos en amoniaco:

R—C CNa + Br—R' R—C C—R' + NaBr

Hidrocarburos aromáticos

Cuando se estudian las reacciones de algunos compuestos insaturados, cuyo ejemplo más típico es el benceno y sus derivados, se observan características marcadamente distintas de las de los compuestos alifáticos, por lo que se agrupan en una nueva serie llamada aromática, término que, en un principio, provenía del hecho de que muchos compuestos de esta serie tenían olores intensos y casi siempre agradables.

El hidrocarburo aromático más sencillo es el benceno, que constituye, además, el compuesto fundamental de toda la serie aromática. La estructura molecular del benceno ha sido estudiada exhaustivamente por numerosos métodos tanto químicos como físicos. El benceno (y los demás anillos aromáticos) no puede representarse por una sola fórmula, sino por varias llamadas estructuras resonantes o mesómeras, que son ficticias, pero cuya superposición imaginaria es capaz de dar cuenta de las propiedades características del benceno, así como de otros compuestos con resonancia.


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Modernamente, para no tener que escribir todas las estructuras resonantes, se representa el benceno por la siguiente fórmula estructural simplificada:

benceno (C6H6)

Los hidrocarburos aromáticos más sencillos pueden considerarse como derivados del benceno, por sustitución de uno o varios átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonados, bien sean saturados, como metilo, etilo, n-propilo, iso-propilo, etc., o no saturados, como etenilo o vinilo, etinilo, etc. Existen, además, muchos otros hidrocarburos aromáticos con varios anillos, llamados, por esto, polinucleares, como por ejemplo el naftaleno, antraceno, fenantreno, etcétera, y todos sus derivados por sustitución de átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonados.

Nomenclatura de los hidrocarburos aromáticos

Para nombrar los hidrocarburos derivados del benceno por alquilación tales como:

se nombra el radical y a continuación se nombra benceno, por ejemplo:

etil benceno

Cuando son dos los radicales sustituyentes, se puede proceder de dos modos distintos:

a) Se numeran los carbonos del benceno asignando la posición 1 de modo que correspondan los números más bajos posibles, y se leen los radicales indicando sus posiciones anteponiéndolas a la palabra benceno:

1-metil-2-etil-benceno

(Se han nombrado los sustituyentes en orden de complejidad creciente.)

b) El nombre se deriva de las posiciones relativas de los radicales:

posición orto. Abreviadamente: o

posición meta. Abreviadamente: m


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posición para. Abreviadamente: p

Así, por ejemplo, se nombrarán:

o-metil etil benceno m-dimetil benceno

La mayoría de los hidrocarburos aromáticos poseían nombres triviales, la mayoría de los cuales se conservan:

metilbenceno (tolueno)

naftaleno (C10H8) antraceno (C14H10)

Obtención de los hidrocarburos aromáticos

Por destilación del alquitrán de hulla se o tienen benceno, tolueno (metilbenceno), xilenos (dimetilbenceno), naftaleno, antraceno y fenantreno.

Los métodos generales de obtención de hidrocarburos bencénicos son:

a) Síntesis de Wurtz-Fittig

+ 2Na + Br—R + 2NaBr

b) Síntesis de Friedel y Crafts

+ Br—CH3

Cl3Al

+ 2NaBr

Propiedades físicas y químicas de los hidrocarburos aromáticos

Son todos incoloros (el antraceno presenta fluorescencia azulada) muy aromáticos, insolubles en agua y menos densos que ésta.

Las reacciones más importantes de los hidrocarburos aromáticos son las de sustitución, en las que un grupo funcional sustituye a uno de los átomos de hidrógeno del anillo aromático:

a) Halogenación

El benceno en presencia de luz solar adiciona cloro hasta llegar a hexacloro ciclohexano:


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+ 3 Cl2

Luz U.V.

benceno hexaclorociclohexano

b) Nitración

Consiste en la sustitución de un hidrógeno por el grupo —NO2, y se produce por la acción del ácido nítrico, en presencia de ácido sulfúrico (mezcla sulfonítrica):

+ NO3H

SO4H2

+ H2O benceno nitrobenceno

c) Sulfonación

Consiste en la sustitución de un hidrógeno por el grupo —SO3H, y se produce por la acción, en caliente, del ácido sulfúrico concentrado:

+ SO4H2 + H2O benceno ácido bencenosulfónico

d) Reacciones de Friedel-Crafts

Consisten en la sustitución de un hidrógeno por un radical alquilo,—R, llamada alquilación; o por un radical acilo,—RCO—, llamada acilación. Ambas reacciones se producen, respectivamente, mediante la acción de halogenuros de alquilo, R—X, o de halogenuros de acilo, R—CO—X, en presencia del cloruro de aluminio anhidro, como catalizador. Por ejemplo:

+ CH3—CH2Cl

Cl3Al

+ ClH cloroetano etilbenceno

+ CH3—COCl

Cl3Al

+ ClH cloruro de acetilo metilfenilcetona

Como puede observarse en la alquilación se producen otros hidrocarburos aromáticos, mientras que la acilación conduce a cetonas aromáticas, siendo el método de Friedel-Crafts muy utilizado para la síntesis de estos compuestos.


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Halogenuros alifáticos y aromáticos

Los compuestos o derivados halogenados son sustancias que solo tienen átomos de carbono, hidrógeno y uno o más halógenos ( flúor, cloro, bromo o yodo ) se les considera derivados de los hidrocarburos por sustitución de uno o más hidrógenos por halógenos, o derivados de los alcoholes por sustitución del oxidrilo(OH) por un halógeno.

La fórmula general es: R-X

donde la X puede ser: F, Cl, Br, o I. Y la R un grupo alquilo.

Por el número de átomos de halógeno se les divide en monohalogenados, también llamados, haluros de alquilo o arilo y polihalogenados.

Nomenclatura

Usualmente los derivados monohalogenados se les llama cloruros, bromuros, yoduros de alquilo. Por ejemplo:

CH CH CH

Cl33

3CH CH25CH Br2

cloruro de isopropilo bromuro de heptilo.

(ó 2-cloropropano) (ó 1-bromoheptano)

CH CH CH3 3CHCH2 2

I

yoduro de secamilo

(ó 2-yodopentano)

Los derivados polihálogenados del metano y del etano reciben nombres comunes:

CH2Cl2 HC Cl3 CCl F2 2

cloruro de metileno cloroformo freón-12

ó diclorometano ó triclorometano 1,1-dicloro-2,2-difluormetano

Según la IUPAC se les considera derivados de los hidrocarburos, en los que uno o más hidrógenos han sido sustituidos por halógenos. Con prefijos se indica la posición, el número y la naturaleza de los átomos de halógenos, los cuales se enunciarán en orden decreciente a su masa atómica, yodo, bromo, cloro, flúor.

Propiedades físicas


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El fluorometano, clorometano, bromoetano, fluoretano, fluoruro y cloruro de vinilo, son gases a la temperatura ambiente. Los demás derivados halógenados son líquidos o sólidos.

Gas natural y petróleo

El petróleo es una mezcla compleja de sustancias orgánicas formadas por restos de animales y vegetales que han estado sometidos a la acción bacteriana y a la acción catalítica de algunos compuestos inorgánicos durante millones de años.

La composición del petróleo es variable, aunque todos contienen parafinas de 1 a 40 átomos de carbono. Estos hidrocarburos componen las fracciones de punto de ebullición más bajo de los petróleos. Las fracciones de puntos de ebullición más altos son los que varían según el país de procedencia: cicloparafinas en el petróleo asfáltico de Bakú y Venezuela, o hidrocarburos aromáticos en el petróleo de Borneo.

El petróleo se emplea como materia prima en la industria química de síntesis, farmacia, perfumería, etc. Su importancia radica en los productos que pueden separarse por destilación fraccionada.

En la siguiente tabla se indican los más importantes y su uso:

Nombre Punto ebullición (°C) Composición aproximada Usos

Gasolina ligera 20 - 100 C5H12—C7H16 DisolventeBencina 70 - 90 C6H14—C7H16 Limpieza en seco Ligroína 80 - 120 C6H14—C8H18 DisolventeGasolina 70 - 200 C6H14—C11H24 Carburante de

motoresQueroseno 200 - 300 C12—C16 AlumbradoGasóleo 300 - 400 C13—C18 CarburanteAceite lubricante > 400 C16—C20 LubricantesGrasas, vaselina, etc. > 400 C18—C22 Preparaciones

farmacéuticas Cera de parafina > 400 C20—C30 Velas, papel encerado Residuo (asfalto) No volátil C30—C40 Alquitrán asfáltico,

coque de petróleo

Craqueo

Cuando la demanda de las fracciones destinadas al consumo en los motores se incrementó, fue necesario aumentar el rendimiento de estas fracciones (de cada 100 l de petróleo bruto sólo se obtienen por destilación 12 l de gasolina de automóvil).

El aumento del rendimiento se ha conseguido con una técnica llamada craqueo, que consiste en calentar las fracciones pesadas para obtener hidrocarburos de 5 a 10 átomos de carbono De esta forma se ha ido logrando duplicar la producción de gasolina extraída del petróleo crudo.

En el «cracking» se producen cantidades importantes de hidrocarburos gaseosos no saturados mezclados con los saturados, y para eliminarlos se realiza una destilación bajo presión, proceso que recibe el nombre de estabilización de las gasolinas.


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Refinado o purificación de las fracciones del petróleo

Las distintas fracciones de la destilación del petróleo no pueden utilizarse si no se someten previamente a un proceso de refinación adecuado.

Mediante el refinado se mejoran muchas características de los productos extraídos, como el olor, la estabilidad, oxidación al aire, etc.

En el caso de la gasolina, el objeto más importante del refinado consiste en eliminar los compuestos de azufre, éstos disminuyen la sensibilidad de la gasolina al plomo, tienen olor desagradable y atacan los recipientes metálicos. Para ello se procede al lavado de estas gasolinas con álcalis cáusticos y a añadirles inhibidores que evitan la formación de gomas por oxidación y polimerización.

¿Qué es el índice de octanos?

Hay varios tipos de gasolinas: súper (96 octanos), normal (90 octanos), etc. Las gasolinas contienen hidrocarburos volátiles que facilitan el arranque del motor.

No deben contener residuos gomosos, deben dar un buen kilometraje por litro consumido, y además tienen que ser antidetonantes. Mediante el índice de octanos se mide el poder antidetonante de una gasolina.

La eficacia de los motores de explosión es tanto mayor cuanto mayor sea la relación de compresión. Ésta se obtiene dividiendo el máximo y mínimo volumen del cilindro del motor, que dependen del recorrido del pistón.

La mayor parte de las gasolinas obtenidas por destilación directa detonan antes de que el pistón llegue al final de su recorrido, es decir, antes de que el volumen del cilindro llegue a ser el menor posible. Esta detonación anticipada disminuye el rendimiento del motor y ocasiona lo que suele llamarse «pistoneo», contribuyendo a su deterioro.

Los hidrocarburos de cadena lineal detonan antes de que el pistón llegue a comprimirlos totalmente; los ramificados, en cambio, son menos detonantes.

Uno de los hidrocarburos que tienen más facilidad para detonar es el n-heptano, al cual se le asignó poder antidetonante cero, en cambio, el 2, 2,4-trimetil pentano, llamado también isooctano, es muy antidetonante, y por esta razón se le asignó el poder antidetonante 100.

Si la gasolina tiene el mismo valor antidetonante que una mezcla de 75 % de isooctano y 25 % de n-heptano, se dice que tiene 75 octanos.

Las gasolinas de automóvil de índices de octano bajos se pueden mejorar mediante el reformado, proceso similar al craqueo, que transforma los alcanos de cada lineal en alcanos ramificados y aromáticos.

También se puede aumentar el índice de octano de una gasolina añadiéndole inhibidores de la detonación, como el tetraetilplomo, muy cuestionado en la actualidad por ser un gran contaminante.

Los índices de octano han aumentado considerablemente en las últimas décadas, obteniéndose hoy día gasolinas para aviación con índice de octanos superior a 100.

La gasolina polimerizada posee un índice de octano muy elevado (hasta 100 octanos).


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En la actualidad se obtienen gasolinas sintéticas, semejantes a las naturales, por hidrogenación de alquitranes y aceites pesados, a alta presión a 450 ºC de temperatura y en presencia de catalizadores.

QUÍMICA II - Series de ejercicios: Unidad Nº1 – Unidad Nº2

Ejercitación.

1) Un compuesto orgánico dio los siguientes porcentajes en su composición: 71,7 % de cloro y 4,1 % de hidrógeno. Además, 1 litro de dicho compuesto en estado gaseoso medido a 745 mm Hg y 110 ºC tiene una masa de 3,12 g. Hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular.

2) Indica el tipo de carbono, primario (a), secundario (b), terciario (c) o cuaternario (d) que hay en la siguiente cadena carbonada:

CH3 CH3

CH3–C – CH–CH2 – C – CH2 –CHCl–CH3

CH2 CH2OH CH3 CH3

3) Describir la hibridación de cada átomo de carbono en cada una de las siguientes estructuras.

a) CH3Cl b) CH3OH c)CH3CH2CH3 d) CH2=CH2


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4) Calcular las fórmulas empíricas basadas en las siguientes composiciones centesimales. Si los porcentajes totales no suman 100%, suponer que el resto es debido al oxígeno.

a) C 92.31%; H 7.69%

b) C 62.07%; H 10.34%

c) C 71.11%; H 6.67%; N 10.37%

d) C 48.70%; H 2.90%; Cl 20.58%

e) C 83.72%; H 16.28%

5) Calcular la composiciones centesimales para cada uno de los siguientes compuestos.

a) Aspirina, C9H8O4 b) Acetaminofeno, C8H9NO2 C) Ibufreno, C13H18O2

6) Una muestra de 1,261 g de cafeína contiene 0,624 g de C; 0,065 g de H; 0,364 g de N y el resto de O. Determinar sus fórmulas mínima y molecular, sabiendo que su masa molecular es 194.

7) Calcular la composición centesimal de cada elemento en los siguientes compuestos:

a- CH4O b- CH5N c- CH3I d- CH4N2O

e. C12H22O11

8) Un hidrocarburo gaseoso tiene un peso molecular de 30 y contiene 80 % de C y 20 % de H. ¿Cuál es la fórmula molecular?.

9) Siendo la composición centesimal de una sustancia la siguiente:

C: 39,34 % H: 8,19 % O: 52,5 % y su peso molecular de 122, ¿cuál será su fórmula?.

10.1. Dése la fórmula estructural de:

(a) 1-bromo-2,2-dimetilpropano (d) 3-metil-2-pentano

(b) 2-bromo-1-propano (e) 2,2,2-trifluoroetano

(c) 2-cloro-2,3-dimetilpentano

10.2. Dibújese la fórmula y dése el nombre IUPAC de:

(a) (CH3)2CHCH2I (b) (CH3)2CHCHCICH3

(c) CH3CHBrC( CH3)2CH2CH3 (f) (CH3)2CCICBr(CH3)2


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11. Dénse las estructuras y los nombres de los productos orgánicos principales que resultan de la reacción (si la hay) del bromuro de n-butilo con:

(a) NaOH(ac) (b) H2SO4 concentrado, frío c) KMnO4 diluido, neutro

d )Br2/CCI4 (e) Mg, éter

12. Dénse los reactivos, inorgánicos y orgánicos, necesarios para convertir bromuro de n-butilo en:

(a) yoduro de n-butilo

(b) cloruro de n-butilo

(c) bromuro de n-butilmagnesio

13. ¿Cuál es la composición porcentual de:

(a) C3H7CI (c) C4H8O2 (d) CH4ON2

(b) C2H6O

14. ¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto orgánico cuya composición porcentual es:

(a) 85.6% C, 14.4% H (d) 29.8% C, 6.3% H, 44.0% CI

15. La combustión de 6.51 mg de un compuesto dio 20.47 mg de dióxido de carbono y 8.36 mg de agua. Se le encontró un peso molecular de 84. Calcúlese: (a) la composición porcentual; (b) la fórmula empírica, y (c) la fórmula molecular del compuesto.

16. Un líquido de peso molecular 60 contiene 40.0% carbono y 6.7% hidrógeno. ¿Cuál es la fórmula molecular del compuesto?

17. La hormona insulina contiene 3.4% azufre. (a) ¿Cuál es el peso molecular mínimo de la insulina? (B) El peso molecular verdadero es 5734: ¿cuántos átomos de azufre se hallan probablemente en cada molécula?

18. Dése la fórmula estructural de:

(a) 2,2,3,3-tetrametilpentano (f) 2,5-dimetilhexano

(b) 2,3-dimetilbutano (g) 3-etil-2-metilpentano

(c) 3,4,4,5-tetrametilheptano (h) 2,2,4-trimetilpentano


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(d) 4-etil-3,4-dimetilheptano (i) 3-cloro-2-metilpentano

(e) 4-etil-2,4-dimetilheptano (j) 1,2-dibromo-2-metilpropano

19. Escríbase la fórmula estructural y dése el nombre IUPAC de:

(a) (CH3)2CHCH2CH2CH3 (d) (CH3)2CCICH(CH3)2

(b) CH3CBr2CH3 (e) (CH3)2CHCH2CH2CH(C2H5)2

(c) CH3CH2C(CH3)2CH2CH3 (f) (CH3)2CHCH(CH3)CH2C(C2H5)2CH3

(g) (C2H5)2C(CH3)CH2CH3 (h) (CH3)2CHC(C2H5)2CH2CH2CH3

(i) CH3CH2CH(CH3)CH(CH3)CH(CH3)2 (j) CH3CH2CHCH2CHCH2CH3

20. ¿Qué alcano o alcanos de peso molecular 86 tienen: (a) dos derivados monobromados, (b) tres (c) cuatro, (d) cinco? (e) ¿Cuántos dibromoderivados tiene el alcano de (a)? (f) Nómbrense los derivados monobromados en (a).

21. Dése la fórmula estructural de:

(a) 3,6-dimetil-1-octeno (e) (Z)-3-cloro-4-metil-3-hexeno

(b) 3-cloropropeno (f) (E)-1-deutero-2-cloropropeno

(c) 2,4,4-trimetil-2-penteno (g) (R)-3-bromo-1-buteno

(d) trans-3,4-dimetil-3-hexeno (h) (S)-trans-4-metil-2-hexeno

22. Dibújese la fórmula estructural y dése el nombre IUPAC de:

(a) isobutileno (d) trans-(CH3)2CHCH=CHCH(CH3)2

(b) cis-CH3CH2CH=CHCH2CH3 (e) (CH3)2CHCH2CH=C(CH3)2

(c) (CH3)3CCH=CH2 (f) (CH3CH2)2C=CH2

23. Indíquese cuáles de los siguientes compuestos presentan isomería geométrica (cis-trans); dibújese las estructuras isómeras.

(a) 1-buteno (g) 2-penteno

(b) 2-buteno (h) 1-cloropropeno

(c) 1,1-dicloroeteno (i) 1-cloro-2-metil-2-buteno

(d) 1,2-dicloroeteno (j) 4-etil-3-metil-3-hexeno

(e) 2-metil-2-buteno (k) 2,4-hexadienoTécnicatura Superior en Procesos Industriales




(f) 1-penteno (CH3CH=CHCH=CHCH3)

24. Dense las estructuras de los productos que se espera obtener por deshidrogenación de:

(a) 1-bromohexano (e) 3-bromo-2-metilpentano

(b) 2-bromohexano (f) 4-bromo-2-metilpentano

(c) 1-bromo-2-metilpentano (g) 1-bromo-4-metilpentano

(d) 2-bromo-2-metilpentano (h) 3-bromo-2,3-dimetilpentano

25.- Formular:

1.- 2-metilheptano 2.- 3,5-dimetilheptano3.- 5-propilnonano 4.- isobutano5.- neopentano 6.- 4-etil-5-isopropil-3,4-dimetil-7-propilundecano7.- terc-butilciclononano 8.- 6,6,9-tris(1,1,2-trimetilbutil)pentadecano9.- trans-1,2-dipropilciclobutano 10.- 2-ciclohexil-5-propil-3,3-dimetilheptano

26.- Obtenga bromuro de etilo a partir de:a) Un alcano b) un alqueno c) un alquino

27.- Obtenga 2-bromopropano a partir de :a) Un alcano b) un alqueno c) un alquino

28).- Complete las siguientes reacciones:CH3

-CH3 HNO3+CH3

-CH=CH-CH=CH-CH3 HBr

+++

++

CH3-CH=CH-CH2

-CH-CH2 HBrciclopentanociclopropano

Br2h

HCl FeCl3

CH3-CH2

-CH3 H2SO4

29).- Complete las siguientes reacciones planteando el producto mayoritario

CH3

Br2

HCl+

h

30) Escriba la estructura de los productos que pueden obtenerse por monocloración de;a) isopentano b) 2,2,4-trimetilpentano c) n-hexano


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31) Indique cual de los siguientes alquenos presenta isomería CIS-TRANS:a) 1-buteno; b) 2-hexeno; c) 2,3-dicloro-2-buteno; d) 2-metil-2-buteno.

32) Diga todos los productos de las reacciones indicadas:a) Propeno + Cl2---------------------------b) 4- metil-ciclo hexeno + Br2 ------------c) metilen-ciclohexeno + HCl---------------------- + KMnO4---------------- + Ozonólisis------------33) Escribe la estructura de los siguientes derivados del benceno.

1- Ácido m - clorobensensulfónico.

2- o-dietilbenceno.

3- p-cloroestireno.

34) Anota el nombre que le corresponde a cada una de las siguientes estructuras.COOH

I

CH3

F

OH

NH2

CHO

NH2

CH2CH3

HO

SO3H

CH2CH3

CH3

CHO

OCH3

NO2

NH2

O2N

1.-__________________ 2._____________________ 3._________________

4.-______________________ 5.-______________________ 6.-_____________________

7.-________________________ 8.-_____________________ 9.-__________________


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Unidad temática 3: COMPUESTOS OXIGENADOS

Compuestos oxigenados simples. Alcoholes, fenoles y éteres

En este tipo de compuestos orgánicos, que comprende a los denominados alcoholes, fenoles y éteres, el átomo de oxígeno se encuentra formando únicamente enlaces sencillos, C—O y O—H. Los alcoholes se pueden representar por la fórmula general R—OH, donde el grupo característico hidroxilo (O—H) se encuentra unido a un carbono alifático. En los fenoles, de fórmula general Ar—OH, el grupo hidroxilo se encuentra unido a un carbono aromático. Los éteres se caracterizan por el grupo oxi, —O—, en el que el átomo de oxígeno se encuentra unido a dos átomos de carbono, C—O—C.

Tanto los alcoholes y fenoles, como los éteres, pueden considerarse como derivados del agua por sustitución de uno o de los dos hidrógenos de la molécula, respectivamente, por radicales hidrocarbonados. Este parentesco se pone de manifiesto, en particular, en alcoholes y fenoles que, al conservar un grupo OH, tienen ciertas propiedades que recuerdan a las del agua. El ángulo de enlace C—O—H ó C—O—C es parecido al del agua y vale aproximada mente 107º. Asimismo, es parecida, un poco menor, la energía del enlace O—H ( 105 kcal/mol), mientras que la del enlace C—O es bastante menor ( 85 kcal/mol). Ambos enlaces son muy polares, pues la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno los polariza fuertemente.

El enlace O—H es mucho más polar que el C—O, a lo que se debe, en gran parte, su mayor reactividad. Esto, unido a la mayor estabilidad del ion hidroxilo, HO—, respecto a los iones alcóxido, R—O—, hace que los alcoholes y fenoles sean mucho más reactivos que los éteres, que son, en realidad, compuestos bastante inertes, por lo que se usan mucho como disolventes para llevar a cabo numerosas reacciones orgánicas.

Nomenclatura de alcoholes y fenoles

Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, según el tipo de átomo de carbono al que va unido el grupo —OH, esto es, según que este carbono vaya unido a su vez a uno, dos o tres átomos de carbono, respectivamente.

Los alcoholes se nombran sistemáticamente sustituyendo por ol la o terminal del hidrocarburo del que derivan e indicando la posición del —OH por un número, que suele colocarse al final del nombre. Se usan también con frecuencia nombres comunes,


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formados por la palabra alcohol seguida del nombre, terminado en ico, del radical que soporta el grupo —OH. Los fenoles se nombran como derivados del primer término, fenol, precedido del nombre y posición de los restantes sustituyentes.


El parentesco de los alcoholes y fenoles con el agua se pone de manifiesto en muchas de sus propiedades fisicoquímicas. Así, por ejemplo, los primeros términos de la serie de los alcoholes, de uno a tres átomos de carbono, son completamente miscibles con el agua, con la que forman enlaces de hidrógeno, análogos a los que existen entre las propias moléculas de agua o de los alcoholes entre sí. Al aumentar el número de átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada, se hace cada vez menor la influencia relativa del grupo hidroxilo, por lo que disminuye mucho su solubilidad en agua, siendo ya prácticamente insolubles los alcoholes con diez o más átomos de carbono.

En estado sólido y en estado líquido, las moléculas de los alcoholes y fenoles están muy asociadas mediante enlaces de hidrógeno, formando cadenas de varias moléculas, lo que explica sus puntos de fusión y de ebullición anormalmente elevados Como ocurre, en general, en todas las series homólogas, los puntos de fusión y de ebullición de los alcoholes de cadena lineal aumentan con el número de átomos de carbono. Así, los alcoholes inferiores son líquidos incoloros, muy fluidos y relativamente volátiles; los de 6 a 11 átomos de carbono son ya líquidos viscosos; y el dodecanol, esto es, con 12 átomos de carbono (alcohol laurílico), es el primer alcohol de cadena lineal que es sólido a la temperatura ambiente.

Métodos de obtención

Los principales métodos de obtención de alcoholes son:

a) Hidratación de alquenos

Se trata de una reacción de adición electrófila, que esquemáticamente puede representarse mediante la ecuación:

R—CH=CH2 + H2O S04H2

R—CHOH—CH3

El grupo OH (parte negativa de la molécula de agua, HO ... H ) se adiciona al átomo de carbono más sustituido del doble enlace. Por ello, éste es un método muy apropiado para la obtención de alcoholes secundarios y terciarios, algunos de los cuales se preparan así industrialmente a partir de las fracciones de olefinas procedentes del craqueo del petróleo. Asimismo, éste es el método industrial más importante de fabricación de alcohol etílico, por hidratación del etileno, CH2=CH2 en presencia de ácido sulfúrico.

b) Hidrólisis de halogenuros de alquilo

Se lleva a cabo normalmente en disolución de etanol acuoso y en presencia de catalizadores básicos, como KOH, AgOH, CO3Ca, etc.

R—CH2—Cl + AgOH ClAg + R—CH2OH

c) Reducción de compuestos carbonílicos


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Esta reacción puede realizarse industrialmente con hidrógeno, en presencia de catalizadores, o bien en el laboratorio, mediante el hidruro de litio y aluminio, LiAlH4. Con aldehídos se obtienen alcoholes primarios y con cetonas alcoholes secundarios, según las siguientes ecuaciones:

LiAlH4

aldehído alcohol primario

LiAlH4

cetona alcohol secundario

d) Mediante reactivos de Grignard

La adición de un magnesiano o reactivo de Grignard a un compuesto carbonílico da lugar a un halogenuro de alcoximagnesio, que por hidrólisis conduce a un alcohol. Cuando se emplea formaldehído, H2C=O, como producto de partida, se obtiene un alcohol primario; con los restantes aldehídos se obtienen alcoholes secundarios y con las cetonas alcoholes terciarios.

e) Métodos especiales

Los dos primeros miembros de la serie de alcoholes alifáticos, metanol y etanol, se obtienen también por métodos especiales que conviene mencionar. El metanol se obtenía antiguamente por destilación seca de la madera, de donde procede el nombre de alcohol de madera con que a veces se le conoce. Modernamente, casi todo el metanol que se consume en la industria se obtiene por hidrogenación catalítica del monóxido de carbono, según la reacción:

CO + 2H2 CH3OH

que se lleva a cabo a unos 400 °C y 200 atm, en presencia de catalizadores formados corrientemente por una mezcla de óxidos de cromo y de cinc. El alcohol metílico es muy venenoso. Por ello, el consumo humano de alcohol etílico para usos industriales, que está desnaturalizado con metanol produce graves lesiones en la vista, ceguera e incluso la muerte.

El etanol (alcohol del vino) se ha venido produciendo desde la antigüedad por fermentación de los azúcares (como glucosa), contenidos en jugos de frutos, para la fabricación de bebidas alcohólicas. La fermentación se produce por la acción de enzimas


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(o fermentos), que son catalizadores orgánicos complejos segregados por las células de levaduras, obteniéndose, como productos finales, etanol y CO2, según la reacción global:

C6H1206 2CO2 + 2CH3—CH2OHglucosa etanol

Además de la glucosa pueden también fermentar por la acción de levaduras otros azúcares más complejos y el almidón, contenido en la patata y cereales, que primero se desdoblan en azúcares simples, antes de la fermentación alcohólica propiamente dicha. Una concentración elevada de alcohol impide el proceso de fermentación, por lo que sólo pueden obtenerse concentraciones del 10 al 18 % en etanol, que son típicas de los vinos naturales. Por destilación fraccionada puede lograrse aumentar la riqueza en etanol hasta el 95 %, con 5% de agua, que es la composición que circula en el comercio y se vende en las farmacias como alcohol «puro».

f) Obtención de fenoles

Algunos fenoles forman parte de los aceites ligeros procedentes de la destilación seca de la hulla, de donde se extraen con disolución acuosa de sosa cáustica, tratamiento posterior con ácido sulfúrico y destilación fraccionada. El propio fenol, que es el más importante de todos por su empleo para la fabricación de plásticos (baquelita), suele obtenerse también por síntesis, bien por fusión con NaOH del ácido bencenosulfónico C6H5SO3H, o por hidrólisis del clorobenceno, a temperatura y presión elevadas (350 °C y 200 atm).

Modernamente se obtiene también por oxidación catalítica del isopropilbenceno (cumeno), proceso en donde, además del fenol, se produce acetona, que es también un producto muy cotizado industrialmente.

Reacciones de los alcoholes

a) Esterificación

Los alcoholes reaccionan con los ácidos oxácidos inorgánicos y con los ácidos carboxílicos dando lugar a la formación de ésteres.

CH3OH + HONO2 H2O + CH3ONO2

metanol ácido nítrico nitrato de metilo

CH3—CH2OH + HOSO2OH H2O + CH3—CH2OSO2OH

etanol ácido sulfúrico sulfato ácido de etilo

La formación de ésteres con ácidos inorgánicos es un proceso rápido y el equilibrio está muy desplazado hacia la formación de ésteres.

La formación de ésteres de ácidos orgánicos no transcurre de modo completo sino que se alcanza una situación de equilibrio (lentamente en ausencia de catalizadores).

CH3COOH + HOCH2—CH3 H2O + CH3—COOCH2—CH3


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ácido acético etanol acetato de etilo

Un éster inorgánico muy importante es el trinitrato de glicerina, llamado comúnmente nitroglicerina, y que se obtiene por cuidadosa reacción de una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados con propanotriol (glicerina). La nitroglicerina es un líquido aceitoso incoloro y extraordinariamente explosivo. Para poderla manejar con cierta seguridad se impregna con ella un polvo inerte (tierra de diatomeas), lo que constituye la dinamita, descubierta por el célebre químico sueco A. Nobel, creador, con los intereses de su fortuna, de los famosos premios Nobel.

b) Reacción con los halogenuros de hidrógeno

Los alcoholes reaccionan con los halogenuros de hidrógeno para dar lugar a la formación de halogenuros de alquilo, por ejemplo:

CH3—CH2OH + HCl

Cl2Zn

H2O + CH3—CH2Cl

etanol cloruro de etilo

Con un alcohol determinado el IH reacciona más rápidamente que el BrH y éste más que el ClH.

Con un halogenuro de hidrógeno determinado, los alcoholes terciarios reaccionan más rápidamente que los secundarios y estos más que los primarios. Así, la reacción entre el ClH y un alcohol primario conviene catalizarla con Cl2Zn a fin de que tenga lugar con velocidad apreciable.

c) Formación de alcoholatos

Los metales alcalinos reaccionan con los alcoholes con producción de alcoholatos según:

(RR'R'')C—OH + Na 1/2 H2 + (RR'R'')C—ONa

alcohol alcoholato de sodio

Los alcoholes primarios reaccionan más rápidamente que los secundarios y estos más que los terciarios.

d) Oxidación

Cuando los alcoholes se calientan en el aire o en oxígeno, arden formando CO2 y H2O, siendo más fácil la combustión de los términos inferiores. Los calores de combustión de los alcoholes son bastante menores que los de los hidrocarburos correspondientes, lo que es lógico, puesto que los alcoholes se encuentran ya en un estado de oxidación superior al de los hidrocarburos. No obstante, se pueden emplear como combustibles, en particular los dos primeros términos (metanol y etanol), y a veces se añaden también como aditivos a los carburantes ordinarios.

Aparte de la combustión, que supone la oxidación completa, se puede realizar una oxidación controlada, que suele llevarse a cabo en el laboratorio con la ayuda de


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dicromato o permanganato potásico en medio sulfúrico diluido. Así, los alcoholes primarios se transforman en aldehídos, aunque el proceso suele continuar hasta la formación de ácidos carboxílicos. Los alcoholes secundarios bajo la acción del mismo agente oxidante dan lugar a cetonas y la oxidación no prosigue.

e) Deshidratación

A excepción del metanol, los alcoholes se deshidratan en caliente por la acción del ácido sulfúrico dando lugar a olefinas. Los alcoholes terciarios son los que se deshidratan con mayor facilidad, seguidos de los secundarios y los primarios por este orden:

HCH2—CH2OH H2SO4

150ºH2O + CH2=CH2

etanol eteno

Éteres

Los éteres son compuestos que tienen un átomo de oxígeno unido a dos radicales hidrocarbonados.Se les puede considerar el resultado de sustituir el hidrógeno del grupo OH de los alcoholes por un radical hidrocarbonado. Según el tipo de estos radicales, los éteres pueden ser:

Alifáticos, R—O—R (los dos radicales alquílicos). Aromáticos, Ar—O—Ar (los dos radicales arílicos). Mixtos, R—O—Ar (un radical alquílico y otro arílico).

Los éteres se llaman simétricos cuando los dos radicales son iguales y, asimétricos, si son distintos.

Nomenclatura

En la nomenclatura sistemática de los éteres se nombra primero la cadena hidrocarbonada más sencilla, cambiando la terminación del respectivo hidrocarburo por oxi (indicando si es preciso su posición con un número), y a continuación se nombra el hidrocarburo correspondiente a la otra cadena:

CH3—O—CH2—CH3 metano-oxietano

Es también muy corriente nombrar los éteres mediante los nombres de los dos radicales unidos al oxígeno, seguidos de la palabra éter. Ejemplos:

CH3—CH2—O—CH2CH3

etoxietano (dietiléter; éter etílico) metoxibenceno (metilfeniléter; anisol)


Las moléculas de los éteres, al carecer de grupos —OH, no pueden asociarse a través de enlaces de hidrógeno, como ocurría en alcoholes y fenoles, por lo que sus puntos de fusión y de ebullición son bastante bajos, comparables a los de los hidrocarburos de análogo peso molecular. Así, el dimetiléter (p.e. = - 24 ºC) y el etilmetiléter (p.e. = 11 ºC)


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son gases a la temperatura ambiente y después ya son líquidos muy volátiles, cuyos puntos de ebullición aumentan regularmente con el peso molecular.

Su solubilidad en agua es similar a la de los alcoholes de estructura semejante y peso molecular comparable. Son más solubles en ClH y todavía más en SO4H2 concentrado.

Obtención

a) Deshidratación de alcoholes

Los éteres alifáticos simétricos pueden obtenerse por deshidratación de alcoholes, mediante la acción del ácido sulfúrico. Este es uno de los métodos comerciales de preparación del éter ordinario, dietiléter, por lo que se llama frecuentemente éter sulfúrico.Se lleva a cabo tratando el alcohol con ácido sulfúrico a 140°. La deshidratación es intermolecular:

CH3—CH2OH

CH3—CH2OH

H2SO4

140ºH2O + CH3—CH2—O—CH2CH3

etanol dietiléter

Este proceso se ve fácilmente afectado por reacciones secundarias, como la formación de sulfatos de alquilo (especialmente si baja la temperatura), y la formación de olefinas (especialmente si sube la temperatura).

La deshidratación de alcoholes puede también realizarse en fase vapor, sobre alúmina a 300°, aunque este procedimiento sólo es satisfactorio con alcoholes primarios, ya que los secundarios y los terciarios dan lugar a la formación de olefinas.

b) A partir de alcoholatos (Síntesis de Williamson)

Los alcoholatos dan lugar a la formación de éteres al ser tratados con halogenuros de alquilo según:

R—ONa + IR' R—O—R' + NaIalcoholato halogenur

ode alquilo

éter

Propiedades químicas

Los éteres tienen muy poca reactividad química, debido a la dificultad que presenta la ruptura del enlace C—O. Por ello, se utilizan mucho como disolventes inertes en reacciones orgánicas. En contacto con el aire sufren una lenta oxidación en la que se forman peróxidos muy inestables y poco volátiles. Estos constituyen un peligro cuando se destila un éter, pues se concentran en el residuo y pueden dar lugar a explosiones. Esto se evita guardando el éter con hilo de sodio o añadiendo una pequeña cantidad de un reductor (SO4Fe, LiAIH4) antes de la destilación.


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Aldehídos y cetonas

Los aldehídos y las cetonas contienen el grupo funcional carbonilo, . Se diferencian entre sí en que en los aldehídos este grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena hidrocarbonada, por lo que tiene un átomo de hidrógeno unido a él

directamente, es decir, que el verdadero grupo funcional es , que suele escribirse, por comodidad, en la forma —CHO. En cambio, en las cetonas, el grupo carbonilo se encuentra unido a dos radicales hidrocarbonados: si éstos son iguales, las cetonas se llaman simétricas, mientras que si son distintos se llaman asimétricas. Según el tipo de radical hidrocarbonado unido al grupo funcional, los aldehídos pueden ser alifáticos, R—CHO, y aromáticos, Ar—CHO; mientras que las cetonas se clasifican en alifáticas, R—CO—R', aromáticas, Ar—CO—Ar, y mixtas; R—CO—Ar, según que los dos radicales unidos al grupo carbonilo sean alifáticos, aromáticos o uno de cada clase, respectivamente.

Conviene hacer notar que, si bien los aldehídos y cetonas son los compuestos más sencillos con el grupo carbonilo, hay otros muchos compuestos que contienen también en su molécula el grupo carbonilo que, junto a otras agrupaciones atómicas, constituyen su grupo funcional característico. Entre estos compuestos podemos citar: ácidos carboxílicos, —CO—OH; halogenuros de acilo, —C—X, ésteres, —CO—OR, amidas, —CO—NH2 , etc., sin embargo, el nombre de compuestos carbonílicos suele utilizarse en sentido restringido para designar exclusivamente a los aldehídos y cetonas.

Nomenclatura

En la nomenclatura sistemática, los aldehídos se nombran cambiando por al la o terminal del nombre del hidrocarburo correspondiente a la cadena hidrocarbonada más larga que incluya el grupo funcional —CHO, al que se le asigna la posición 1 a efectos de enumerar los posibles sustituyentes. Los nombres de las cetonas se forman de manera análoga, pero cambiando por ona la o terminal del hidrocarburo progenitor e indicando, si es preciso, la posición del grupo —CO— con un número (el más bajo posible). Las cetonas suelen nombrarse también corrientemente mediante los nombres de los dos radicales unidos al grupo carbonilo, seguidos de la palabra cetona. Ejemplos:

4Cloro-2-metilbutanal 4-ciclohexil-1-fenil-2-pentanona

Muchos aldehídos tienen nombres vulgares que derivan del nombre común del ácido carboxí1ico correspondiente, (formaldehído, acetaldehído, etc.).


Las propiedades físicas (y químicas) características de los aldehídos y cetonas están determinadas por la presencia del grupo funcional carbonilo, en el que existe un enlace doble carbono-oxigeno. Como consecuencia los aldehídos y cetonas poseen un elevado momento dipolar de hace que existan entre sus moléculas intensas fuerzas de atracción del tipo dipolo-dipolo, por lo que estos compuestos tienen puntos de fusión y de ebullición más altos que los de los hidrocarburos de análogo peso molecular. Sin embargo, las


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moléculas de aldehídos y cetonas no pueden asociarse mediante enlaces de hidrógeno, por lo que sus puntos de fusión y de ebullición son más bajos que los de los correspondientes alcoholes. Concretamente, los puntos de ebullición de los primeros términos de aldehídos y cetonas son unos 60ºC más altos que los de los hidrocarburos del mismo peso molecular y también unos 60ºC más bajos que los de los correspondientes alcoholes. Esta diferencia se hace cada vez menor, como es lógico, al aumentar la cadena hidrocarbonada y perder influencia relativa el grupo funcional.

En cuanto a la solubilidad, los primeros miembros de ambas series de aldehídos y cetonas son completamente solubles en agua. Al aumentar la longitud de la cadena hidrocarbonada disminuye rápidamente la solubilidad en agua. Así, por ejemplo, los aldehídos y cetonas de cadena lineal con ocho o más átomos de carbono son prácticamente insolubles en agua. Sin embargo, los compuestos carbonílicos son muy solubles en disolventes orgánicos apolares, como éter etílico, benceno, etc. Por otra parte, la propia acetona es un excelente disolvente orgánico, muy utilizado por su especial capacidad para disolver tanto compuestos polares (alcoholes, aminas, agua, etc.), como apolares (hidrocarburos, éteres, grasas, etc.).


Entre los métodos de obtención de compuestos carbonílicos unos son comunes a aldehídos y cetonas, mientras que otros son propios de cada una de estas series, por lo que es conveniente estudiarlos por separado.

1.° Métodos de obtención comunes a aldehídos y cetonas

a) Oxidación de alcoholes

La oxidación de alcoholes primarios produce en una primera etapa, aldehídos; mientras que la oxidación de alcoholes secundarios conduce a cetonas.

Las cetonas son resistentes a la oxidación posterior, por lo que pueden aislarse sin necesidad de tomar precauciones especiales. En cambio, los aldehídos se oxidan fácilmente a los ácidos carboxí1icos correspondientes. Para evitar esta oxidación es necesario separar el aldehído de la mezcla reaccionante a medida que se va formando, lo que se consigue por destilación, aprovechando la mayor volatilidad de los aldehídos inferiores respecto a los correspondientes alcoholes. Así se obtiene, por ejemplo, el propanal:

CH3—CH2—CH2OHCr2O7Na2 + SO4H2

60-70 ºCCH3—CH2—CHO

1-propanol propanal

b) Hidratación de alquinos

En presencia de sulfato mercúrico y ácido sulfúrico diluido, como catalizadores, se adiciona una molécula de agua al triple enlace de un alquino, con lo que se forma primero un enol que, al ser inestable, se isomeriza por reagrupamiento en un compuesto carbonílico. Únicamente cuando se utiliza acetileno como producto de partida se obtiene acetaldehído, según la reacción:

HC CH + H2OSO4H2

SO4HgCH2=CHOH CH3—CHO


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acetileno etenol etanal (acetaldehído)

Este es el procedimiento industrial más utilizado en la actualidad para la fabricación de acetaldehído, que es la materia prima de un gran número de importantes industrias orgánicas. Cuando se utilizan acetilenos alquilsustituidos el producto final es una cetona.

c) Ozonólisis de alquenos

La ozonólisis de alquenos da lugar a aldehídos o cetonas, según que el carbono olefínico tenga uno o dos sustituyentes hidrocarbonados. Esta reacción no suele utilizarse con fines preparativos, sino más bien en la determinación de estructuras para localizar la posición de los dobles enlaces.

2.º Métodos de obtención de aldehídos

a) Reducción de cloruros de acilo

La reducción directa de ácidos carboxílicos a aldehídos no es fácil de realizar, porque los ácidos se reducen con gran dificultad. Por ello, el procedimiento utilizado es convertir primero el ácido en su cloruro (cloruro de acilo) que se reduce fácilmente a aldehído:

Para impedir la posterior reducción del aldehído a alcohol se ha ideado el empleo de un catalizador de paladio envenenado (es decir, desactivado) con azufre.

b) Hidrólisis de dihalogenuros geminales

Mediante la hidrólisis de dihalogenuros geminales (los dos átomos de halógeno están en el mismo carbono) pueden obtenerse aldehídos y cetonas, en general, aunque sólo tiene interés para la preparación de aldehídos aromáticos, concretamente de benzaldehído, por la facilidad con que se hidrolizan los dihalogenometilarenos. Así, cuando se clora fotoquímicamente tolueno, Ar—CH3, se forma , -diclorotolueno, ArCHCl2 (cloruro de bencilideno), que se hidroliza fácilmente para dar benzaldehído.

3.º Métodos de obtención de cetonas

a) Reacción de nitrilos con reactivos de Grignard

Los reactivos de Grignard o magnesianos, R—MgX, se adicionan fácilmente a los enlaces múltiples polares, formando compuestos de adición que se hidrolizan con gran facilidad. Este es el fundamento de la gran variedad de aplicaciones de los magnesianos en síntesis orgánica. En el caso de los nitrilos, R—C N, la reacción de adición y posterior hidrólisis (en medio ácido), puede representarse esquemáticamente mediante la ecuación:

R—C N + R'—MgX (RR')C=N—MgX 2H2O

R—CO—R' + XMgOH + NH3

b) Síntesis de Friedel-Crafts


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Se pueden obtener cetonas a partir de hidrocarburos, empleando como reactivo atacante un halogenuro de acilo, R—CO—X , según la siguiente reacción:

Ar—H + X—CO—R Cl3Al

Ar—CO—R + XH

Si R es un radical alifático, se obtiene una cetona mixta, mientras que si es aromático la cetona será también aromática.

Modernamente, la acetona se obtiene industrialmente en el proceso de obtención de fenol por oxidación catalítica de isopropilbenceno (cumeno).

Reacciones de los aldehídos y cetonas

a) Hidrogenación

Los aldehídos y cetonas se transforman en alcoholes al hacerlos pasar sobre Cu a 300 °C en un proceso inverso al de deshidrogenación de alcoholes.

Los aldehídos conducen a la formación de alcoholes primarios:

R—CHO + H2 Cu

300 ºC

Rr—CH2OH

aldehído alcohol primario

Las cetonas por su parte se reducen a alcoholes secundarios:

R—CO—R' + H2 Cu

300 ºC

R—CHOH—R'

cetona alcohol secundario

b) Reacción bisulfítica

Los aldehídos y metilcetonas (con un grupo metilo en posición ), reaccionan con bisulfito sódico para dar lugar a un compuesto cristalino: el «compuesto bisulfítico».

R—CHO + HSO3Na R—CHOH—SO3Naaldehído derivado bisulfítico de un aldehído

R—CO—CH3 + HSO3Na R—COH(CH3)—SO3Na


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cetona derivado bisulfítico de una cetona

c) Adición de CNH

Aldehídos y cetonas adicionan cianuro de hidrógeno para dar lugar a la formación de cianhidrinas (hidroxinitrilos).

R—CHO + HCN R—CHOH—CNaldehído cianhidrina

R—CO—R' + HCN R—COH(CN)—R'cetona cianhidrina

d) Condensación aldólica

Los aldehídos en presencia de disoluciones diluidas de hidróxidos alcalinos sufren la denominada «condensación aldólica», con formación de un aldol (molécula que contiene simultáneamente las funciones aldehído y alcohol).

e) Polimerización

En presencia de ácidos inorgánicos diluidos, los aldehídos sufren una autoadición con ciclación simultánea en la que se forman trímeros cíclicos; así en el caso del formaldehído se forma trioxano:

En el caso del acetaldehído se forma paraldehído. Las cetonas, sin embargo, no se polimerizan.

f) Oxidación

Las cetonas son muy resistentes a la acción de los agentes oxidantes, y cuando se oxidan lo hacen dando lugar a una mezcla de ácidos carboxílicos con menos átomos de carbono cada uno de ellos que la cetona que se oxida.


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Los aldehídos se oxidan con facilidad incluso bajo la acción de oxidantes suaves para dar lugar a un ácido carboxílico (o sus sales) con el mismo número de átomos de carbono que el aldehído sometido a oxidación.

Reacción de Tollens:

R—CHO + 2AgOH + NH4OH R—COONH4 + 2 H2O + 2Ag aldehído hidróxido

amónicosal amoniacal delácido carboxílico

el reactivo es una disolución amoniacal de nitrato de plata. Con frecuencia la plata se deposita sobre el vidrio del recipiente originando un espejo.

Reacción de Fehling:

R—CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH R—COONa + 3 H2O + Cu2O aldehído hidróxido

sódicosal amoniacal delácido carboxílico

los reactivos son: una disolución de sulfato cúprico y otra de hidróxido sódico y tartrato sodopotásico (que evita la precipitación del hidróxido cúprico).

Ácidos carboxílicos y ésteres

El grupo funcional de los ácidos orgánicos o carboxílicos se denomina carboxilo:

Su propiedad más importante es su carácter ácido, debido a que el grupo CO atrae fuertemente a los electrones del enlace O—H, con lo cual aumenta la polaridad de este grupo. Al ser tan polar el enlace O—H, el protón H+ se desprende fácilmente.

Carácter ácido del grupo carboxilo

ion carboxilato

Los ácidos orgánicos de la serie normal son débiles, siendo su constante de acidez del orden de 10-5.

Nomenclatura

Los ácidos carboxílicos se nombran anteponiendo la palabra ácido al nombre del alcano correspondiente, al que se ha cambiado la terminación -o por -oico. La cadena principal se numera empezando por donde está el grupo funcional.


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Ejemplos:

H—COOH CH3—COOH CH3—CH2—COOHÁcido metanoico (Ácido fórmico)

Ácido etanoico(Ácido acético)

Ácido propanoico(Ácido propiónico)

Cuando el ácido tiene dos grupos carboxilos se llama dicarboxílico. Ejemplos:

COOH—COOH COOH—CH2—COOHÁcido etanodioico(Ácido oxálico)

Ácido propanodioico(Ácido malónico)

Reacciones

Reacciones ácido-base

Los ácidos carboxílicos, al igual que los ácidos inorgánicos, reaccionan con metales desprendiendo hidrógeno y con bases inorgánicas produciendo sales.

R—COOH + Na R—COONa + 1/2 H2

Ácido Sal R—COOH + KOH R—COOK + H2O

Ácido Sal

También reaccionan con otras bases, como el amoniaco o las aminas, dando sales amónicas que por deshidratación dan amidas, y éstas, por posterior deshidratación dan nitrilos.

Reacciones de esterificación. Ésteres

Los ácidos reaccionan con los alcoholes formando ésteres (R—COO—R') y agua. La reacción similar a la de la neutralización (en química inorgánica), se denomina esterificación:

2 R—OH + HO—SO3H R—O—SO2—O—R + 2 H2OAlcohol Ácido

inorgánico(ácido sulfúrico)

Éster inorgánico

R'—OH + R—COOH R—CO—O—R' + H2O

Alcohol Ácido inorgánico Éster carboxílico

Ésta es la reacción de sustitución más importante del grupo —OH de los ácidos orgánicos.


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R—COOH + HO—R'esterificación

hidrólisisR—COO—R' + H2O

Ácido + alcohol Éster + agua

Si se esterifica un diácido con un dialcohol se puede obtener un poliéster. Los poliésteres tienen un gran campo de aplicación en la síntesis de polímeros de interés industrial.

Las grasas y aceites naturales son ésteres de ácidos grasos de muchos átomos de carbono y glicerina (propanotriol):

Por ejemplo en la reacción entre el ácido esteárico y la glicerina se obtiene estearato de glicerina (estearina, grasa).

De forma análoga, el ácido palmítico (C15H31—COOH) da palmitina, y el ácido oleico, (C17H33—COOH) da la oleína.

Cuando se calienta una grasa o aceite con una disolución alcalina (KOH o NAOH) se produce la reacción de hidrólisis llamada saponificación, en la que se forma la glicerina y una mezcla de sales alcalinas de los ácidos grasos que formaban la grasa. Esta mezcla, después de purificada, constituye el jabón.

Los jabones se utilizan como limpiadores, ya que tienen la facultad de «disolverse» en las gotas de grasa (suciedad) insolubles en agua.

Nomenclatura de los ésteres

Por su analogía con las sales, los ésteres se nombran cambiando la terminación -ico del ácido por -ato y poniendo a continuación el nombre del radical acabado en ilo y precedido de la preposición de.

Ejemplos:

ClO3C2H5 CH3—COOCH3 CH3—COO—C2H5

Clorato de etilo Etanoato de metilo(Acetato de metilo)

Etanoato de etilo(Acetato de etilo)

Algunas esencias naturales deben su aroma a la presencia de distintos ésteres:

Esencias Ésteres responsables del aroma


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Albaricoque Butiratos de etilo y amilo.Coñac y vino Heptanoato de etilo. Frambuesa Formiato y acetato de isobutilo.Jazmín Acetato de bencilo. Manzana Isovalerianato de isoamilo y butirato y propionato de etilo. Melocotón Formiato, butirato e isovalerianato de etilo. Naranja Acetato de octilo. Pera Acetato de isoamilo.Piña Butiratos de metilo, etilo, butilo e isoamiloPlátano Acetatos de amilo, e isoamilo e isovalerianato de isoamilo.Ron Formiato de etiloRosas Butirato y nonanoato de etilo y undecilato de amilo.Uvas Formiato y heptanoato de etilo.

Notas: Amilo = pentilo. Isoamilo = isopentilo. El ácido isovaleriánico es (CH3)2CHCH2COOH. El ácido undecílico es CH3(CH2)9COOH.

Sales de los ácidos carboxílicos

Fórmula general: RCOOM

Donde la M= Es un metal (por ejemplo: Na, K, Mg, Al)

Los ácidos carboxílicos pueden ser neutralizados por bases fuertes y las sales pueden ser aislados por evaporación:

RCOOH NaOH RCOONa H O2

Acido Base Sal de sodio

Carboxílico fuerte

Nomenclatura

Las sales de los ácidos carboxílicos se nombran de la misma manera que la sal de un ácido inorgánico. Se da primero el nombre del anión carboxílato, cambiando la terminación “ICO” del ácido por “oato” seguido del nombre del metal.

Ejemplos


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CH COONa2

COOKCH CH COO Ca3 2 2

Etanoato de sodio Benzoato de potasio Propanoato de calcio

(Acetato de sodio) (Propionato de calcio

QUÍMICA II - Series de ejercicios: Unidad Nº 3

Ejercitación.

1) Calcular las fórmulas empíricas basadas en las siguientes composiciones centesimales. Si los porcentajes totales no suman 100%, suponer que el resto es debido al oxígeno.

a) C 62.07%; H 10.34%

b) C 71.11%; H 6.67%; N 10.37%

2) Calcular la composición centesimal para cada uno de los siguientes compuestos.

a) Aspirina, C9H8O4 b) Acetaminofeno, C8H9NO2 C) Ibufreno, C13H18O2

3)) Una muestra de 1,261 g de cafeína contiene 0,624 g de C; 0,065 g de H; 0,364 g de N y el resto de O. Determinar sus fórmulas mínima y molecular, sabiendo que su masa molecular es 194.

4) Calcular la composición centesimal de cada elemento en los siguientes compuestos:

a- CH4O b- CH5N c- CH4N2O d. C12H22O11

5) Siendo la composición centesimal de una sustancia la siguiente:

C: 39,34 % H: 8,19 % O: 52,5 % y su peso molecular de 122, ¿cuál será su fórmula?

6. Un análisis cualitativo de la papaverina, uno de los alcaloides del opio, indicó carbono, hidrógeno y nitrógeno. Un análisis cuantitativo dio 70.8% carbono, 6.2% hidrógeno y 4.1% nitrógeno. Calcúlese la

7) ¿Cuál es el grupo funcional de un alcohol?

8) Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:a) 2-metil-3-hexanol.b) 2-fenil-2-propanol.c) 2-buten-1-ol.

9) Nombre los siguientes compuestos:


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10) Completar las siguientes reacciones:a) CH3-CH=CH2 + HOCl →b) (CH3)3COH + HCl →c) CH3CH2OH + H2SO4 →d) C2H5OH + Na →

11) Empleando el alcohol etílico como única sustancia orgánica inicial formular las ecuaciones que muestran como se obtendría:a) Bromuro de etilob) 1-butinoc) Etilenglicold) Acido acéticoe) Alcohol n-butílico

12) ¿Cuál es el grupo funcional de un aldehído?

13) Los aldehídos se caracterizan por tener:a) Un grupo carboxilo.b) Un grupo carbonilo unido a dos radicales alquilo.c) Un grupo carbonilo unido a un grupo hidroxilo.d) Un grupo carbonilo unido a un átomo de hidrógeno.

14) Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:a) Pentanal.b) 3-metil-4-propil-octanal.c) Propinaldehído.d) 2-metilpropanal.

15) El nombre de CCl3-CHO es:a) Triclorometanal.b) Tricloroetanol.c) Tricloroetanal.d) Ninguna respuesta es correcta.

16) Completar las siguientes ecuaciones formulando el producto o añadiendo el reactivo que falte o el catalizador necesario:a) (?) + I2 en KI acuoso + NaOH → CH3COO- Na+ + CHI3b) Acetaldehído + C2H5OH → (H+)

17) Empleando acetileno como única sustancia orgánica inicial, indicar cómo se obtendría cada uno de los siguientes compuestos, empleando cualesquiera reactivos inorgánicos que pudieran necesitarse:a) Acetaldehídob) Bromuro de etiloc) Yodoformod) Acido acéticoe) 2-butanolf) 2-butenol


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18) ¿Cuál es el grupo funcional de una cetona?

19) Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:a) 3-etil-5-decanona.b) 3-heptanona.c) 2-octanona.

20) El compuesto siguiente se llama:

.

21) Nombrar los siguientes compuestos:

22) Completar las siguientes ecuaciones formulando el producto o añadiendo el reactivo que falte o el catalizador necesario>Acetofenona + H2NOH →

23) Empleando acetileno como única sustancia orgánica inicial, indicar cómo se obtendría cada uno de los siguientes compuestos, empleando cualesquiera reactivos inorgánicos que pudieran necesitarse:a) Metiletilcetona.b) Acido propiónico (CH3CH2COOH)

24) Escribir las estructuras de los productos que se forman por tratamiento de cada una de las siguientes sustancias con bromuro de etilmagnesio seguido de hidrólisis ácida:a) CH3COCH3b) C2H5COCH3

25) Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:a) 1-butanol.b) Alcohol bencílico.c) fenóxido sódico.

26) Nombrar correctamente los siguientes compuestos:a) (CH3)2CH-O-CH(CH3)2b) CH3CH2CH(OH)CH3c) CH3CH2C(CH3)2OH

27) Empleando el alcohol etílico como única sustancia orgánica inicial formular las ecuaciones que muestran como se obtendría:a) Etilenob) Acetilenoc) Clorhidrina etilénicad) Oxido de etileno

28) El grupo funcional CO-OH se denomina:a) Carbonilo.b) Aldehído.c) Carboxilo.


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d) Ninguno de ellos.

29) Escriba la fórmula estructural de los siguientes compuestos:a) Propanóico.b) Butanóico.c) 2-etil-hexanóico.d) 3-butenoico.

30) ¿Cuál es el grupo funcional de un éster?

31) Un éster es el producto de la reacción entre:a) Dos ácidos.b) Dos alcoholes.c) Un ácido y un alcohol.d) Dos cetonas.

32) Escriba las fórmulas y nombres de los ésteres que pueden resultar de la combinación del ácido sulfúrico con el etanol.

33) Escriba las fórmulas y nombres de los ésteres que pueden resultar de la combinación entre:a) Acido propanóico y metanol.b) Acido etanóico y 2-propanol.

34) Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:a) Etanoato de metilo.b) Hexanoato de propilo.c) Acetato de pentilo.d) Acetato de isopropilo.35) La cloración del benceno originó dos moles del derivado halogenado. Calcule, para un rendimiento del 80 %, la masa de benceno y el volumen de cloro necesarios (CNPT)C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

36) El metanoato de propilo en agua se hidroliza en un 60 %, calcule las masas de ácido y alcohol que se obtendrán a partir de cuatro moles de éster.HCOOCH2-CH2-CH3 + H2O → HCOOH + CH3-CH2-CH2OH

37) Se tratan 21 g de propeno con cloruro de hidrógeno y se obtienen 10 dm ³ de 2-cloropropano. Calcular:a) El porcentaje de propeno que reaccionó.b) Los moles de cloruro de hidrógeno que reaccionaron.CH2 =CH-CH3 + HCl → CH3-CH2Cl-CH3

38) Se desean obtener 3 moles de acetato de etilo Calcule:a) Cuantos gramos de alcohol se necesitan.b) Cuántos gramos de agua se formaran simultáneamente.c) CH3COOH + CH3CH2OH → CH3COOCH2CH3 + H2O

39) En la obtención de la butanona por oxidación catalítica del alcohol correspondiente, se consumieron 3,5 dm ³ de oxígeno (CNPT). Calcule cuántos gramos de la cetona se obtuvieron.CH3CHOHCH2CH3 + O2 → H2O + CH3COCH2CH3


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40) Por oxidación de un aldehído se obtuvieron 85 g del 2-metilbutanóico, calcule:a) Cuantos moles de aldehído fueron oxidados.b) Cuántos litros de oxígeno reaccionaron (CNPT).CH3CH2(CH3)COH + O2 → CH3CH2CH(CH3)COOH

41) Se colocan 80 g de etanol y 2 moles de propanóico, representar la reacción y calcular los productos obtenidos

Unidad temática 4: COMPUESTOS NITROGENADOS

Aminas

Las aminas son los compuestos nitrogenados equivalentes, en cierto modo, a los alcoholes, fenoles y éteres en los compuestos oxigenados. Lo mismo que éstos podían considerarse como derivados del agua, las aminas pueden suponerse formalmente como derivados del amoniaco, en el que se ha sustituido uno, dos o los tres átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonados. Resultan así tres clases diferentes de aminas, llamadas primarias, secundarias y terciarias, respectivamente, y cuyas fórmulas generales son:

amina primaria amina secundaria amina terciaria

Cuando los radicales R, R' y R" son alifáticos las aminas se llaman alifáticas; mientras que si uno de ellos es aromático las aminas se consideran como aromáticas.

Nomenclatura

Las aminas sencillas se nombran añadiendo el sufijo amina a los nombres de los radicales alquilo o arilo unidos al nitrógeno. A veces, para mayor claridad, se toma el nombre de la amina correspondiente a la agrupación hidrocarbonada más larga o más importante, anteponiendo los otros sustituyentes precedidos de la letra N. Ejemplos:

metilamina etilamina isopropilamina

dietilamina metil-para-toluilamina

En compuestos más complejos se nombra el grupo amino como sustituyente de la cadena o anillo en cuestión. Ejemplos:


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2-amino-4-metilpentano 1,3-diaminopropano

Propiedades fisicoquímicas

La existencia del enlace N—H en las aminas primarias y secundarias hace posible la asociación molecular a través de enlaces de hidrógeno del tipo N—H • • • N. Estos enlaces son más débiles que los del tipo O—H• • • O, que existen en los alcoholes (debido a que la electronegatividad del nitrógeno es menor que la del oxígeno). Por ello, los puntos de fusión y de ebullición de estas aminas son más bajos que los de los correspondientes alcoholes, pero bastante más altos que los de los hidrocarburos de análogo peso molecular.

Las aminas secundarias están algo menos asociadas que las primarias, debido principalmente al impedimento estérico que ejercen los dos radicales hidrocarbonados sobre el grupo N—H. Por último. las aminas terciarias, al no contener en su molécula enlaces N—H, no pueden asociarse mediante enlaces de hidrógeno, por lo que sus puntos de ebullición son parecidos a los de los hidrocarburos de análogo peso molecular.

Las consideraciones anteriores sirven también para discutir la solubilidad de las aminas en agua y otros disolventes fuertemente polares. Así, las aminas primarias y secundarias pueden formar con el agua enlaces de hidrógeno, por lo que los primeros términos de estas series son muy solubles en agua. En cambio, las aminas terciarias son muy poco solubles en agua, debido al impedimento estérico de los tres radicales alquilo para la formación de enlaces de hidrógeno.

Las aminas (lo mismo que el amoniaco) reaccionan con los ácidos tanto orgánicos como inorgánicos (reacción de neutralización), dando lugar a sales, muchas de ellas cristalinas y estables. Estas sales de aminas pueden considerarse formalmente como derivadas de las del ion amonio, , por sustitución de uno o varios hidrógenos por radicales hidrocarbonados, lo que sirve de base para su nomenclatura. Por ejemplo:

CH3—CH2—NH2 + CH3—COOH CH3—COO- CH3—CH2—NH+3

etilamina ácido acético acetato de etilamonio

Existen también sales de aminas terciarias e incluso las llamadas sales de amonio cuaternario, en las que los cuatro hidrógenos del ion están sustituidos por radicales hidrocarbonados.


a) Reducción de compuestos de nitrógeno insaturados

Los compuestos insaturados de nitrógeno, como son los nitrocompuestos, nitrilos y amidas, pueden reducirse hasta aminas primarias mediante hidrógeno en presencia de catalizadores o bien con reductores químicos (hidruro de litio y aluminio, estaño o hierro y ácido clorhídrico). La reducción de nitrocompuestos es de gran utilidad para la obtención de aminas aromáticas, dada la facilidad de nitración de los anillos aromáticos. Así se prepara por ejemplo, la anilina, por reducción del nitrobenceno:


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En el laboratorio suele llevarse a cabo esta reducción mediante estaño y ácido clorhídrico, mientras que en la industria se emplean limaduras de hierro en presencia de agua y una pequeña cantidad de ácido clorhídrico.

b) Reacción de amoniaco con halogenuros de alquilo.

El amoniaco reacciona con los halogenuros de alquilo para formar, en primer lugar, una sal de alquilamonio, de la que puede liberarse la amina (base débil), por tratamiento con hidróxido sódico (base fuerte), según la reacción:

R—X + NH3 R—NH3X

NaOH

R—NH2 + Na X + H2O

Sin embargo, la reacción no es tan sencilla, porque las aminas pueden atacar, a su vez, al halogenuro de alquilo, formándose así, sucesivamente, sales de di-, tris y tetra-alquilamonio. Por ello en la práctica se obtiene una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias, que pueden separarse por destilación fraccionada. Por otro lado, se puede favorecer el rendimiento en el tipo de amina deseado, modificando la relación de concentraciones de los reactivos iniciales: así, empleando un gran exceso de amoniaco predomina, como es lógico, la formación de amina primaria, mientras que un exceso de halogenuro de alquilo favorece la formación de amina terciaria.

Reacciones de las aminas

a) Las aminas presentan un carácter marcadamente básico que se pone de manifiesto en la formación de sales. Estas sales son sólidos incoloros, no volátiles, solubles en agua e insolubles en disolventes orgánicos.

b) La reacción con el ácido nitroso permite diferenciar entre aminas primarias, secundarias y terciarias. Así:

Las aminas primarias reaccionan con desprendimiento de nitrógeno:

R—CH2—NH2 + HONO R—CH2OH + N2 + H2Oamina primaria alcohol

Las aminas secundarias reaccionan lentamente en caliente con el ácido nitroso formando nitrosaminas con apariencia aceitosa:

R—NH—R' + HONO R—NNO—R' + H2Oamina secundaria nitrosamina


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Las aminas terciarias tratadas con exceso de ácido nitroso conducen a la formación de nitritos:

R—NR'—R'' + HONO R—N(R')HNO2—Ramina terciaria nitrito de trialquilamonio

Amidas

Las amidas son derivados funcionales de los ácidos carboxílicos, en los que se ha sustituido el grupo —OH por el grupo —NH2, —NHR o —NRR', con lo que resultan, respectivamente, las llamadas amidas primarias, secundarias o terciarias, que también se llaman amidas sencillas, N-sustituidas o N-disustituidas.

Nomenclatura

Las amidas primarias se nombran sustituyendo la terminación oico o ico del nombre sistemático o vulgar, del ácido del que derivan, por el sufijo amida. En las amidas sustituidas se antepone al nombre anterior el de los radicales sobre el nitrógeno, precedidos de la letra N. Ejemplos:

metanamida(formamida)

N-metiletanamida(N-metilacetamida) N,N-dietilbenzamida


El grupo funcional amida es bastante polar, lo que explica que las amidas primarias, excepto la formamida (p.f.=2,5 ºC), sean todas sólidas y solubles en agua. Sus puntos de ebullición son bastante más altos que los de los ácidos correspondientes, debido a una gran asociación intermolecular a través de enlaces de hidrógeno, entre el oxígeno negativo y los enlaces N—H, mucho más polarizados que en las aminas. Los puntos de fusión y de ebullición de las amidas secundarias son bastante menores, debido principalmente al impedimento estérico del radical unido al nitrógeno para la asociación. Como es natural, las amidas terciarias (sin enlaces N—H) no pueden asociarse, por lo que son líquidos normales, con puntos de fusión y de ebullición de acuerdo con su peso molecular.

Obtención

Las amidas pueden obtenerse a partir de halogenuros de alquilo por reacción con amoniaco, aminas primarias o secundarias, con lo que resultan amidas primarias, secundarias o terciarias, respectivamente. Por ejemplo:

CH3—CO—Cl + 2 CH3—NH2 CH3—CO—NH—CH3 + CH3—NH3+ Cl-

cloruro de acetilo metilamina N-metilacetamida cloruro de Técnicatura Superior en Procesos Industriales




metilamonio

Reacciones

Las reacciones químicas de las amidas son las generales de los derivados funcionales de ácidos carboxílicos, si bien son entre éstos, de los compuestos menos reactivos. Así, por ejemplo, la reacción de hidrólisis suele ser muy lenta, por lo que hay que llevarla a cabo calentando y en medios ácidos o básicos; su mecanismo es análogo al de la hidrólisis de los ésteres.

Por otra parte, las amidas tienen también algunas reacciones químicas parecidas a las de las aminas, siendo la más análoga la reacción con ácido nitroso, con el que los tres tipos de amidas se comportan igual que las aminas.

Entre las amidas merece citarse la carbodiamida o urea, que puede considerarse como la diamida del ácido carbónico:

H2N—O—NH2urea

Es el producto de excreción nitrogenado más importante, tanto en el hombre como en los animales. Por otra parte, tiene también un gran interés técnico, por su utilización como abono, así como en la industria farmacéutica, y sobre todo para la fabricación de resinas y materiales plásticos.

Nitrilos

Los nitrilos, llamados también cianuros orgánicos, se caracterizan por poseer en su molécula el grupo funcional ciano:

—C N

Nomenclatura

A efectos de nomenclatura se pueden considerar como derivados de un hidrocarburo en que se han sustituido los tres átomos de hidrógeno de un grupo metilo por un átomo de nitrógeno. Según esto, el nombre sistemático de los nitrilos se forma añadiendo el sufijo nitrilo al del hidrocarburo que tienen la misma cadena carbonada. Es también muy corriente nombrarlos como derivados de ácidos carboxí1icos, sustituyendo en el nombre de éstos la terminación ico por onitrilo. Ejemplos:

etanonitrilo(acetonitrilo)

2-metilpropanonitrilo(isobutironitrilo)

benzonitrilo


El enlace triple C N difiere bastante del C—C, siendo algo más fuerte y mucho más polarizado, en el sentido +C N-, lo mismo que ocurría en el enlace C=O. La gran polaridad del enlace C N provoca que los nitrilos tengan puntos de ebullición bastante


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elevados (en relación con su peso molecular). Asimismo, son buenos disolventes de compuestos orgánicos polares, como ácidos carboxílicos, aldehídos y cetonas, etc., siendo a su vez relativamente solubles en agua.

Obtención

Los nitrilos alifáticos pueden obtenerse mediante la sustitución nucleófila del átomo de halógeno de un halogenuro de alquilo por ataque del agente nucleófilo CN-, procedente de un cianuro alcalino, según la reacción esquemática:

R—X + CN-Na+ R—C N + X-Na+

Este método no puede utilizarse para la obtención de nitrilos aromáticos, puesto que los halogenuros de arilo son muy inertes a la sustitución nucleófila. Por ello, en lugar de éstos se utilizan las sales de diazonio, en las que puede sustituirse fácilmente el grupo diazo por un agente nucleófilo, según la reacción esquemática:

N+N X- + CN-Na+ C N + N2 + X-Na+

Reacciones

Los nitrilos, aunque no contienen el enlace C=O, se consideran a veces como derivados funcionales de los ácidos carboxí1icos, porque su hidrólisis (en medios ácidos o básicos) regenera el ácido primitivo, lo mismo que ocurría en los halogenuros, anhídridos, ésteres y amidas. En el caso de los nitrilos, la hidrólisis transcurre a través de una amida. como producto intermedio, según la reacción esquemática:

R—C N +H2O R—CO—NH2+H2O R—COOH

También pueden adicionar hidrógeno al triple enlace, con lo que se reducen a aminas.

Entre los nitrilos más importantes merece citarse el acrilonitrilo:

CH2=CH—CN

que se prepara en gran cantidad por adición catalítica de cianuro de hidrógeno al acetileno, y tiene un gran interés en la industria de plásticos, para la fabricación de polímeros vinílicos.

Existen otros compuestos íntimamente relacionados con los nitrilos; son los llamados isonitrilos o isocianuros, de fórmula general:

R—+N C-


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y que resultan como subproductos en la obtención de nitrilos. Debido a la separación de cargas eléctricas en la molécula, los isonitrilos son mucho más reactivos e inestables que los nitrilos y se convierten en éstos por simple calefacción.

MECANISMO DE REACCION

Por mecanismo de reacción se entiende como la descripción detallada de la forma en la cual transcurre un proceso químico.

Es preciso recordar que cuando una reacción se lleva a cabo las sustancias participantes interactúan entre sí originando la ruptura de los enlaces ya existentes y la formación de otros nuevos. Dichas rupturas de enlace se clasifican de acuerdo a la forma en que se rompe el par de electrones de enlace en:

La ruptura homolítica ocurre cuando los dos electrones que forman el enlace, cada uno de los átomos retiene uno de los electrones.

A B A + B

En la homólisis se originan átomos o grupos de átomos que poseen un electrón solitario (no apareado), llamado radical libre. Ejemplo:

Cl.. .... .Cl.. .... .Cl.. .... .. .. ..Cl..

+luz

Radicales libres

En la ruptura heterólitica el par de electrones de enlace se queda con uno de los dos átomos.

A B A + B+

En la ruptura homolítica se obtienen como productos dos iones.

Cuando alguno de los enlaces del carbono de una molécula se rompe, puede formarse un carbocatión. Los carbocationes, también conocidos como iones carbonio son grupos de átomos que contienen un átomo de carbono con seis electrones solamente. Ejemplos:

......C HH

H+ ó CH3

+

Catión metilo

Tanto el radical libre como los carbocationes son extremadamente reactivos.


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Los carbaniones son grupos atómicos que poseen un átomo de carbono con un par de electrones libres. O bien, es la base conjugada de un carboácido.

H + B +

carboácido carbanión

.. ..C C H B..

Los carbaniones son estabilizados por sustituyentes que atraen electrones.

En las reacciones químicas una parte importante es el comportamiento de las sustancias químicas desde el punto de vista de la estructura atómica y los cambios que sufren durante los procesos químicos. A dichas sustancias o especies químicas participantes se les conoce como: reactivo nucleofílico (amante de los electrones) o nucleofilos son reactivos básicos con pares de electrones libres que tienden a atraer al núcleo del carbono.

Ejemplo: Cl- , NaOH.

Los reactivos electrofilicos (compañero de los electrones) son reactivos ácidos que buscan un par de electrones.

Por ejemplo: H+ , AlCl3 , BF3 .

Para comprender mejor lo anterior es adecuado recordar las definiciones de ácido-base de Bronsted-Lowry y de Lewis.

Un ácido de Bronsted-Lowry es la sustancia o especie química con la tendencia de ceder protones, mientras que, una base de Bronsted_Lowry es la sustancia o especie química capaz de aceptar protones.

....NH3 + H O2

NH4 + OH....+

Base B-L Acido B-L Acido Base conjugado conjugado

Los ácidos de Lewis son átomos o grupos de átomos con la tendencia de aceptar pares de electrones. Ejemplos: H+ , AlCl3 , BF3.

Las bases de Lewis son átomos o grupos de átomos con tendencia a ceder pares de electrones. Por ejemplo: NH3 , Cl- , NaOH.


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QUÍMICA II - Series de ejercicios: Unidad Nº4

Ejercitación.

1- Escribe la estructura de los siguientes compuestos

a.- Etanamina

b.- N-metiletanamina(metiletilamina)

c.- N-metil- N-propilbutanamina (metil,propil,butilamina )

d.- 1-( N-etilamino ) octano

e.- 4-aminofenol ( p-amninofenol )

2- Escribe el nombre de cada una de las siguientes sustancias

NH CH3

1.-_________________________________

CH CH CH NH

CH

3

3

2 2

2.-________________________________

CH CH NH CH CH3 2 2 3 3.-_________________________________

CH N CH CH

CH CH CH

3 2 3

2 2 3 4.-_________________________________

NH

5.- ________________________________

3- Escribe la estructura de los siguientes compuestos.


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a.- metanamida (formamida)

b.- Benzamida

c.- N-etilbutanamida

d.- N-isopropil-N-terbutilpentanamida

e.- 2-etil-3-metilhexanamida

4- Dar el nombre de las siguientes amidas. HCONHCH

3 1- ____________________________________

C

O

NH

2CH CH32.-________________________________

CH CH C CONH

CH

CH

3

3 2

3

2

3-_________________________________

CH CH CON CH CH 3 2 32 2 4.-________________________________

CH CH CONH3 2 22

5.-________________________________


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Unidad temática 5: POLIMEROS (macromoléculas naturales y sintéticas).

Polímeros o macromoléculas.

Introducción

Existen sustancias cuyas moléculas son auténticas moléculas gigantes, formadas por miles e incluso millones de átomos. Tales moléculas no forman nunca una unidad, sino que son el resultado de la unión de muchísimas unidades simples, siendo esta unión fácil de romper, a veces, por un simple calentamiento de la sustancia.

El primer caso de síntesis de moléculas gigantes ocurrió de forma accidental en un experimento realizado por el químico germano-suizo Christian Friedrich Schönbein (1799-1868). Este químico, trabajando con una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico, observó que al intentar secar en la estufa el tejido con el que limpió parte de la mezcla que se había derramado, se producía una detonación, al mismo tiempo que la tela desaparecía. Había descubierto un explosivo.

Analizando el proceso, llegó a la conclusión de que los grupos nitro del ácido nítrico habían actuado como una fuente interna de oxígeno que, con el calor, habían oxidado completamente la celulosa del tejido. A la sustancia explosiva formada la llamó nitrocelulosa.

Unos años después se descubrieron dos nuevos explosivos: la nitroglicerina, en 1847, y la dinamita, en 1866, sustancias ambas que, a diferencia de la nitrocelulosa, no están formadas por moléculas gigantes.

Por otra parte, todas las sustancias formadas por moléculas gigantes o macromoléculas no son siempre explosivas. Incluso la misma celulosa parcialmente nitrada o piroxilina resulta ser una sustancia de manejo mucho más seguro y con importantes aplicaciones industriales.

El americano John Weshley Hyatt trabajó con la piroxilina en un intento de ganar el concurso para sustituir el marfil en la construcción de las bolas de billar. Ganó el concurso, hacia 1869, al obtener el celuloide disolviendo piroxilina en una mezcla de alcohol y éter y añadiéndole alcanfor. El celuloide fue el primer plástico sintético, es decir, el primer material sintético capaz de ser moldeado.

Quince años más tarde, Ghardonnet patentó el rayón, hilo sacado de la piroxilina, que podía tejerse dando un material que tenía la textura de la seda. Al mismo tiempo, George Eastman utilizó el celuloide, en forma de película, para sustituir el vidrio plano que se utilizaba en las máquinas fotográficas. Este mismo inventor llegó, más tarde, en 1924, al descubrimiento de la película de acetato de celulosa, producto que, siendo plástico, es mucho menos inflamable que la piroxilina que venía utilizándose.

POLÍMEROS O MACROMOLÉCULAS. TIPOS.

Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede alcanzar millones de UMAs que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre sí mediante enlaces covalentes.

Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.


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Se pueden clasificar según diversos criterios:

Según su origen.

Naturales: Caucho, polisacáridos (celulosa, almidón), proteínas, ácidos nucléicos

Artificiales: Plásticos, fibras textiles sintéticas, poliuretano, baquelita…

Según su composición:

Homopolímeros: Un sólo monómero Copolímeros : Dos o más monómeros

Según su estructura:

Lineales: Los monómeros se unen por dos sitios (cabeza y cola) Ramificados: Si algún monómero se puede unir por tres o más sitios.

Por su comportamiento ante el calor:

Termoplásticos: Se reblandecen al calentar y recuperan sus propiedades al enfriar. Se moldean en caliente de forma repetida.

Termoestables: Una vez moldeados en caliente, quedan rígidos al ser enfriados por formar nuevos enlaces y no pueden volver a ser moldeados.

Las fibras pueden tejerse en hilos finos y los elastómeros poseen gran elasticidad por lo que pueden estirarse varias veces su longitud. Un elastómero pero de origen natural sería el caucho.

Termoplásticos


POLÍMEROS

NATURALES(Celulosa, almidón)

SINTÉTICOS

PLÁSTICOSFIBRAS(naylon, tergal)

ELASTÓMEROS

(neopreno)

TERMOPLÁSTICOS

(polietileno)TERMOESTABLES

(baquelita)

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Los termoplásticos consisten en cadenas de polímeros de varias longitudes diferentes, cada una de las cuales tiene su propio peso molecular y grado de polimerización. Por eso debe definirse un peso molecular promedio del termoplástico.

Gráfico de la distribución

de pesos moleculares

Peso Molecular Promedio de los termoplásticos:

El peso molecular promedio Mm de un termoplástico es la suma de las fracciones de cadenas multiplicadas por sus pesos moleculares dividida por la suma de las fracciones:

con Mi: peso molecular promedio de cada intervalo de pesos moleculares seleccionados y fi: fracción de cadenas con peso molecular promedio Mi.

El uso de esta fórmula se aclarará con el siguiente ejemplo:

Ejemplo: Calcular el peso molecular promedio de un termoplástico formado por un 10% de cadenas con pesos moleculares entre 50000 y 60000 y un 90% de cadenas con pesos moleculares entre 20000 y 30000.

Podemos considerar que para el 10% de las cadenas (con intervalo de pesos moleculares entre 50000 y 60000), el peso molecular promedio es 55000. Por otro lado, para el 90% de las cadenas (con intervalo de pesos moleculares entre 20000 y 30000), el peso molecular promedio es 25000.

Luego, f1 = 55000, M1 = 0,10 (= 10/100, fracción que corresponde al 10%) y


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Peso molecular

40x103 45x103 50x103 55x103 60x103

Núm

ero de moléculas

Mn

Mv

Mp



f2 = 25000, M1 = 0,90 (= 90/100, fracción que corresponde al 10%).

Para este termoplástico:

Mm = (0,10 55000 + 0,90 25000) = 28000

Note que la suma de las fracciones es igual a 1.

Como ejercicio calcule el peso molecular promedio de un termoplástico cuya composición se indica en la siguiente tabla:

Intervalos de pesos moleculares Mi fi

15000-20000 17500 0,28

25000-30000 27500 0,25

35000-40000 37500 0,27

45000-50000 47500 0,10

55000-60000 57500 0,10

Clasificación física:

Materiales plásticos: Son materiales que pueden moldearse para darles distintas formas, en general por aplicación de calor o presión.

Materiales termoplásticos: Son materiales que pueden volverse a moldear. Por ejemplo: el polietileno de alta masa molecular con el que se construyen los recipientes para envasar leche. Estos recipientes pueden fundirse y el polímero reciclarse.

Plásticos termofijos: Materiales que se moldean mediante procesos químicos irreversibles y por lo tanto no pueden volver a moldearse fácilmente.

Elastómeros: Materiales que exhiben un comportamiento elástico similar al hule. Cuando un elastómero se somete a estiramiento o flexión, recupera su forma original una vez que se retira la fuerza distorsionadora, siempre que no se haya deformado más allá de cierto límite elástico. Algunos polímeros como el nylon y los poliésteres también pueden moldearse en fibras que, al igual que el pelo, son muy largas en relación con su área transversal y no son elásticas. Estas fibras pueden para producir ropas, cuerdas para neumáticos, etc.

Terpolímeros: Polímero que consta de tres monómeros distintos.


82



COPOLIMERIZACIÓN.

Se produce por la polimerización de dos o más monómeros. Pueden ser:

Alternado. En bloque.

Al azar.

Ramificado o injertado.

TIPOS DE POLIMERIZACIÓN.

Existen dos tipos fundamentales de polimerización:

Adición. Condensación.

POLIMERIZACIÓN POR ADICIÓN.

La masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero, pues al formarse la cadena los monómeros se unen sin perder ningún átomo.

Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura hemolítica:

Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ·CH2–CHCl· Propagación o crecimiento: 2 ·CH2–CHCl· ·CH2–CHCl–CH2–CHCl·

Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado.

En el cuadro siguiente vemos algunos de los polímeros de adición más importantes, sus principales aplicaciones, así como los monómeros de los que proceden. Nótese que los polímeros basan su nomenclatura en el nombre comercial de los monómeros.


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A AB B A AB B A AB BAlternado

A A B BA A B B B A A AEn bloque

A B B AB B A A BAl azar

A B A

A ABB

A A

BB

A A ARamificado

A A A A A

BB

BB

B

BB

BB

BB

BB



MONÓMERO POLÍMERO USOS PRINCIPALES

CH2=CH2 –CH2–CH2–CH2–CH2– Bolsas, botellas, juguetes...eteno (etileno) polietileno

CH2=CH–CH3 –CH2–CH–CH2–CH– Películas, útiles de cocina,

| | aislante eléctrico... CH3 CH3

propeno (propileno) polipropileno

CH2=CHCl –CH2–CHCl–CH2–CHCl– Ventanas, sillas, aislantes.cloroeteno (cloruro de vinilo) policloruro de vinilo

CH2=CH –CH2–CH–CH2–CH– Juguetes, embalajesaislante térmico y

acústico. fenileteno (estireno) poliestireno

CF2=CF2 –CF2–CF2–CF2–CF2– Antiadherente, aislante...tetraflúoreteno PTFE (teflón)

CH2=CCl–CH=CH2 –CH2–CCl=CH–CH2– Aislante térmico, neumáticos2-clorobutadieno cloropreno o neopreno

CH2=CH–CN –CH2–CH–CH2–CH– Tapicerías, alfombras, tejidospropenonitrilo | | (acrilonitrilo) CN CN poliacrilonitrilo

CH3 CH3 CH3 | | | Muebles, lentes y equiposCH2=C–COOCH3 –CH2–C—CH2—C— ópticosmetil-propenoato de metilo | |(metacrilato de metilo) COOCH3 COOCH3 PMM (plexiglás)

Ejemplo:Una muestra de polibutadieno tiene una masa molecular media aproximada de 10000 UMAs ¿Cuántas unidades de monómero habrá en la muestra?

Masa molecular monómero: 4 x 12 + 6 x 1 = 54 UMA n = 10000/54 = 185


84

CH2=CH–CH=CH2 ·CH2–CH=CH–CH2· ·CH2–CH=CH–CH2–CH2–CH=CH–CH2·



GEOMETRÍA EN LA POLIMERIZACIÓN. ()

Polimerización cis–trans ()

Estereopolimerización ()

La polimerización isotáctica y sindiotáctica se consigue con el uso de estereocatalizadores, tales como el TiCl4.

POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN.

En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Por tanto, la masa molecular del polímero no es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los principales polímeros de condensación son:


Polimerización atáctica

Polimerización isotáctica

Polimerización sindiotáctica

85

–CH2 CH2–CH2 CH2–CH2 CH2–Monómero:

CH3|

CH2=C–CH=CH2

Metil-1,3 butadieno (Isopreno)

Polímeros :

CH3 H CH3 H CH3 H \ / \ / \ / C=C C=C C=C/ \ / \ / \

Cis–isopreno (caucho natural)

–CH2 H\ /C=C/ \

\ /

C=C/ \

\ / C=C / \

Trans–isopreno

CH3 CH2–CH2 H

CH3 CH2 –CH2 H

CH3 CH2 –



Homopolímeros: Polietilenglicol Siliconas

Copolímeros: Baquelitas. Poliésteres. Poliamidas.

Polietilenglicol.

Suele producirse por la pérdida de una molécula de agua entre 2 grupos (OH) formándose puentes de oxígeno:

Siliconas.

Proceden de monómeros del tipo R2Si(OH)2

Se utiliza para sellar juntas debido a su carácter hidrofóbico.

Baquelita.

Se obtiene por copolimerización entre el fenol y el metanal (formaldehído). Se forman cadenas que se unen entre sí debido al grupo hidroximetil en posición “para”.

Se utiliza como cubierta en diferentes electrodomésticos, como televisores...


.

86

CH2OH–CH2OH etanodiol (etilenglicol) CH2OH–CH2–O–CH2–CH2OH + H2O ...–O–CH2–CH2–O–CH2–CH2–O... (polietilenglicol)



Poliésteres.

Se producen por sucesivas reacciones de esterificación (alcohol y ácido).

Forman tejidos, de los cuales el más conocido es el “tergal” formado por ácido tereftálico (ácido p-benceno-dicarboxilico) y el etilenglicol (etanodiol):

Poliamidas.

Se producen por sucesivas reacciones entre el grupo ácido y el amino con formación de amidas.

Forman fibras muy resistentes. La poliamida más conocida es el nailon 6,6 formado por la copolimerización del ácido adípico (ácido hexanodioico) y la 1,6-hexanodiamina:

EjemploLas siguientes reacciones son las de obtención de los polímeros: poliéster, neopreno y polietileno. a) Identifique a cada uno de ellos. b) Justifique si son polímeros de adición o de condensación;. c) Nombre cada uno de los grupos funcionales que aparecen en sus moléculas. d) ¿Dependen las propiedades de la longitud de la cadena? ¿Y del grado de entrecruzamiento?I. ...CH2=CH2 + CH2=CH2... –CH2–CH2–CH2–CH2–


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HOOC –COOH + HOCH2–CH2OH –OC –COO–CH2–CH2–O– + H2O

HOOC–(CH2)4–COOH + H2N–(CH2)6–NH2 –OC–(CH2)4–CO–NH–(CH2)6 –NH– + H2O



a) I = Polietileno, II = poliéster, III = neopreno

b) El polietileno y el neopreno son polímeros de adición pues la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la de los correspondientes monómeros, mientras que el nailon es de condensación pues se elimina en cada unión una molécula de agua.

c) = (doble enlace) : alqueno; –OH : hidroxilo (alcohol);–COOH : ácido carboxílico; –Cl: haluro (cloruro); –COOR (éster); –C6H5 :fenilo

d) El grado de entrecruzamiento influye mucho más que la longitud de la cadena en las propiedades pues crea estructura tridimensional con multitud de nuevos enlaces que le dan consistencia al polímero.

Ejercicio A Dadas las siguientes estructuras poliméricas: policloruro de vinilo; teflón (tetrafluoretileno); cloropreno (neopreno); silicona y poliéster: I) (–CH2–CHCl–)n; II) (–CH2–CCl=CH–CH2–)n; III) (R–OOC–R–COO–)n; IV) (–SiR2–O–)n ; V) (–CF2–CF2–)n a) Asocie cada una de ellas con su nombre y escriba cuales son polímeros elastómeros y cuales termoplásticos. b) Enumerar, al menos un uso domestico o industrial de cada una de ellas. c) Señale al menos dos polímeros cuyo mecanismo de polimerización sea por adición.

A continuación se citaran los copolímeros y terpolímeros de mayor aplicación en la industria:SAN

Copolímero de estireno-acrilonitrilo (en Figura A se muestra el poliestireno y el poliacrilonitrilo) en los que el contenido de estireno varía entre 65 y 80 %. Estos materiales tienen buena resistencia a los aceites lubricantes, a las grasas y a las gasolinas.

n

n


II. HOCH2 –CH2OH + HOOC– –COOH

H2O + –CH2–CH2–OOC– –COO–CH2–CH2–OOC– –COO–

III. CH2 =CCl–CH=CH2 + CH2=CCl–CH=CH2 +

... –CH2–CCl=CH–CH2–CH2–CCl=CH–CH2– ...

88

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

C N

H

poliacrilonitrilo

C

H

poliestireno

C C C

H

H

H H

polibutadieno



n

Figura A: Fórmulas de poliestireno, polibutadieno y poliacrilonitrilo.Asimismo, tienen mejores propiedades de impacto, tensión y flexión, que los homopolímeros del estireno. El SAN se usa cuando se requieren partes rígidas, con buena estabilidad dimensional y buena resistencia térmica, por ejemplo, en partes de las máquinas lavaplatos y en piezas para radios o televisores. Se lo emplea en grandes cantidades en la industria alimenticia. los copolímeros con 30 % estireno y 70 % acrilonitrilo, son excelentes barreras contra el oxígeno, el CO2 y la humedad.ABSSe da este nombre a una familia de termoplásticos que son terpolímeros de acrilonitrilo-butadieno-estireno. Son materiales heterogéneos formados por una fase homogénea rígida y una elastomérica.Copolímeros estireno-butadieno.Éstos son los hules sintéticos que han sustituido prácticamente en su totalidad al natural, en algunas aplicaciones como las llantas para automóviles.

Los hules sintéticos contienen 25 % de estireno y 75 % butadieno; sus aplicaciones incluyen llantas, espumas, empaques, suelas para zapatos, aislamiento de alambres y cables eléctricos y mangueras.

Los copolímeros de estireno-butadieno con mayor contenido de butadieno, hasta de 60 %, se usan para hacer pinturas. Para mejorar la adhesividad, en ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros.

POLÍMEROS NATURALES ()

Caucho. Polisacáridos.

Almidón. Celulosa. Glucógeno.

Proteínas. Ácidos nucleicos.

Polisacáridos.


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Se forman por la condensación de la glucosa en sus dos estados ciclados y β.

Si se condensa la “ glucosa” se produce el disacárido maltosa y si se continúa la polimerización se produce el almidón. Si se condensa la " β glucosa” se produce la celulosa.

Polipéptidos y proteínas.

Se producen por la condensación de los aminoácidos formando dos tipos de estructuras: una espiral llamada “ hélice” y otra plana denominada “estructura β”.

Polinucleótidos y ácidos nucleicos.

Se producen por la condensación de nucleótidos formados éstos a su vez por la condensación de ácido fosfórico, un monosacárido (ribosa o desoxirribosa) y una base nitrogenada (citosina, guanina, adenina, timina o uracilo).

El ADN se forma por la unión de dos cadenas de desoxirribonucleótidos unidas por los puentes de hidrógeno que forman las distintas bases: adenina con timina y guanina con citosina. Con ello se forma una estructura de doble hélice en donde las bases nitrogenadas forman los peldaños de la misma.


Almidón Celulosa

estructura

90Nucleótido

Polinucleótido



Polímeros sintéticos

Desde el descubrimiento del primer material plástico, obtenido a partir de la celulosa, los químicos abordaron la tarea de obtener por síntesis otras moléculas gigantes como las que existían en la naturaleza. Partían de moléculas pequeñas, a las que llamaban monómeros, y por un proceso de polimerización llegaban a una molécula gigante o polímero. Actualmente se ha llegado a tal perfección que los polímeros pueden producirse casi por encargo, cumpliendo propiedades especificadas de antemano.

La producción industrial de polímeros sintéticos se ha incrementado enormemente en los últimos decenios, y productos como plásticos, resinas, elastoplásticos y fibras han invadido los campos donde antes se utilizaban productos naturales como metales, madera, algodón o seda. Frente a éstos, los polímeros presentan las siguientes ventajas:

Tienen una gran inercia química y, en consecuencia, no son atacados ni por los ácidos ni por las bases ni por los agentes atmosféricos.

Son muy resistentes a la rotura y al desgaste. Tienen una gran elasticidad. Se tiñen fácilmente en todos los colores. Son poco densos. Se obtienen fácilmente y son relativamente baratos.

Tipos de macromoléculas

La siguiente tabla muestra distintos tipos de enlace que se presentan en monómeros que, por un proceso de polimerización, dan lugar a macromoléculas naturales o sintéticas:

Enlaces en la molécula fundamental (monómero) Ejemplos


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Clase de enlace

Símbolo

Sintéticos Naturales

Enlace C—C

PolietilenoCaucho Caucho

Enlace de éster

Fibras de poliéster

Ácidos nucleicos

Enlace de amida

Fibras de poliamida(nilón, perlón)

--

Enlace de uretano

Poliuretanos --

Enlace de éter

Polímeros de formaldehído

Celulosa, almidón

Formación de polímeros

La síntesis de polímeros a partir de moléculas más sencillas o monómeros (polimerización) puede ocurrir de dos formas: por policondensación y por poliadición.

Policondensación

En la policondensación, al unirse los monómeros se elimina una molécula sencilla, como puede ser el agua o el amoniaco.

Ejemplo: condensación entre moléculas de glicol (etano-diol) para formar polietilenglicol.


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Adenina (A)

Timina (T)

Guanina (G)

Citosina (C)



La policondensación se produce entre monómeros con cadenas saturadas y que contienen por lo menos dos grupos activos, uno en cada extremo (bifuncionales). Entonces se obtienen macromoléculas en forma de fibras, como el naylon. Los monómeros también pueden tener tres grupos activos (trifuncionales), obteniéndose en este caso macromoléculas en forma de red tridimensional, como las que se encuentran en las resinas sintéticas.

Poliadición

La poliadición se produce entre monómeros con enlaces dobles o triples. Al igual que en el caso anterior, en el monómero debe haber, como mínimo, dos enlaces no saturados, pues si sólo hay uno, no se produce polimerización. Cuanto mayor es el grado de insaturación del monómero, más fácilmente se polimeriza. El mecanismo de la polimerización por adición comprende dos etapas:

1.) Apertura del enlace no saturado y formación de un radical mediante la absorción de energía.

2.) Reacción de adición del radical con otro monómero, formándose un nuevo radical y repitiéndose el proceso.

Ejemplo: Formación del caucho por poliadición de moléculas de isopreno (2 metil butadieno).

Al unirse dos moléculas de isopreno se rompe uno de los dobles enlaces de la primera y se reorganizan los átomos dando la siguiente molécula:

De la misma manera, a partir de n moléculas de isopreno se forma el caucho:

Las sustancias con macromoléculas de cadena lineal son, generalmente, fáciles de moldear cuando se calientan. Se llaman, por esta razón, termoplásticas. Por el contrario, las sustancias con macromoléculas tridimensionales tienen gran resistencia a reblandecerse por el calor. Se dice que son sustancias termoestables.

Algunos polímeros importantes

La siguiente tabla muestra algunos otros polímeros importantes de gran trascendencia en la industria actual:

Nombre científicoFórmula de la molécula fundamental

Propiedades y aplicaciones


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PolietilenoAisladores eléctricos. Muy resistentes a los productos químicos; se usa en la fabricación de envases.

PoliestirenoTransparente como el vidrio. Artículos de consumo: electrotecnia, lentes ópticas, lacas. Soluble en benceno

Cloruro de polivinilo

Polvo blanco muy duro. Artículos prensados, masillas, aislamientos de cables, tubos, mangueras. Recubrimientos sobre tejidos y papel.

Politetrafluoreteno

Masa blanca y dura difícil de trabajar y muy resistente a los reactivos químicos. Tubos, masillas, recubrimientos antiadherentes.

Ésteres del ácido poliacrílico

Transparente como el vidrio y parecido a la goma. Blando, pastoso. Impregnaciones, pegamentos.

Ésteres del ácido polimetacrílico

Transparente como el vidrio, duro y frágil. Varillas, tubos, ventanas laterales y posteriores de los coches, lentes de gafas.

PoliacrilonitriloFibras artificiales análogas a la lana. Muy estables y resistentes.

Sustancias de interés biológico

Las sustancias que constituyen los seres vivos presentan una enorme variedad, aunque en su gran mayoría son compuestos del carbono, con estructuras moleculares complejas. Sin embargo, esta variedad de moléculas orgánicas es consecuencia de las combinaciones de un número reducido de moléculas sencillas que se unen entre sí para dar origen a largas cadenas.

Los cuatro grupos principales de macromoléculas que constituyen los seres vivos son: proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos. Cada uno de estos grupos cumple una función específica en todas las células.

Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en el interior de las células, constituyendo el 50 % o más de su peso seco. Unas tienen funciones estructurales en las células y otras, actividades catalíticas específicas.

Los polisacáridos son almacén energético y cumplen funciones estructurales extracelulares.

Los lípidos también cumplen dos funciones principalmente: son constituyentes de membranas celulares y almacenes ricos en energía.

Los ácidos nucleicos actúan almacenando y transmitiendo la información genética. Técnicatura Superior en Procesos Industriales




Proteínas

Composición

Las proteínas están constituidas por carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno y, casi todas, también por azufre, pudiendo contener otros átomos como hierro y fósforo, en menor proporción.

Tienen masas moleculares muy elevadas y por hidrólisis ácida dan aminoácidos.

Los aminoácidos son compuestos sencillos que presentan un grupo carboxilo (—COOH) libre y un grupo amino (—NH2) en el carbono . Además, cada aminoácido posee un radical R característico.

Grupo R Grupo -aminoácido Nombre

-aminoácido(fórmula general)

Glicina o glicocola

Alanina

Ácido glutámico

Cisteína

Para formar las proteínas, los aminoácidos se unen eliminando agua entre el grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo -amino del siguiente. Este tipo de enlace se llama enlace peptídico y es del tipo de las amidas.

De esta forma pueden unirse centenares de aminoácidos, dando origen a las cadenas peptídicas. Una proteína puede contener varias cadenas peptídicas.


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Si la hidrólisis de una proteína produce únicamente aminoácidos, la proteína se denomina simple. Si, en cambio, produce otros compuestos orgánicos o inorgánicos, denominados grupo prostético, la proteína se llama conjugada.

Estructura

El número de proteínas que se pueden formar con los veinte aminoácidos distintos que se encuentran en los seres vivos, es ilimitado. Por difracción de rayos X, se ha demostrado que muchas cadenas polipeptídicas presentan unos enrollamientos sobre sí mismas, en forma de -hélice, produciéndose un paso de rosca cada 3,6 aminoácidos.

Los enlaces que mantienen unida esta estructura son puentes de hidrógeno y se producen entre hidrógenos de los grupos aminos y oxígenos de los grupos carboxilos de aminoácidos distintos. La alteración de la estructura por efecto del calor, de la variación del pH o de otros procesos, provoca un cambio conformacional en la proteína. Este cambio, denominado desnaturalización, lleva consigo la pérdida de sus propiedades. Es lo que ocurre, por ejemplo, al calentar la clara de huevo.

Funciones

Las proteínas desempeñan distintas funciones en los seres vivos, como se observa en la tabla siguiente:

Tipos Ejemplos Localización o función

Enzimas Ácido-graso-sintetosa

Cataliza la síntesis de ácidos grasos.

Reserva Ovoalbúmina Clara de huevo.

Transportadoras Hemoglobina Transporta el oxígeno en la sangre.

Protectoras en la sangre Anticuerpos Bloquean a sustancias

extrañas.

Hormonas Insulina Regula el metabolismo de la glucosa.

Estructurales Colágeno Tendones, cartílagos, pelos.

Contráctiles Miosina Constituyente de las fibras musculares

El mayor grupo lo constituyen las enzimas, que son los biocatalizadores de todos los procesos químicos que tienen lugar en los seres vivos. Las enzimas, en su gran mayoría, son específicas para cada reacción, de ahí su gran número. Como son catalizadores, actúan disminuyendo la energía de activación, combinándose con los reaccionantes para producir un estado intermedio con menor energía de activación que el estado de transición de la reacción no catalizada. Una vez formados los productos de la reacción, la enzima se recupera.

Glúcidos o azúcares

Composición


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Los glúcidos o azúcares están constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su fórmula empírica es Cm(H2O)n, de ahí que se les haya llamado también hidratos de carbono, aunque el hidrógeno y el oxígeno no se encuentran en sus moléculas formando agua.

Los polisacáridos, por hidrólisis, dan unidades más sencillas, denominadas monosacáridos.

Los monosacáridos son sólidos, cristalinos, incoloros, solubles en agua y de sabor dulce. Químicamente son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Responden a la fórmula empírica (CH2O)n, en la que n tiene un valor igual o mayor que 3, siendo los más frecuentes los de 5 y 6 átomos de carbono.

Presentan en todos sus carbonos un grupo hidroxilo (-OH), excepto en uno, en el cual lleva un grupo carbonilo ( ).

Si el grupo carbonilo se encuentra al final de la cadena, el monosacárido es un aldehído, y se denomina aldosa. Si se encuentra en un carbono secundario es una cetona, y se llama cetosa.

Ejemplo:

Aldosa Cetosa

Carbonos asimétricos e isómeros ópticos. Series D y L

Si las cuatro valencias del carbono están unidas a cuatro átomos o a cuatro grupos atómicos distintos, dicho carbono se llama asimétrico Por ejemplo, el monosacárido propanol-al (triosa) tiene un carbono asimétrico, (marcado en color rojo en la figura).

Propanol-al (triosa)

La presencia de un carbono asimétrico en una molécula hace que ésta pueda adquirir dos disposiciones espaciales no superponibles, como ocurre con la mano derecha e izquierda. Un carbono asimétrico ocasiona la existencia de dos isómeros, llamados isómeros ópticos porque hacen girar al plano de la luz polarizada.

La glucosa es un monosacárido cuya molécula contiene un grupo aldehído y cinco hidroxilos:


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Glucosa aldohexosa

La molécula de la glucosa contiene cuatro carbonos asimétricos (C), y puesto que para cada uno de ellos existe una disposición espacial «a derecha» y «a izquierda», serán posibles dieciséis isómeros ópticos (24 = 16), siendo la glucosa uno de ellos. Estos dieciséis isómeros (todos ellos aldohexosas) han sido aislados e identificados.

De estos dieciséis isómeros, ocho pertenecen a la serie D, y los restantes, a la serie L. Los primeros son los que tienen el OH del carbono asimétrico de número más elevado a la derecha, y los segundos, los que lo tienen a la izquierda. Todos los monosacáridos naturales pertenecen a la serie D.

La D-glucosa es el monosacárido más importante, por derivar de él todos los demás y ser el combustible principal para la mayor parte de los seres vivos.

Principales monosacáridos

D-Glusosa(aldohexosa)

D-Ribosa (aldopentosa)

D-Fructosa(cetohexosa)

Funciones

La glucosa es el combustible celular por excelencia, oxidándose con oxígeno para dar CO2, H2O y desprendiéndose energía, según la reacción siguiente:

C6H1206 + 6O2 6CO2 + 6H2O H = -2870 KJ/mol

Este proceso se realiza en las células a través de un conjunto complejo de reacciones (glucólisis), cuya finalidad es el desprendimiento gradual de energía para poder ser utilizada en otras formas químicas. El rendimiento de la glucólisis es aproximadamente del 42 %.

La sacarosa o azúcar común es un disacárido constituido por -D-glucosa y -D-fructosa. Se encuentra principalmente en la caña de azúcar y en la remolacha.

Los polisacáridos cumplen dos funciones diferentes: de reserva y estructural.

Entre los polisacáridos de reserva están el almidón y el glucógeno. El primero es de origen vegetal, y el segundo, de origen animal, y ambos están formados por -D-glucosa. Cuando las células requieren energía estos polisacáridos se hidrolizan para dar glucosa.


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La celulosa contiene más del 50 % del carbono orgánico presente en la biosfera y es un polisacárido estructural que constituye las paredes de las células vegetales, (está constituida por -D-glucosa).

Lípidos

Composición

Los lípidos son ésteres orgánicos naturales que comprenden las grasas y las ceras. Son compuestos ternarios constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno (C, H, O), aunque algunas veces pueden contener fósforo, nitrógeno y azufre (P, N, S). Son miscibles con disolventes no polares (cloroformo, benceno, etc.), pero no con agua.

La mayor parte de los lípidos proviene de la combinación de los ácidos grasos con alcoholes. Cuando el alcohol es la glicerina (propanotriol) y los tres grupos alcohólicos reaccionan con un ácido graso, al compuesto resultante se le denomina triacilglicérido o grasa.

Los ácidos grasos poseen una larga cadena lineal hidrocarbonada con un número par de C y un grupo carboxilo terminal. Los que más se encuentran en la naturaleza son:

Nombre Númerode carbonos

Ácido palmítico 16Ácido esteárico 18Ácido oleico 18Ácido linoleico 18Ácido linolénico 18Ácido araquidónico 20

Los tres últimos, que constituyen la vitamina F, no son sintetizables por el hombre, por lo que debe incluirlos en su dieta.

En las grasas, cuanto mayor es el grado de insaturación de los ácidos grasos que la componen, menor es el punto de fusión.

Las grasas que presentan ácidos grasos insaturados en su molécula son líquidas a temperatura ambiente y se denominan aceites.

El tratamiento de una grasa con un álcali, por ejemplo NaOH, da lugar a los jabones. Es una reacción de saponificación.


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Cuando la glicerina está unida a ácidos grasos y al ácido fosfórico, que a su vez esterifica también a otro grupo alcohólico de la glicerina, sus compuestos se denominan fosfolípidos.

Otro grupo de lípidos son los derivados del anillo del ciclopentanoperhidrofenantreno. A estos compuestos se los conoce con el nombre de esteroides. En este grupo destaca el colesterol, que es el compuesto causante de la arterioesclerosis.

Dentro de este grupo se encuentran también las hormonas sexuales, las suprarrenales y la vitamina D.

Funciones

Los lípidos que presentan una parte polar, entre ellos los fosfolípidos, son los que se unen a cadenas peptídicas para constituir las membranas celulares.

Los ácidos grasos en su oxidación producen mucha energía, por lo que son una importante fuente energética para las células. Cuando la célula no la precisa, se almacena como grasa en el tejido adiposo.

Algunos lípidos también cumplen funciones hormonales y vitamínicas.

Ácidos nucleicos

Composición

Los ácidos nucleicos están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Son macromoléculas cuyos monómeros son los nucleótidos, igual que los aminoácidos lo son de las proteínas.

Los nucleótidos son moléculas complejas formadas por una base nitrogenada, un azúcar con cinco carbonos y el ácido fosfórico.

Las bases nitrogenadas pueden ser púricas (adenina y guanina) y pirimidínicas (citosina, timina y uracilo).

Los azúcares de cinco carbonos son la ribosa y la desoxirribosa.

Las bases nitrogenadas se unen al azúcar para formar los nucleósidos por eliminación de una molécula de agua entre el —OH del carbono 1 del azúcar y el H del grupo —NH de la base.

Si al nucleósido se une una molécula de ácido fosfórico esterificado al grupo —OH del carbono 5, se obtiene el nucleótido.

Existen nucleótidos con 1 2 ó 3 moléculas de ácido fosfórico.

Los ácidos nucleicos son polinucleótidos en los que la unión se produce por esterificación en el grupo alcohólico del carbono 3 de un azúcar por el ácido fosfórico situado en el carbono 5 del siguiente nucleótido.

Estructura


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Los ácidos nucleicos pueden ser de dos tipos: ribonucleicos (ARN) y desoxirribonucleicos (ADN). El ARN tiene como azúcar la ribosa y como bases la adenina, citosina, guanina y uracilo.

El ADN tiene como azúcar la desoxirribosa y como bases la adenina, citosina, guanina y timina. La secuencia de bases que tiene un ácido nucleico se llama estructura primaria.

En el ADN el número de moléculas de adenina es igual al de timina, y el número de moléculas de citosina es igual al de guanina. Este hecho fue descubierto por Chargaff en 1950.

Watson y Crick, en 1953, establecieron una estructura para el ADN de doble hélice en la que dos cadenas de nucleótidos se enfrentan por sus bases, las cuales se unen entre sí por puentes de hidrógeno; en el caso de la adenina con la timina, con dos puentes de hidrógeno, y en el de la guanina con la citosina, con tres. Esta conformación que adopta el ADN se denomina estructura secundaria.

Funciones

En la secuencia de bases del ADN se guarda la información que permite la biosíntesis de las proteínas, determinando la secuencia de aminoácidos. Esta información se denomina código genético.

La estructura de doble hélice permite la duplicación del ADN al abrirse las cadenas y poderse copiar, a partir de cada una, otra con idéntica estructura. Esta propiedad del ADN es la base de la reproducción de los seres vivos.

El ARN participa en la síntesis de proteínas, siendo un intermediario que se crea a partir del ADN.

El adenosintrifosfato (ATP) se conoce como la «moneda energética» de la célula, ya que los enlaces entre los fosfatos son muy ricos en energía. Cuando se rompen estos enlaces se desprende gran cantidad de energía. De la misma manera, si en un proceso metabólico (por ejemplo, en la glucólisis) se desprende energía, ésta es captada en forma de ATP para su posterior utilización.

ATP ADP + P +

energía

Adenosintrifosfato Adenosindifosfato Fosfato


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QUÍMICA II - Series de ejercicios: Unidad Nº 5

Ejercitación.

1) Polimerización. Tipos. Pon un ejemplo de cada uno.

2) Escribe seis ejemplos de polimerización de adición y dos de polimerización de condensación indicando los nombres tanto de monómeros como de sus correspondientes polímeros, así como una aplicación de cada polímero.

3) Clasifica los polímeros según su composición, estructura y comportamiento ante el calor. Pon ejemplos.

4) La baquelita. Tipos de polímero. Obtención, reacciones y aplicaciones.

5) a) Dibuja la estructura del polímero de adición formado por el 2-cloro-1,3-butadieno; b) ¿qué unidades moleculares se combinan para dar un nucleótido? ¿Qué es un polipéptido?: c) Cuáles son los monómeros que son la base del teflón y del PVC?. Enumera al menos una aplicación de cada polímero.

6) En las condiciones adecuadas, el 1,1,2,2-tetra-fluoreteno se polimeriza dando politetrafluoreteno (teflón), un polímero muy usado como revestimiento anti-adherente


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para utensilios de cocina. a) Formule la reacción de polimerización. b) Justifique si se trata de una polimerización por adición o por condensación. c) Razone si el polímero es un homopolímero o un copolímero. d) Las propiedades físicas del polímero se deben sobre todo al elevado porcentaje de flúor que contiene el monómero, ¿cuál es dicho porcentaje?

7) El ácido adípico (hexanodioico), es una de esas materias primas que se utilizan en la fabricación del nylon, se obtiene comercialmente oxidando el ciclohexano con oxígeno, formándose también agua. a) Formule y ajuste la reacción correspondiente. b) Si se utilizan 50,0 g de ciclohexano, ¿qué cantidad teórica de ácido adípico debería obtenerse? c) Si en la reacción anterior se obtienen 67,0 g de ácido adípico, ¿cuál es el rendimiento de la reacción?

8) El ácido 3-hidroxibutanoico se polimeriza dando un polímero de condensación. Escribe la reacción de polimerización e indica entre corchetes la unidad que se repite.

Unidad temática 6: INTRODUCCION AL ESTUDIO DEL PROBLEMA DE RESIDUOS Y EFLUENTES

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Definición

La contaminación atmosférica se define como la condición atmosférica en la que ciertas sustancias y/o energías alcanzan concentraciones o niveles lo suficientemente elevadas, sobre su nivel ambiental normal como para producir riesgos, daños, molestia a las personas, ecosistema o bienes.

Clasificación de los contaminantes

Desde el punto de vista de su origen, los contaminantes químicos se pueden dividir en dos grupos:

Contaminantes primarios: son aquellos que se emiten por fuentes identificables como consecuencia de actividades realizadas por el hombre y son: SO2, SOX, CO, NOX, metales, partículas, hidrocarburos, aerosoles.

Contaminantes secundarios: son aquellos formados en la atmósfera mediante las reacciones químicas y / o fotoquímicas de los contaminantes primarios y son: O3, hidrocarburos oxidados, lluvia ácida.


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Las fuentes emisoras de contaminantes químicos a la atmósfera se dividen según su origen en dos grandes grupos:

Fuentes naturales: en este caso la presencia de sustancias contaminantes en la atmósfera se debe a causas naturales

Fuentes antropogénicas: los contaminantes presentes en la atmósfera tienen su origen en las diversas actividades humanas.

Los focos antropogénicos de emisión de contaminantes se pueden clasificar de la siguiente forma:

- Focos fijos:

- Industriales: procesos industriales, instalaciones fijas de combustión- Domésticos: instalaciones de calefacción

- Focos móviles

- Vehículos automóviles

- Aeronaves

- Buques

CONTAMINACIÓN DEL SUELO

Introducción

El incremento de la población humana ha conducido a la rápida expansión de las áreas urbanas existentes y al desarrollo de nuevas. Áreas usadas para la industria en el pasado se han transformado en tierras con valor para el desarrollo de emplazamientos habitacionales en muchas partes del mundo.

En los ´70, con la expansión de las investigaciones de la contaminación en el medio ambiente, la atención se dirigió a las áreas de suelo contaminado. En todo el mundo, empezó a aparecer que muchas sustancias que eran tóxicas bien conocidas estaban presentes en relativamente elevadas concentraciones en suelo de algunas áreas urbanas. Esencialmente, los problemas de contaminación del suelo pueden ser de dos tipos: 1) aquellos en los que hay exposición humana a contaminantes, y 2) aquellos en los que hay exposición de ecosistemas naturales.

Fuentes de contaminación del suelo

La contaminación del suelo puede originarse a partir de las siguientes actividades:

Operaciones industriales (industrias químicas, abastecimiento de gas y electricidad, refinerías, estaciones de servicio, minas)

Actividades agrícolas (manipulación y almacenamiento de químicos utilizados en las actividades agrícolas)


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Actividades domésticas y urbanas (disposición de residuos sólidos, disposición de barros cloacales)

La disposición deliberada de residuos industriales a suelo ha sido un método de disposición común. Los derrames accidentales que han ocurrido son también una causa importante de contaminación del suelo.

EL AGUA Y SU CONTAMINACION

Naturaleza de las aguas efluentes

El origen, composición y cantidad de los desechos están relacionados con los hábitos de vida vigentes. Cuando un producto de desecho se incorpora al agua, el líquido resultante recibe el nombre de agua efluente.

Origen

Aguas

efluentes

domésticas

industriales

resultado de actividades cotidianas de las personas

dependen del tipo de industria

La cantidad y naturaleza de las aguas efluentes industriales es muy variada, dependiendo del tipo de industria, de la gestión de su consumo de agua y del grado de tratamiento que los vertidos reciben antes de su descarga.

Un área metropolitana estándar vierte un volumen de aguas efluentes de entre el 60 y el 80% de sus requerimientos diarios totales, y el resto se usa para lavar coches y regar jardines, así como en procesos como el enlatado y embotellado de alimentos.

Fuentes de contaminación.

Las fuentes de contaminación más importantes del agua son los desechos de agua domestica, efluentes industriales, escurrimiento de actividad agrícola, lluvia y niebla ácida, filtración de la explotación minera y rellenos sanitarios.

Pueden reconocerse dos tipos de fuentes de contaminación:

Fuentes puntuales: son las que descargan contaminantes en lugares específicos ya sea a través de tuberías, alcantarilla a cuerpos de agua superficial.

Ejemplos de estas fuentes son:

fabricas plantas de tratamientos de aguas negras minas subterráneas activas o abandonadas pozos de petróleo y buque tanques petroleros.


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Aunque esta fuente solo contamina en volumen el 9% del agua superficial , es importante tenerla en cuenta ya que gran parte de la contaminación que produce consiste en sustancias orgánicas y metales pesados y se ha visto que pequeñas cantidades son muy tóxicos.

En los países desarrollados estas fuentes son muy controladas, ya que son fáciles de identificar, monitorear y regular, mientras que en los países subdesarrollados no son controladas generalmente.

Fuentes no puntuales: se trata de grandes áreas que descargan contaminantes al agua superficial y subterránea sobre una extensa región y por ende, parte de esta contaminación pasa a la atmósfera desde donde también pasan a las aguas superficiales.

Ejemplo de este tipo de fuente son:

* Vertimientos de sustancias químicas en el agua superficial.

* infiltración por áreas cultivadas.

* áreas de pastura de ganado

* bosques talados

* tierras urbanas y suburbanas

* tanques sépticos

* sitios de estacionamiento, carreteras, etc.

La contaminación dada por fuente no puntual que procede de la agricultura es principalmente en forma de sedimento, fertilizante inorgánico, abonos, sales disueltas en agua de riego y plaguicidas.

La importancia de esta fuente de contaminación se debe a que el 64% del total de contaminantes que entran a los ríos se debe a esta fuente.

Los residuos sólidos comprenden los sólidos disueltos y en suspensión. Los sólidos en suspensión se dividen a su vez en depositables y no depositables, dependiendo del número de miligramos de sólido que se depositan a partir de 1 litro de agua efluente en una hora. Todos estos sólidos pueden dividirse en volátiles y fijos, siendo los volátiles, por lo general, productos orgánicos y los fijos materia inorgánica o mineral.

residuos

sólidos

Disueltos

suspensión

Volátiles

fijos

productos orgánicos

materia inorgánica o mineral

Tipos de Residuos

Residuos agrícolas Se incluye en este grupo los residuos de las actividades del llamado sector primario de la economía (agricultura, ganadería, pesca, actividad forestal y cinegética) y los producidos por industrias alimenticias, desde los mataderos y las empresas lácteas hasta las harineras y el tabaco, industrias vinícolas, etc.


106



Son todos aquellos residuos que se generan a partir de cultivos de leña o de hierba y los producidos en el desarrollo de actividades propias de estos sectores. Estos desechos se obtienen de los restos de cultivos o de limpiezas que se hacen del campo para evitar las plagas o los incendios y pueden aparecer en estado sólido, como la leña, o en estado líquido, como los purines u otros elementos residuales obtenidos en actividades agropecuarias. Los dos grupos de residuos se generan por necesidades forestales, no energéticas, y son materiales que no tienen calidad suficiente para otras aplicaciones que no sean las energéticas.

Los residuos de la agricultura también engloban envases y plásticos. Estos últimos son especialmente abundantes cuando se emplea el sistema invernadero, y suponen un grave problema por su difícil degradación en el medio ambiente. También hay que destacar la elevada concentración de productos químicos fitosanitarios, como venenos, plaguicidas y fungicidas, así como los envases de estos productos.

Residuos asimilables a domiciliarios

Clasificación:

ORGANICOS

Son biodegradables (se descomponen naturalmente), tiene la propiedad de poder desintegrarse o degradarse rápidamente transformándose en otra materia orgánica: Ej.: Restos de comida, frutas y verduras, sus cáscaras, carne, huevos.

INORGANICOSPor sus características químicas sufren una descomposición muy lenta. Muchos de ellos son de origen natural pero no son biodegradables.

Disposición:

Durante siglos los desechos de las poblaciones se arrojaban en forma indiscriminada creando basurales en las cercanías de la ciudad, no se planteaba un problema significativo ya que la población era pequeña y la cantidad de terreno disponible para la asimilación de los residuos era grande y como la mayoría de los residuos eran orgánicos, terminaban incorporándose naturalmente al suelo.Con la formación y desarrollo de las ciudades la problemática de la gestión de residuos se incrementó.Las soluciones que se aplican en distintos países varían de acuerdo a las características socioeconómicas de cada comunidad.Así surgieron propuestas complementarias para el manejo ambientalmente adecuado de la basura, como ser: reciclaje, incineración, compostaje.

En la ciudad de Buenos Aires, la disposición final se efectuaba de la siguiente forma:

Antes de 1978

En un enorme basural abierto ubicado dentro de la ciudad.Quemado en forma domiciliaria (en edificios).En hornos municipales.

A partir de 1979


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Se prohíbe el depósito de basura en espacios abiertos o cerrados y el arrojo de residuos a basurales.Queda prohibida la eliminación de basura por incineración o quema.

SE ADOPTA COMO UNICO METODO DE DISPOSICION FINAL DE RESIDUOS DOMICILIARIOS O ASIMILABLES A DOMICILIARIOS EL RELLENO SANITARIO.

Residuos Patogénicos

Según la ley 11347 de la provincia de Buenos Aires, los residuos patogénicos son todos aquellos desechos o elementos materiales en estado sólido, semisólido, líquido o gaseoso, que presentan características de toxicidad y/o actividad biológica que puedan afectar directa o indirectamente a los seres vivos, y causar contaminación del suelo, del agua o la atmósfera; que sean generados con motivo de la atención de pacientes (diagnóstico, tratamiento, inmunización o provisión de servicios a seres humanos o animales), así como también en la investigación y/o producción comercial de elementos biológicos.

Estos tipos de desechos contienen, potencialmente, microorganismos patógenos con suficiente virulencia y en tal cantidad que, la exposición al mismo por parte de un huésped susceptible puede derivar en una enfermedad infecciosa.

Entre los distintos tipos de residuos patogénicos podemos nombrar: jeringas, guantes usados, restos de sangre, fluidos humanos y de animales, restos de órganos, elementos cortopunzantes contaminados y todo aquel material que haya tenido contacto con microorganismos potencialmente patógenos.

Residuos peligrosos/especiales

Son residuos que tienen en su composición determinadas sustancias o materiales constituyentes en una concentración tal que, en función de la cantidad y forma de presentación del residuo, le pueden dar a este características de peligrosos, ES DECIR QUE IMPLIQUE UN RIESGO SOBRE LAS PERSONAS O EL MEDIO AMBIENTE.

El potencial de riesgo intrínseco con respecto al medio ambiente y a la salud que poseen los residuos es equiparable al de los productos comerciales de características semejantes. Sin embargo, estos últimos al tener un valor comercial reciben la atención necesaria que hace que ese riesgo, salvo accidentes, no se materialice, mientras que los residuos peligrosos no poseen valor comercial.

La elaboración de listas de sustancias peligrosas constituye en la actualidad una estrategia frecuente para la clasificación de un residuo como tal. Estas listas recogen desde residuos genéricos hasta compuestos o elementos químicos específicos. Las listas no establecen valores cuantitativos, remitiendo en cuanto a cantidades y concentraciones a las que representen un riesgo para la salud o el medio ambiente.

Cuando en una mezcla de residuos existe alguno catalogable como peligroso, la EPA (Enviromental Protection Agency) considera la mezcla como tal, independientemente de la proporción en que se encuentre aquel.Los residuos derivados del manejo tratamiento de los residuos peligrosos son considerados ellos mismos como tales.

Residuos sanitarios

En las actividades de atención e investigación sanitaria (centros de salud, centros veterinarios y laboratorios) se generan residuos que pueden ser de riesgo y que deben gestionarse de un modo específico, con el fin de garantizar la protección de la salud de


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http://www.estrucplan.com.ar/contenidos/Residuos/rellenosanitario.asp



las personas y la defensa del medio ambiente. Este tipo de residuos pueden clasificarse dentro de los siguientes grupos:

) Residuos sin riesgo o inespecíficos:

- Grupo I: Residuos inertes que no plantean exigencias especiales en su gestión (material de oficina, bares, comedores, jardinería)

- Grupo II: Residuos inertes que no plantean exigencias en su gestión fuera del centro, pero sí que pueden resultar de riesgo en el interior del mismo en enfermos con pocas defensas inmunológicas (material de curas, yesos, ropa manchada de sangre, secreciones, cadáveres de animales de experimentación y otros residuos que no pertenezcan al grupo III.

Residuos de riesgo o específicos:

- Grupo III: Residuos especiales ya que pueden generar riesgos para la salud de las personas: residuos sanitarios infecciosos, sangre y hemoderivados en forma líquida, agujas y material cortante o punzante usado, vacunas y cultivos de agentes infecciosos.

- Grupo IV: Residuos especiales no incluídos en el grupo III, incluyendo: medicamentos caducados, restos de sustancias químicas, residuos radioactivos y residuos citotóxicos (envases, materiales, restos, etc.) que hayan estado en contacto con medicamentos para el tratamiento de enfermos de cáncer.

El 85% de los residuos médicos son de tipo infeccioso y son especialmente peligrosos los objetos punzantes y afilados. Todo ello requiere un cuidadoso sistema de clasificación y recogida, así como de tratamiento posterior.

Residuos industriales

Los productos contaminantes generados por la industria se producen en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, lo cual puede contaminar los tres medios: atmósfera, agua y suelo.

La mejor definición de residuos sería aquellos productos de desecho generados en las actividades de producción y consumo que no alcanzan, en el contexto que son producidos, ningún valor económico, lo que puede ser debido tanto a la falta de tecnología adecuada para su aprovechamiento como a la inexistencia de un mercado para los productos recuperados. Un producto considerado como residuo en un momento podría no serlo, entonces, en otro determinado.

El tratamiento de los mismo, lo que hace en ocasiones, es trasladar la contaminación de un medio a otro.

La clase de residuos producido depende del tipo de industria de origen; una vez estudiada su naturaleza, se debe elegir un tratamiento adecuado.

En nuestro país, como en todo el mundo, las industrias producen demasiados desechos que muchas veces no son adecuadamente tratados.


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Se hace referencia a los movimientos entre los cuatro ecosistemas –atmósfera, hidrósfera, litósfera, y biosfera- que constituyen el medio ambiente como transferencias de interfase. Las transferencias de interfase de agua y oxígeno son deseables, mientras que las de dióxido de sulfuro y DDT son generalmente indeseables. Los montos de transferencia son importantes y su magnitud puede también afectar su permanencia en el ambiente. Los procesos naturales que promueven estos intercambios están siempre presentes y son responsables por la magnitud y dirección de los intercambios, tanto de los deseables como de los indeseables.

Una vez que un químico entra a una de las fases móviles (aire o agua), se dispersa rápidamente debido a los movimientos del fluido (transferencia de masa interfásica, difusión o dispersión). La transferencia de masa interfásica es importante para el movimiento de los químicos sintéticos entre las distintas fases del ecosistema. Las personas y otros organismos que constituyen la biosfera residen, en diversos grados, de las otras tres esferas.

Los seres humanos se encuentras con sustancias potencialmente dañinas por contacto directo con los químicos contenidos en los alimentos, aditivos de los alimentos, medicinas, cosméticos, el lugar de trabajo, el hogar, etcétera. La entrada de químicos en estos elementos necesarios del ecosistema, léase agua y aire

Derivados del azufre Derivados del nitrógeno Derivados de los halógenos Otros compuestos inorgánicos Compuestos orgánicos derivados de cloro, azufre, plomo, etc. Olores Partículas sólidas metálicas

MINIMIZACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN

De los procesos productivos, como consecuencia se obtienen los residuos, la basura.

Analizando los procesos, se encuentran dos modelos: uno “tradicional” y otro “limpio”.

Modelo tradicional.

La empresa no se preocupa de los residuos generados, los cuales van a parar directamente al agua, al suelo o a la atmósfera. Es, en otras palabras, el modelo tradicional.


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MATERIA PRIMA

ENERGÍA

PROCESO DE FABRICACIÓN RESIDUOS

PRODUCTOS AL MERCADO

AireTierraAgua



Modelo limpio.

Aparece como necesidad el respeto de la sociedad por el medio ambiente y los recursos naturales; es la llamada “ecoeficiencia”: producir más limpio es más rentable que limpiar´. Es asignar el máximo valor a los productos con el mínimo impacto ambiental.

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Los contaminantes atmosféricos más comunes que provienen de fuentes industriales son:

NOx: producidos por combustiones a alta temperatura. Entre las fuentes están las plantas de fabricación de fertilizantes y explosivos.

SOx: emitidos principalmente como SO2, provienen de combustión de combustibles y carbón de fuentes estacionarias. Una pequeña cantidad proviene de la combustión de naftas y combustibles diesel.

La refinación de minerales sulfurados genera grandes cantidades de SO2; también la refinación del petróleo.

Estos óxidos de azufre reaccionan con el agua atmosférica para formar ácido sulfúrico en horas.


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MATERIA PRIMA

ENERGÍA

PROCESO DE FABRICACIÓN RESIDUOS

PRODUCTOS AL MERCADO

AireTierraAgua

RECUPE-RACIÓN



El SO3 también se combina con óxidos de la atmósfera para formar aerosoles sulfúricos, otros constituyentes de la lluvia ácida.

H2S: emitido en grandes cantidades por fábricas de papel, plantas de limpieza y procesamiento de gas natural, refinerías de petróleo y ciertas plantas que fabrican fibras sintéticas.

El H2S se oxida en la atmósfera para formar dióxido de azufre y agua.

CO: se emite en grandes concentraciones en la producción de hierro colado y otros procesos metalúrgicos. Se libera en bajas concentraciones pero igualmente importantes en las instalaciones de quema de combustibles.

Compuestos orgánicos volátiles: se emiten en gran cantidad de procesos, en general, en los relacionados con la industria del petróleo y gas natural; o con industrias que utilizan sus productos, por ejemplo: industrias de pinturas, de plásticos, etc.

Porcentajes de aportes de la industria a la contaminación atmosférica global:

CO 3,6%SO2 82,1%Hidrocarburos 25,4%Partículas 70%NOx 50%

Control de la contaminación del aire

Hay mecanismos de control:

1. Limpieza natural de la atmósfera por dilución. 2. Control de la emisión de partículas:

o Cámaras de sedimentación por gravedad o Colectores inerciales (separan las partículas por fuerza centrífuga)

Colectores húmedos (aumentan el tamaño de la partícula por medio del agua porque es más fácil recolectar partículas más grandes)

o Colectores de tela y esterilla fibrosa (como una aspiradora; extraen partículas secas de corrientes gaseosas secas y a bajas temperatura).

o PES, precipitadores electroestáticos.

3. Control de la emisión de gases:

o Reducir la producción de gases indeseables o Absorción o Adsorción o Combustión a CO2 y H2O


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o Reducción: cuando el compuesto puede transformarse en compuestos no tóxicos por reacción con un agente reductor; por ejemplo, pasar de NOx a N2 por reacción con H2, CO2, hidroc. y NH3.

CONTAMINACIÓN DE SUELOS

Los residuos industriales se clasifican en:

o Materiales inertes o Asimilables a urbanos: los generados por pequeñas industrias y talleres,

que por ser de cantidad mínima, producirse en ámbito urbano y ser de baja toxicidad se gestionan junto con los residuos urbanos.

o Tóxicos y peligrosos

Por lo general, la contaminación puntual en un determinado suelo está en relación con la actividad industrial que lo rodea, exceptuando los casos de exportación de residuos.

Control de la contaminación de suelos

Dado que los residuos inertes no tienen características peligrosas para el medio ambiente se depositan en vertederos controlados. Se debe tener en cuenta que el impacto ambiental en el entorno sea mínimo; la distancia desde el lugar de producción hasta el vertedero; la capacidad del vertedero; el costo y el costo de recuperación una vez sellado.

Los residuos asimilables a urbanos se tratan junto con los residuos de poblaciones urbanas. El propósito es que grandes cantidades de desperdicios absorban cantidades relativamente pequeñas de residuos industriales para que se produzca una atenuación de los contaminantes por los desperdicios domésticos y el suelo circundante.

AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

Los procesos industriales generan una gran variedad de aguas residuales, que pueden tener orígenes muy distintos, según los usos a los que se destinen, por ejemplo:

o Producción de energía por vaporización o Transporte de calorías para condensación de vapor, refrigeración de fluidos

o de aparatos o Transporte de materias primas o de desechos o Fabricación de productos en papeleras, textiles y alimenticias o Transporte de iones en galvanoplastía o Aclarado de piezas, etc. o Lavado de gases (industria metalúrgica e industrias químicas) o Preparación de baños en electroforesis, aceites solubles, etc.

Además, estas aguas abarcan los residuos sanitarios de empleados.

Puede ser obligatorio un tratamiento previo (para quitar ciertos contaminantes) o una compresión para reducir la carga hidráulica a fin de que las aguas residuales sean aceptadas en el sistema municipal.


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Dado las características tan variadas de estas aguas, se requieren estudios extensos para valorar los requisitos de pretratamiento y el efecto de las mismas en los procesos biológicos.

El volumen o la concentración de las aguas residuales industriales suele compararse en términos de un equivalente de población, EP, con base en contribuciones per cápita representativas.

Además del posible contenido de sustancias similares a los vertidos domésticos pueden aparecer elementos propios de cada actividad industrial como: tóxicos, iones metálicos, productos químicos, detergentes, pesticidas, hidrocarburos, etc. Estos contaminantes pueden estar disueltos o en suspensión.

Tratamiento de aguas industriales

El objetivo primordial consiste en eliminar o modificar los contaminantes perjudiciales para la salud humana o el entorno acuático, terrestre o aéreo.

Procesos de tratamiento

Los contaminantes en suspensión, coloidales y disueltos (orgánicos e inorgánicos) se pueden separar físicamente, transformarse por medios biológicos o someterse a modificaciones químicas en una planta de tratamiento.

Los contaminantes en general se eliminan de las aguas residuales en orden de dificultad creciente: primero, trapos, palos y otros objetos grandes; luego, arenilla y por último, el resto.

Procesos físicos

Sedimentación Tamizado y separación por membranas Flotación Evaporación Adsorción

Procesos biológicos

Asimilación de la materia orgánica degradable biológicamente (DBO) por los microorganismos, en presencia de oxígeno y nutrientes según la reacción:

MATERIA ORGÁNICA + MICROORGANISMOS + O2 = PRODUCTOS FINALES + NUEVOS MICROORGANISMOS + ENERGÍA

Si la reacción es aerobia, los productos finales serán CO2 y H2O; si es anaerobia, el producto será CH4.

Procesos químicos

Oxidación – Reducción Precipitación Neutralización Floculación y coagulación Intercambio iónico


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Tratamiento con base en terrenos

Pantanos: sedimentación, filtración, adsorción y descomposición bacteriana. Estanques o lagunas de oxidación (tratamiento biológico). Lagunas aireadas (similar a lo anterior pero con aire introducido por medios

mecánicos). Otros

Industria papelera

Principales flujos de desechos

En las fábricas se producen diversos flujos de desechos gaseosos, particulados, líquidos y sólidos. Las emisiones gaseosas al aire incluyen: sulfuro de hidrógeno, metil mercaptano, sulfuro de dimetilo, bisulfuro de dimetilo, óxidos nitrosos, bióxido de azufre, acetona, metanol, acetaldehído, amoníaco, cloro, dióxido de cloro, formaldehído, ácido hidroclórico, ácido sulfúrico, compuestos orgánicos volátiles y cloroformo.

Las principales fuentes de contaminación del agua son las operaciones de manejo y descortezado de los troncos, el lavado de virutas y agua blanca de la máquina de papel. Los contaminantes del agua que se producen durante el proceso incluyen sólidos en suspensión, numerosos compuestos clorados como dioxinas y furanos, haluros orgánicos adsorbibles, color, compuestos de azufre reducido, metanol y otros compuestos orgánicos volátiles.

Los desechos sólidos incluyen las cenizas finas de calderas, los sedimentos de las aguas residuales y arenilla de cal. Es común que al sedimento resultante del tratamiento de las aguas residuales se le extraiga el agua y se lo queme para recuperar energía.

Opciones para prevenir la contaminación

Reciclado del agua de la canaleta de los troncos. El agua que se utiliza para transportar los troncos desde el lugar donde se encuentran apilados hasta los descortezadores y los trituradores pueden reciclarse con un purgado mínimo hasta las instalaciones para el tratamiento de aguas residuales. La corteza y la fibra recogidas pueden quemarse en las calderas de combustible triturado para recuperar energía. El agua residual tratada sirve como agua de repuesto para las canaletas. Esta alternativa puede aplicarse a cualquier fábrica que emplee canaletas para transportar los troncos.

Eliminación extendida de la lignina. El objetivo de éste proceso de pulpación es eliminar una mayor cantidad de lignina de la pulpa, y, con ello, reducir la demanda ejercida sobre el sistema de blanqueado y la consiguiente generación de contaminantes. La eliminación extendida se logra al cocer la fibra en ciclos de tiempo, temperatura y alcalinidad modificados, por lo regular, con la misma carga total de álcali. Este proceso se conoce como cocción continua modificada (CCM).

Las ventajas de la eliminación extendida de lignina consisten en una disminución en el consumo de las sustancias químicas para el blanqueado, reducción de los compuestos clorados del efluente, mayor eficiencia energética y mayor rendimiento de la pulpa.

Sistemas mejorados de lavado de la pasta de madera y nuevos sistemas de lavado. Las mejoras en el lavado de la pasta de madera pueden provocar un importante incremento en la eficiencia de la recuperación química. Esto puede lograrse al agregar uno o más pasos de lavado en las líneas de lavado existentes, o bien, al instalar equipo más nuevo y refinado en lugar del anterior. Los nuevos sistemas pueden contar con prensas para pulpa, lavadores de banda, lavadores con deflector de compactación o lavadores por difusión.


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Controles de Azufre total reducido (TRS) para las ventilas de alto volumen-baja concentración y bajo volumen-baja concentración. Del total de las emisiones de compuestos de azufre reducido, entre el 10 y el 20% provienen de los flujos de ventilación de las lavadoras para pasta de madera, de los tanques de espumado, de los filtros de licor negro, de los tanques de oxidación y de los tanques de almacenamiento, los cuales no suelen recogerse en el sistema de gas no condensable. Las emisiones provenientes de estas fuentes pueden recolectarse y quemarse para recuperar energía, lo cual reduce las emisiones de compuestos de azufre reducido y compuestos orgánicos volátiles que se descargan a la atmósfera.

Eliminación de la lignina con oxígeno. La eliminación de la lignina con oxígeno es el proceso mediante el cual la pulpa se trata con oxígeno en un ambiente alcalino antes de blanquearse, o bien después de un proceso de pulpación convencional o extendido. Puede lograrse una eliminación de la lignina de hasta el 50%.

Las ventajas de la lignina con oxígeno son, ante todo, los ahorros en sustancias químicas en la planta de blanqueado y una menor contaminación en el agua residual. También es posible lograr reducciones importantes en las cargas de contaminantes del efluente, por ejemplo en la demanda biológica de oxígeno, en los compuestos clorados, en los haluros orgánicos adsorbibles, y en el color. El consumo de cloro puede reducirse en un 50%.

Blanqueado con ozono. En este proceso, después de la eliminación de la lignina, el ozono se utiliza como agente de blanqueado primario en lugar del cloro. Además de eliminar la formación de compuestos clorados nocivos, el blanqueado con ozono facilita también la recuperación del ozono y de los filtrados de la fase de extracción dentro del sistema de recuperación química. Este método reduce de manera significativa las cargas de haluros orgánicos adsorbibles, la demanda biológica de oxígeno y el color que se descargan en las aguas residuales desde la planta de blanqueado.

Industria Química

Requisitos de energía

El consumo de energía de la industria química, tanto en materias primas como en insumos esenciales de energía se distribuye de la siguiente manera:

Petróleo crudo y sus derivados 45%

Gas natural 30%

Electricidad 17%

Carbón 6%

Otros 2%

Cadena química: los ladrillos con los que se construye la industria

Las sustancias químicas derivadas de materias esenciales del petróleo, son los ladrillos de construcción básicos de la industria química. Por ejemplo, uno de éstos ladrillos es el etileno, que se convierte en productos tales como pintura de látex, envolturas para alimentos, bolsas para basura, botellas de plástico, discos, cintas de audio y video, adhesivos, vidrios de seguridad, productos farmacéuticos, cosméticos, fragancias, aspirina, fibras sintéticas, detergentes, Shampoo, líquidos para frenos, fluidos hidráulicos y para transferencia de calor, e incluso el líquido en el que se almacenan los corazones humanos a la espera de trasplante.


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Cómo buscar las oportunidades para prevenir la contaminación

La industria química tal vez sea la más difícil de analizar desde afuera. Muchas plantas químicas son grandes, son complejas, y están muy integradas; por ejemplo, los gases ligeros que provienen de la vanguardia de una instalación de olefinas se usan como combustibles para los hornos de desintegración térmica donde se elaboran el etileno y el propileno que se emplean más tarde en la instalación. A su vez, el etileno puede utilizarse para fabricar decenas de sustancias químicas más, dependiendo de los procesos que se usen, con flujos de reciclado integrados a las diversas fases de la producción de sustancias químicas.

Posibles fuentes de contaminantes y desechos

Posibles fuentes de emisiones al aire

Emisiones de un solo punto: chimeneas, ventilas, maniobras de carga y descarga del material, etc.

Emisiones fugitivas: bombas, válvulas, bridas, sellos mecánicos, dispositivos de alivio

Emisiones secundarias: unidad de tratamiento para el agua residual, torre de enfriamiento, drenaje del proceso, resumidero, áreas de derrames y fugas, y otras.

Posibles fuentes de desechos líquidos

Solvente y agua para el lavado de equipo, muestras de laboratorio, químicos excedentes, lavados y purificación de productos, lavado de los sellos para descarga de agua, purga del depurador, agua de enfriamiento, eyectores de vapor y bombas para vacío, fugas, derrames, solventes gastados o usados, mantenimiento interno, aceites y lubricantes de desecho provenientes del mantenimiento, y otras.

Posibles fuentes de desechos sólidos

Catalizadores y filtros usados, sedimentos, sedimento del tratamiento biológico del agua residual, suelo contaminado, equipo y aislamiento viejos, material de empaque, subproductos de reacciones, carbón y resinas usados, auxiliares para secado y otros.

Posibles fuentes de contaminación para el agua del subsuelo debido a fugas o derrames

Fosos sin revestimiento, trincheras del proceso, resumideros, bombas, válvulas y accesorios, estanques para el tratamiento del agua residual, áreas para almacenamiento de productos, tanques y patios de tanques, tuberías subterráneas o elevadas, áreas y racks para carga y descarga, instalaciones para el mantenimiento de la manufactura.

Dónde buscar soluciones para prevenir la contaminación

Administración de inventarios y operarios

Métodos mejorados para comprar, recibir, almacenar y manejar el material, que permitan minimizar la cantidad de material caduco, sobrante o que no se necesita, o que puede provocar descargas accidentales.

Instalación de equipos adecuados y adopción de programas de mantenimiento preventivo rigurosos que prevengan fugas, derrames o descargas accidentales.


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Programación de la producción: reducción del número de cambios en la producción a fin de minimizar el desecho que se genera debido a las transiciones y a la rotación.

Equipos

Instalación de equipos que produzcan menos desechos.

Rediseño del equipo o de las líneas de producción de modo que generen menos desechos y mejoren o permitan las opciones de recuperación o reciclado.

Una mejor eficiencia operativa del equipo

Eliminación de las fuentes de fugas y derrames.

Proceso

Cambios en el proceso que optimicen las reacciones y el uso de las materias primas a fin de reducir la generación de desecho o las descargas.

Cambios en los insumos: purificación y sustitución de los materiales que permitan que el proceso cambie para reducir el desecho o eliminar algún constituyente peligroso que se utilice en el producto o durante la manufactura

Sustitución del producto: crear un nuevo producto cuyo uso o disposición sean menos peligrosos que los del producto original.

Automatización adicional para aumentar la confiabilidad de las operaciones y reducir la incidencia de perturbaciones en el proceso y la producción de material fuera de especificación.

Reciclado

Participación en intercambios de desechos

Instalación de sistemas de ciclo cerrado para que el reciclado se realice en el transcurso del proceso.

Reciclado in situ en otras unidades de proceso o bien, reciclado externo para reutilización

Encontrar nuevos usos para los subproductos que antes nadie quería.

Separación de desechos según el tipo de los mismos para permitir la recuperación

Recuperación: procesamiento de los desechos para recuperar los recursos.

Industria de la refinación del petróleo

La industria de la refinación del petróleo se dedica, ante todo, a la manufactura de combustibles, lubricantes y productos petroquímicos intermedios, utilizando el petróleo crudo como su principal material de insumo. El petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos parafínicos, oleofínicos, nafténicos y aromáticos; el contenido de carbono suele ser de entre 82 y 87% por peso, mientras que el contenido de hidrógeno varía entre el 12 y 15 % por peso. Además de los hidrocarburos, el petróleo crudo contiene pequeñas concentraciones de compuestos orgánicos e inorgánicos de azufre, oxígeno, nitrógeno y elementos metálicos. Las sales metálicas alcalinas que se encuentran en el agua de mar,


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como el cloruro de sodio, se encuentran también en las soluciones salinas que se extraen junto con el petróleo crudo de los depósitos subterráneos.

La refinación del petróleo es el proceso que separa los hidrocarburos en fracciones a través de la destilación, que mejora los hidrocarburos por medio de la conversión química para adaptarlos al uso a que se destine el producto, y que separa los hidrocarburos de las impurezas indeseables, por lo general, compuestos de azufre, nitrógeno, oxígeno y elementos metálicos. Por lo regular, las fuentes de desechos del proceso de refinación pueden clasificarse de la siguiente manera:

Pérdidas de petróleo. Dichas pérdidas se deben, más que nada al arraste, a la emulsificación y, en menor medida, a la disolución de los hidrocarburos en la fase acuosa de todas aquellas operaciones que implican que éstos entren en contacto con el agua, así como por las fugas inadvertidas provenientes del equipo y de la tubería.

Consumo de materiales auxiliares de insumo, como catalizadores, adsorbentes sólidos, soluciones que absorben líquidos para la limpieza de gases, cáusticos, ácidos minerales, fluidos para transferencia de calor, lubricantes, sustancias químicas para tratamiento de agua y la propia agua.

Desechos irreductibles generados como resultado de la separación de las impurezas indeseables en el proceso de refinado; por ejemplo, sales en la solución salina del desalador. Cabe señalar que las impurezas que originalmente acompañan al petróleo crudo o que suelen crearse durante el refinado, se convierten en productos útiles y viables desde un punto de vista comercial, como amoníaco, azufre, materiales fenólicos y metales.

En consecuencia, la prevención de la contaminación, tal como se aplica a la refinación del petróleo, tiene como objetivo buscar oportunidades para reducir los desechos y prevenir las pérdidas de petróleo e hidrocarburos mediante la disminución en el consumo de los materiales auxiliares de insumo, así como mediante una mejora en la conversión de las impurezas de entrada en productos útiles.

Legislación sobre industrias

Ley 11.459, sobre Radicación Industrial, Secretaría de Política Ambiental, Provincia de Buenos Aires.

En el artículo 15 establece que la totalidad de los establecimientos industriales, a instalarse o instalados en el territorio de la provincia, deberán ser clasificados en una de tres categorías, de acuerdo con su Nivel de Complejidad Ambiental (NCA), que queda definido por la índole de las materias primas, de los materiales que manipulen, elaboren o almacenen, y el proceso que desarrollen, la calidad de los efluentes y residuos que generen (ER), los riesgos potenciales de la actividad, a saber: incendio, explosión, químico, acústico y por aparatos a presión que puedan afectar a la población o al medio ambiente circundante (Ri). Se computan también la dimensión del emprendimiento, considerando la dotación de personal, la potencia instalada y la superficie (Di), la localización de la empresa, teniendo en cuenta la zonificación municipal y la infraestructura de servicios que posee (Lo).

Finalmente, el NCA se expresa por medio de una ecuación polinómica de cinco términos y de acuerdo a los valores obtenidos las industrias se clasifican en una de tres categorías.

Aquellos establecimientos que se consideran peligrosos porque elaboran y/o manipulan sustancias inflamables, corrosivas, de alta reactividad química, infecciosas, teratogénicas, mutagénicas, carcinógenas y/o radioactivas y/o generen residuos especiales que pudieran constituir un riesgo para la población circundante u ocasionar


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http://www.estrucplan.com.ar/Legislacion/Buenos%20Aires/Leyes/Ley11459.asp



daños graves a los bienes y al medio ambiente serán considerados de 3a categoría independientemente del NCA obtenido.

el reciclaje es positivo desde el punto de vista entrópico ya que se hace un mejor aprovechamiento de la energía.

Establecer normas que :

a. obliguen a las industrias ya instaladas a incorporar nuevas tecnologías "limpias".

b. obliguen a las nuevas industrias a comenzar su actividad con un sistema de gestión ambiental preestablecido y en funcionamiento desde un principio.

En este último punto creemos que tienen importancia dos sectores principalmente: por un lado el de los ingenieros y científicos en cuanto a los desarrollos tecnológicos; y por otro, el Estado cuyo rol deberías abarcar tanto la supervisión del cumplimiento de las normas como el apoyo económico a industrias que apunten al desarrollo sustentable.

EL

EFECTO

INVERNADERO

INVERNADERO

El efecto invernadero es un fenómeno atmosférico natural que permite mantener la temperatura del planeta, al retener parte de la energía proveniente del Sol.

El aumento de la concentración de dióxido de carbono (CO2) proveniente del uso de combustibles fósiles ha provocado la intensificación del fenómeno y el consecuente aumento de la temperatura global, el derretimiento de los hielos polares y el aumento del nivel de los océanos.

La superficie de la Tierra es calentada por el Sol. Pero ésta no absorbe toda la energía sino que refleja parte de ella de vuelta hacia la atmósfera.


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Se refiere a la capacidad que tiene la atmósfera de retener parte del calor que emite la tierra, en forma similar a lo que hace un invernáculo.

Esto se produce debido a ciertos gases que se encuentran naturalmente en la atmósfera, principalmente el vapor de agua (H2O) y el dióxido de Carbono (CO2).

Gracias a ellos (H2O y CO2), la temperatura media de la tierra es de alrededor de 35 ºC más de la que tendría si estos gases no estuvieran presentes en la atmósfera, lo que equivale a decir que sin estos gases sería inhabitable, con una temperatura media de 15 ºC.

AUMENTO DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLES FÓSILES LA COMBUSTIÓN PRODUCE CO2 CRECE LA CONCENTRACIÓN DE CO2 EN LA ATMÓSFERA LOS RAYOS DEL SOL LLEGAN A LA TIERRA. EL CO2 Y OTROS GASES ATRAPAN EL CALOR DE LA TIERRA AUMENTO DE LA TEMPERATURA MEDIA


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