Unidad Temática N°1 Química del Átomo de Carbono

Adopta también el nombre de química orgánica, esto se debe a que la mayoría de los compuestos que constituyen los seres animados u orgánicos (animales y vegetales) responden a un tipo de con-formación molecular caracterizada por cadenas de átomos del elemento carbono.

Estos átomos de carbono además de estar unidos entre sí, se encuentran combinados principalmente con átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, constituyendo los denominados ele-mentos biogenésicos (generadores de vida).

Desde los albores del estudio de las ciencias químicas se estableció una separación entre la denomi-nada química inorgánica y la química orgánica, la idea era separar el universo de los minerales del mundo animal y vegetal; actualmente se sigue manteniendo esta separación pero la clasificación se realiza sobre la base de los mecanismos de reacción de cada tipo de sustancias.

Las nuevas teorías plantean que la vida en nuestro planeta se originó a partir de la conjunción de una serie de compuestos químicos simples como: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), acetileno (C2H2), agua (H2O), nitrógeno (N2) y en mucho menor grado amoníaco (NH3) y cianuro de hidró-geno (HCN); los cuales bajo la acción de la radiación ultravioleta del sol y catalizadores junto con la presencia de minerales formaron los aminoácidos básicos.

La replicación de los aminoácidos genera las proteínas; las cuales resultan ser las piezas fundamen-tales con que se describen los mecanismos de del funcionamiento de los organismos vivos.En estudios posteriores se reconoció que a los efectos del desarrollo tanto de la vida vegetal como la vida animal además de la presencia de los elementos biogenésicos era necesaria que estuvieran pre-sentes elementos metálicos como sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro y selenio.

Los compuestos derivados del carbono no solo se encuentran en nuestro planeta; la nave espacial Cassini que durante el año 2005 estuvo explorando una de las lunas llamada Titán del planeta Saturno encontró tres lagos de metano y etano líquidos; estos compuestos se denominan prebióticos

El elemento CarbonoEste elemento se encuentre en la naturaleza bajo la forma de distintos compuestos que van desde los compuestos orgánicos que constituyen todo el mundo animal como vegetal sino también están pre-sentes en el mundo mineral incluso en este sentido el dióxido de carbono gaseoso que siempre se asocia al proceso metabólico tanto de animales, plantas además en los procesos de combustión se combina con sustancias minerales como óxidos alcalinos y alcalino térreos para formar compuestos carbonatos de gran abundancia e importancia industrial como la caliza (carbonato de calcio) y car-bonatos de sodio naturales.

El carbono es un elemento notable pues adopta distintas formas alotrópicas que tienen características extremas pues el grafito es una de las sustancias más blandas (0,5 en la escala Mohs) pero también forma el diamante que es la sustancia más dura que existe (10,0 en la escala Mohs) y además es una de las más caras que se contrapone con el carbón mineral que es una de las baratas.Este elemento tiene la propiedad de formar moléculas caracterizadas por la presencia de series o su-cesiones de átomos de carbono formando cadenas carbonadas, las cuales pueden ser lineales, linea-les ramificadas, cíclicas o cíclicas ramificadas.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

1

El átomo de carbono pertenece al grupo 4 A de la tabla periódica de los elementos; su masa atómica es 12 (A = 12); su número atómico es 6 (Z = 6) y responde a una configuración electrónica del tipo 1s2 2s2 2p2; la densidad del grafito es 2.260 kg/m3 y la densidad del diamante 3.515 kg/m3.

En la mayoría de los casos estas estructuras responden a uniones entre átomos de carbono del tipo covalente simple, pero también existe una familia importante de compuestos en las cuales la unión entre átomos de carbono es covalente doble y algunos casos uniones del tipo covalente triple.

Uniones covalentes simples uniones covalentes simples y doble uniones covalentes simples y triple

La valencia o sea la capacidad de combinación del átomo de carbono es cuatro por lo cuál al anali-zar las cadenas carbonadas deberemos verificar que esta propiedad se cumpla en cada átomo.

Según sea el tipo de enlace covalente que se produzca en la cadena carbonada los electrones corres-pondientes a la configuración electrónica externa 2s2 2p2 (cuatro electrones) se agrupan formando los llamados orbitales híbridos.; en el orbital híbrido se puede verificar mediante técnicas de obser-vación muy precisas la disposición real de los electrones alrededor del núcleo atómico.

Formas alotrópicas del elemento carbono

El elemento carbono figura en la tabla periódica como un elemento no metálico sin embargo algunas de sus propiedades físicas lo acercan más al comportamiento metálico pues algunas de sus formas alotrópicas conducen la corriente eléctrica y el calor.

Las formas alotrópicas más utilizadas del carbono son:

Grafito Diamante Negro de humo Carbono activado Nanocompuestos: fullerenos o buckminsterfullerenos, nanotubos y grafeno.

Grafito: en este caso cada átomo está unido a otros tres átomos de carbono constituyendo estructu-ras hexagonales es decir tres electrones constituyen el orbital híbrido sp2 y el restante en un orbital p; debido a esta deslocalización del electrón en el orbital p se transforma en un material capaz de con-ducir el calor y la energía eléctrica.

El grafito existe en la naturaleza como mineral con el nombre de plombagina, éste denominación le fue otorgada por su color similar al del plomo metálico, uno de los métodos industriales para su ob-tención se basa en el calentamiento de carbono amorfo a 3000°C en atmósfera controlada.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

2

Propiedades Muy resistente a los procesos de oxidación aún en temperaturas muy elevadas es decir posee

una elevada inercia química, es por ello que se usa en la fabricación de ácido sulfúrico; por ejemplo no es afectado por soluciones de ácido sulfúrico en caliente, siendo este ácido sulfú-rico uno de los más poderosos agentes oxidantes.

La conductividad calórica es superior a la mayoría de los metales y su coeficiente de dilata-ción térmica es muy bajo, la combinación de éstos dos parámetros lo hacen especialmente atractivo en el diseño de intercambiadores de calor; en éste sentido cabe destacar que su pre-cio resulta muy elevado respecto de los materiales metálicos.

Su densidad resulta muy baja (2,26 g/cm3) si la comparamos con los metales.

Aplicaciones del grafito: Lubricación : El grafito se usa como lubricante sólido en dispositivos del tipo cerraduras, de-

bido a que no se congela es ideal dónde las temperaturas son muy bajas como en los casque-tes polares además aparece como aditivo en aceites y grasas lubricantes.

Metalurgia : Se usa como desmoldante en fundición. Por su afinidad con el hierro aparece co-mo uno de los elementos más característicos con que se definen a los aceros. El método elec-troquímico para la obtención de aluminio y magnesio utiliza ánodos de grafito.

Energía nuclear : En los albores del desarrollo de la energía nuclear fue utilizado en las pilas atómicas como material para el control de las reacciones de fisión.

Electrotecnia : Los electrodos de los motores eléctricos se fabrican con mezclas de grafito que se caracterizan por su buena conductividad eléctrica y resistencia al desgaste.

Ingeniería Mecánica : Las fibras de carbono se caracterizan por sus inmejorables propiedades mecánica y reducido peso lo que la transforman en uno de los materiales de mayor utilidad para la construcción de dispositivos mecánicos; se usa también como juntas para el sellada de equipos mecánicos.Gráfica: fabricación de minas para lápices, se mezcla con arcillas para escritura,

Dentro de las primeras aplicaciones de las fibras de carbono tenemos los elementos de uso deportivo como raquetas, elementos para el ciclismo, la construcción de partes de carrocerías para autos de-portivos pero también en la actualidad se utiliza como carcazas de armas de fuego, gran parte del fu-selaje del avión de guerra llamado furtivo de la fuerza aérea de los EE.UU. se construye con éste material, cabe recordar que éste avión no es detectado por los radares.

Estructura laminar del grafito, aquí se pueden apreciar como se encuentran vinculados tres planos por medio de una hibridización especial del tipo sp2.

Diamante: La palabra diamante deriva de la palabra griega adamas que significa invencible; es una de las gemas más codiciadas en joyería debido a su capacidad de reflejar la luz de allí toma el nom-

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

3

bre de brillante; esta es la denominación como vulgarmente se lo conoce. Los diamantes naturales se encuentran asociados a rocas volcánicas como la kimberlita; es uno de los materiales de mayor dureza y rigidez que existe..

Cuando el tamaño de los diamantes es muy pequeño y no sirven para joyería se usan en la industria incorporada en hojas de sierra para cortar minerales y metales; en la metalografía se utilizan pastas de polvo de diamante para dar la terminación final de pulido a las probetas de los metales.

Figura: Estructura que corresponde al diamante; los círculos corresponden a átomos de carbono con hibridización sp3.

Diamantes sintéticos: su producción industrial se inicia en la década de 1950 mediante el proceso denominado síntesis por alta presión y temperatura (High Pressure High Temperature síntesis, HPHT). Este proceso imita las condiciones en las cuales la naturaleza produce los diamantes en las profundidades de la tierra; se parte de grafito que se coloca en una prensa hidráulica donde se apli-can elevadas condiciones de presión y temperatura, además de catalizadores metálicos; luego de unas pocas horas de trabajo se obtienen cristales de diamante de tamaños cercanos al milímetro. Los cuales son aplicados como elementos de corte en hojas de sierra, herramientas de corte o como in-sertos para el desbaste de metales.La fabricación de diamantes para joyería con este método es tan costoso que resulta más económico obtenerlo por extracción minera.

El Dr. Aulicino, científico argentino junto al equipo utilizado para la fabricación de diamantes en el Laboratorio Nacional de Argonne USA

Negro de Humo: Debido a que carece de una disposición estructural definida se lo clasifica como un carbón amorfo, se obtiene a partir de combustión con defecto de oxígeno; para ello se utiliza me-

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

4

tano como combustible; se aplica principalmente como aditivo en el caucho, ya que le otorga su co-lor característico y le confiere resistencia mecánica y protección a la radiación ultravioleta. Las tintas y las pinturas negras contienen principalmente éste producto como pigmento.

Carbón Activado: El carbón activado se obtiene a partir de la combustión de maderas duras.Se presentan en forma de polvo o de gránulos muy pequeños donde cada partícula está repleta de innumerables cantidad de microporos. El activado se produce mediante un tratamiento con vapor de agua que le confiere propiedades de adsorción al material; esta adsorción consiste en la retención en los microporos de compuestos gaseosos. Su superficie específica va de 500 a 30.000m2/gramo.

Las características del carbón activado son: La retención de sustancias colorantes es decir actúa como agente de blanqueo, la industria

azucarera lo utiliza para obtener el azúcar blanco. La eliminación por adsorción de sustancias al estado de vapor o gas perjudiciales para salud

de allí su uso en las mascaras para la protección respiratoria. En medicina se suministra para cuadros de diarrea como agente de adsorción de tóxicos.

La creciente contaminación da lugar a una demanda creciente de carbón activado, este producto se utiliza para remover compuestos tóxicos del agua y del aire. El carbón activado se emplea en la potabilización del agua para bebida; los purificadores domésticos que se colocan en las canillas de los hogares contienen carbón activado en forma de gránulos.

Nanocompuestos: La característica principal de las formaciones moleculares de tamaños extremada-mente pequeños que se miden en nano metro (10-9 m) es que las propiedades de estos compuestos difieren enormemente de las que tienen los mismos compuestos al estado macroscópico. Fullerenos o Buckminsterfullerenos: En los procesos de combustión en defecto de oxígeno bajo condiciones especiales de presión, temperatura y luego de un tratamiento de solubilización con sol-ventes orgánicos especiales se han hallado estas estructuras básicas de 60 átomos de carbono de for-mas esféricas similares a una pelota de fútbol formada por 20 pentágonos unidos a 12 hexágonos.El nombre que llevan se debe al científico R. Buckminster Fuller quien propuso la estructura esféri-ca como modelo molecular, estudios posteriores permitieron descubrir estructuras moleculares de 70 átomos de carbono y también se han podido hallar dímeros y trímeros de éstas moléculas alcanzando estructuras de centenares de átomos de carbono, la investigación de éstos compuestos recién ha co-menzado por lo tanto se espera nuevos descubrimientos en los próximos años.Debido a su forma esférica encontraron aplicación inmediata como aditivos en aceites lubricantes.

Nanotubos: la experimentación en procesos de combustión controlada generaron otras estructuras nanomoleculares que corresponden a formas tubulares hexagonales.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

5

Debido a que pueden conducir la corriente eléctrica en forma muy eficiente; la industria informática y de las comunicaciones ha iniciado su aplicación en micro y nanoelectrónica.Otras propiedades muy interesantes son que su densidad es similar al Kevlar pero 40 veces más re-sistente e incluso resulta 20 veces más resistente que las fibras de carbono.

Los cabezales de escritura y lectura de las computadoras están constituidos por polímeros de avan-zadas aditivados con nanotubos de carbono; estos nanotubos mejoran la conductividad eléctrica y térmica del conjunto además de mejorar su resistencia mecánica.

En la actualidad se están tejiendo nanotubos de carbono de espesores y longitudes similares a los hi-los textiles de uso corriente ya que debido a sus excelentes propiedades mecánicas las aplicaciones de este producto van desde la industria aeroespacial a la confección de prendas para las fuerzas de seguridad pues pueden detener las balas.

Nanotubos de carbono. Laboratorio Nacional de Argonne USA

Grafeno: se lo llama grafeno por su similitud al grafito y pronto se convirtió en uno de los temas más candentes de la física pues se trata de una nueva clase de material donde una red de átomos de carbono está dispuesto en forma de planos atómicos. Se trata de un novedoso tipo de membrana en forma de malla ultra delgada de un átomo de espesor, su forma "ligeramente arrugada" le permite su estabilización que debido a su ínfimo espesor resulta muy inestable. El material obtenido a partir del grafito es flexible, transparente y de gran conductividad.

Esta innovación fue realizada por físicos de la Universidad de Manchester de Gran Bretaña y del Instituto Max Planck de Alemania; sus descubridores se alzaron con el Nobel de Física.La característica del grafeno es la de permitir a los electrones viajar distancias submicrométricas sin dispersarse y con mayor rapidez que cualquier otro medio.Se considera que puede ser empleado en pantallas táctiles, celulares y paneles solares o sea que pue-de resultar una revolución en la electrónica, la informática y las comunicaciones. Además podría emplearse como tamiz para filtrar gases y para construir "portaobjeto" de microscopios electrónicos lo que permitiría analizar moléculas con extrema precisión, esto facilitaría el desarrollo de nuevos medicamentos.El grafeno se elabora a partir del calentamiento normalizado de plaquetas de carburo de silicio (SiC) hasta alcanzar los 1.300 ºC; en esas condiciones se produce la vaporización del silicio y el reacono-damiento atómico del carbono generando la estructura cristalina correspondiente al grafeno.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

6

Relaciones entre el diamante y el grafitoLa razón por la cuál el diamante no se transforma fácilmente en grafito es que necesita una energía de muy alta, esto ocurre cuando se calienta el diamante por encima de los 2000 °CEl diamante se forma a temperaturas superiores a 1500 °C y presiones de 6000 MPa, éstas condicio-nes se pueden encontrar a 200 Km debajo de la superficie terrestre, su ascenso a la superficie o cer-canía de la misma debe realizarse en forma rápida de forma tal que no tenga tiempo de convertirse en grafito, cuando el material que surge de la profundad asciende en forma lenta es previsible que corresponda a la variedad natural del grafito llamado plombagina.

Representación gráfica de la formación del diamante y grafito considerando la temperatura, pre-sión y profundidad en la corteza terrestre

Ciencia y tecnología aplicada al deporteAlrededor del año 1862 en Inglaterra se creó la primer pelota inflable de caucho natural y a fines de ese mismo siglo las compañías Mitre y Thomkinson de Glasgow, Escocia comenzaron a fabricar pelotas de fútbol de cuero con cámara de caucho. En la década de 1980 predominó en la fabricación de las pelotas de fútbol la estructura de hexágo-nos y pentágonos inspirados en los diseños de las cúpulas geodésicas del arquitecto inglés Richard Buckminster Fuller; este diseño tuvo gran aceptación por lo cual la firma Adidas denominó Buck-minster a la pelota oficial del mundial de fútbol de México en 1970.

En la actualidad el cuero ha sido reemplazado por fibras poliméricas poliuretánicas; esto genera una apreciable disminución del peso de las mismas incluso se está experimentando con pelotas que in-corporan circuitos microelectrónicos que emiten señales a los efectos de guiar a las cámaras de tele-visión y además permiten resolver las habituales controversias en casos de jugadas polémicas que los árbitros no pueden detectar.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

7

Descripción de los distintos tipos de uniones entre los átomos de carbono

1) Enlaces simples : se produce la igualación energética de los electrones formándose el denomina-do orbital híbrido sp3.

2s2 2p2 sp3

Los electrones están distribuidos simétricamente en el espacio, se ubican en regiones que correspon-den a los vértices de una pirámide de base triangular, cuyo ángulo de separación es 109,8°.La unión de átomos de carbono que responden a este tipo de unión híbrida constituye uno de los ma-teriales de mayor dureza que se conoce el diamante.

2) Enlaces dobles: se produce la igualación energética de dos electrones del sub nivel p y un elec-trón del orbital s, quedando el electrón restante en el sub nivel p, se forma el orbital híbrido sp2.

2s2 2p2 sp2 + p

Los electrones pertenecientes al orbital híbrido se encuentran ubicados planarmente en forma simé-trica con un ángulo de separación de 120° y el electrón del sub nivel p se ubica en forma normal al orbital híbrido sp2, en el siguiente dibujo el sub nivel p no se encuentra indicado.

La transformación de las uniones covalentes dobles en covalentes simples es la base de la forma-ción de los polímeros y dentro de estos compuestos se encuentran los materiales plásticos.

3) Enlaces triples: se produce la formación del orbital híbrido sp y los dos electrones restantes

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

8

permanecen en el sub nivel p.

2s2 2p2 sp + 2 p

Los electrones pertenecientes al orbital híbrido se ubican en forma lineal y los dos orbitales del sub nivel p se sitúan ortogonalmente es decir separados por ángulos de 90°, en el dibujo siguiente éstos sub niveles no se encuentran representados.

Estos compuestos resultan extremadamente reactivos, debido a la presencia de los dos electrones ubicados en el sub nivel p, uno de los compuestos más representativos es el gas acetileno (C2H2)

Comportamiento Químico: poder reductor del elemento carbonoLos compuestos químicos en los cuales el átomo de carbono forma parte tienen un comportamiento marcadamente reductor o sea que se combinan con agentes oxidantes, tal como ocurre en la siderur-gia cuando los átomos de carbono ceden sus electrones para que se produzca la reducción del hierro es decir para pasar de óxido a hierro metálico. (+3) (0) (0) (+4)

2 Fe2O3 + 3 C 4 Fe + 3 CO2

2 Fe2O3 + 3 CH4 4 Fe + 3 CO2 + 6 H2

Contenido energético de las uniones químicas: Desde el punto de vista mecánico podemos considerar a las moléculas como estructuras constitui-das por átomos, los vínculos que relacionan a los átomos se denominan uniones químicas, el tipo de unión química nos indicará su grado de estabilidad.Cuando las uniones entre los átomos son débiles (alto contenido energético) las moléculas se com-portarán como estructuras inestables o sea que éstas moléculas se combinarán fácilmente, en general esta inestabilidad implica que la reacción resulte exotérmica, se libera calor al medio.En el caso que las uniones entre los átomos sean fuertes (bajo contenido energético) las moléculas tendrán gran estabilidad por lo tanto la posibilidad de que se produzca una combinación química es-tará supeditada a que el sistema en estudio sea energizado de tal forma que permita la ruptura de las uniones químicas permitiendo así la recombinación con otras moléculas, cuando las combinaciones químicas requieren energía para que se produzcan se las denomina reacciones endotérmicas.

Funciones Químicas del Átomo de Carbono

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

9

Las funciones químicas son aquellas propiedades comunes a un cierto número de compuestos.El estudio de las funciones químicas se establecerá en función de los temas que se desarrollarán en el dictado de la materia.En primer término se describirán los compuestos binarios basados en las diferentes combinaciones entre átomos de hidrógeno y carbono, luego se estudiarán las funciones oxigenadas dónde aparece el oxígeno como tercer elemento y finalmente las funciones nitrogenadas.

1) Compuestos Binarios (constituidos solo por los elementos carbono e hidrógeno) En general se designan con el nombre de hidrocarburos y corresponden a los compuestos que están formados por átomos de carbono e hidrógeno. El prefijo hidro no tiene como objetivo vincularlo con el agua sino que se refiere al hidrógeno; es también una forma muy utilizada para nombrar a los de-rivados del petróleo. Sobre la base de cadenas carbonadas lineales y cíclicas y la presencia de enlaces covalentes simples, dobles y triples se establece una primera clasificación de los compuestos en: Saturados Alcanos Acíclicos o alifáticos Alquenos No saturados Alquinos Saturados: Cicloalcanos Cíclicos : Ciclo alquenos No saturados AromáticosCaracterísticas de los Compuestos

a) Alcanos: El nombre alcano se le dio a esta familia de compuestos pensando que provenían de los alcoholes, hecho totalmente erróneo, los otros nombres utilizados son hidrocarburos saturados o parafínicos y se refieren a la escasa reactividad química de estos compuestos.Las uniones de los átomos de carbono que forman las cadenas carbonadas son covalentes simples.

Figura Representación del metano, el átomo de carbono cuenta con un orbital híbridos sp3

Formación de los Compuestos

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

10

Los compuestos se van formando a partir de la inserción de radicales metilenos (- CH2 -) en la cade-na carbonada. Se indican a continuación las estructuras moleculares de los compuestos más sencillos de esta serie.

Representación de las formulas desarrolladas, formulas semi desarrolladas, formulas molecula-res y nomenclatura

CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12

Metano Etano Propano Butano Pentano

Los nombres de estos compuestos se basan en una raíz común que se aplica en los alcanos, alquenos y alquinos e indica la cantidad de átomos de carbono que tiene la cadena carbonada por ejemplo:Met indica un átomo de C; Et dos átomos de C; Prop tres átomos de C; But cuatro átomos de C; Pent cinco átomos de C; siguiendo este razonamiento el compuesto hexano tendrá seis átomos de C, heptano siete; octano ocho; nonano nueve; decano diez; undecano once; dodecano doce. La terminación ano es la que corresponde a las cadenas carbonadas con uniones carbono-carbono del tipo covalente simple.

Del estudio de las formulas moleculares se establece para los alcanos una formula general del tipo CnH2n + 2

Esta formula nos permitirá a partir del nombre del compuesto calcular en forma rápida la cantidad de átomos de hidrógeno que tiene dicho compuesto.

Por ejemplo: Indicar la formula molecular del heptano.Sabemos que al heptano le corresponde una cadena carbonada de siete átomos de carbono entoncesTendremos que n = 7 por lo tanto la cantidad de átomos de hidrógeno serán: 2n + 2 = 2x7 + 2 = 16La formula del heptano será C7H16.

Propiedades:El estado físico de los compuestos dependerá de la longitud de la cadena carbonada, Del metano al butano son gases; siendo el metano un gas difícilmente licuable pero a medida que crece la cadena carbonada la energía necesaria para su licuación es cada vez menor; el butano es fá-cilmente licuable.Del pentano al hexadecano son líquidos fluidos, a temperatura ambiente.A partir del heptadecano hasta el eicosano se mantienen líquidos pero su viscosidad va paulatina-mente en aumento, estos hidrocarburos corresponden a los aceites lubricantes.A medida que la cadena carbonada sigue aumentando pasan de un sólido de aspecto ceroso a un só-lido consistente como son las ceras de petróleo o parafinas; se puede apreciar que se produce una va-riación constante en las propiedades físicas a medida que se incrementa su masa molecular.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

11

Los compuestos líquidos son incoloros y las parafinas son de color blanco nieve; son insolubles en agua y su densidad es menor que uno.

Efecto espacial: Una característica destacada de las uniones sp3 – sp3 es su rotación permitiendo que las cadenas carbonadas se puedan alcanzar estructuras espaciales de menor energía lo que significa estados de mayor estabilidad.

Aplicaciones Metano (gas) se utiliza principalmente como combustible domiciliario e industrial, además

se está utilizando como combustible en motores a explosión (GNC). Se llama gas del pan-tano pues se encuentra en el sub suelo de zonas anegadizas y pantanosas, se genera como consecuencia de procesos biológicos de la descomposición de materia orgánica en condicio-nes anaeróbicas.

Etano (gas) se utiliza en la industria petroquímica para la fabricación de materiales plásticos. Propano y butano (gases) se utilizan como combustible por ejemplo en autoelevadores y en-

cendedores se los conoce como gases licuados, además son la base para la fabricación de los cauchos sintéticos y se usan como gases propelentes en aerosoles.

Pentano hasta el heptano (líquidos) se utilizan como solvente de grasas y aceites tanto vege-tales como animales y minerales.

Heptano hasta el nonano constituyen los combustibles para los motores a explosión ciclo Otto y los restantes compuestos líquidos se utilizan en motores a explosión del tipo diesel.

Existe además una gama extensa de compuestos derivados de la combinación con elementos de la familia de los halógenos, que adoptan el nombre genérico como clorofluo carbonadas; se utilizan co-mo solventes no inflamables (tricloretileno, tetra cloruro de carbono, cloroformo, cloruro de meti-leno), refrigerantes para equipos de aire acondicionado conocido por R 12 y R 134 (freones) y agentes extintores para incendios (halones)El bromuro de metilo gaseoso se utiliza como insecticida en la conservación de frutas (bananas).

Radicales Orgánicos

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

12

En el estudio de los compuestos carbonados al igual que ocurre en la química inorgánica también se utilizan los radicales, los radicales orgánicos son una asociación de átomos con características pro-pias, los mismos se insertan en las cadenas carbonadas en reemplazo de los átomos de hidrógeno y aparecen como ramificaciones de la cadena principal.

En forma general se llaman hidrocarburos lineales a aquellos compuestos en los cuales no se reali-zó ninguna sustitución e hidrocarburos ramificados aquellos compuestos donde se produjo la in-serción en la cadena carbonada principal de uno o varios radicales.

A continuación se verán una serie de radicales derivados de los alcanos; su formación se produce a partir de las moléculas de los alcanos a los cuáles se les quita un átomo de hidrógeno; en su lugar aparece un electrón que constituirá un enlace covalente simple con el átomo de carbono de la molé-cula donde se inserte.

Configuración y Nomenclatura: El electrón del átomo de carbono se indica como un guión

a) radical metilo o metil: — CH3 a1) radical metileno — CH2 —

b) radical etilo o etil: — C2H5 b1) radical etileno — CH2 – CH2 —

La nomenclatura de los compuestos en los cuales se produjo una o varias sustituciones

1) Se identifica la cadena carbonada de mayor longitud, la cuál podrá tener una disposición horizontal, vertical o zigzagueante.2) Se enumera la cadena carbonada a partir del radical más próximo a uno de los extremos. 3) Se nombra los radicales anteponiendo el número correspondiente al átomo de carbono dónde se encuentre.4) Finalmente se indicará el nombre de la cadena carbonada principal.

Ejemplos: Describir la formula desarrollada de los siguientes compuestos

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

13

Este compuesto se denomina vulgarmente como octano o iso octano y sirve para calificar el poder antidetonante de las naftas que se utilizan en motores a explosión, se fijó por convención el valor 100 de antidetonancia (difícilmente detone por la presión ejercida por los pistones)

A pesar se tener la misma formula molecular los dos compuestos presentan diferentes formulas es-tructurales, esto trae aparejado que ambos compuestos tengan propiedades físicas y químicas dife-rentes pues el octano detona fácilmente fijándose como cero su poder antidetonante.

Isomería

Este tipo de fenómeno se presenta cuando dos compuestos tienen la misma formula molecular pero difieren en la disposición de los átomos en la molécula.Existen numerosos tipos de isomería, a lo largo de la materia veremos

CadenaIsomería estructural Posición Función

Isomería Planar: cis o trans

Ejemplo: Indicar los isomeros de cadena del butano C4H10

Ambos compuestos poseen propiedades físicas y químicas diferentes.

Hacer en clase: pentano normal, isopentano (2 metil butano), neopentano (2,2 dimetil propano)

Hidrocarburos No Saturados

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

14

Alquenos

Estos compuestos son también llamados olefinas que significa a fin al aceite.Los alquenos deben tener uno o más enlaces covalente doble (uniones sp2 – sp2) en la cadena carbo-nada y el resto de las uniones entre los átomos de carbono pueden ser covalentes simples.

Representación de la formula del eteno

Representación de las formulas desarrolladas, representación de las formulas semi desarrolladas, formulas moleculares y nomenclatura

1 2 3 4 1 2 3 4 5

CH2 = CH2 CH2 = CH – CH3 CH2 = CH – CH2 – CH3 CH2 = CH – CH2 – CH2 – CH3

C2H4 C3H6 C4H8 C5H10

eteno propeno buteno normal penteno normal

Estos compuestos mantienen las mismas raíces que los alcanos pero adoptan la terminación eno.La ubicación del doble enlace debe llevar el menor número posible y prevalecerá sobre la nomencla-tura de la ramificación; si existieran varios dobles enlaces se indicarán de la misma forma que las ra-mificaciones

La formula general resulta Cn H2n

Ejemplos: escribir las formulas semi desarrolladas de los siguientes compuestos

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

15

a) 2 buteno, b) 1,3 butadieno, c) 3 metil 2 penteno, d) 2 metil 1,3 butadieno.

Isomería Planar Las uniones características entre los átomos de carbono de esta serie de compuestos es sp2 – sp2, la cual es del tipo planar, considerando un eje coincidente con la unión sp2 – sp2 se verá que los sus-tituyentes que se insertan en reemplazo de los átomos de hidrógeno en estas uniones presentan dos posibles ubicaciones.La primera de ellas será cuando se ubican de un mismo lado de la cadena carbonada, por lo cual los compuestos generados adoptan el prefijo cis y cuando los sustituyentes se ubican a ambos lados de la cadena carbonada se los denomina trans.

Las propiedades físico-químicas de estos isómeros son distintas.

CH3 CH3 CH3 H C ═ C C ═ C H H H CH3

cis 2 buteno trans 2 buteno

Reacciones QuímicasPolimerización: Las uniones dobles generan una serie de compuestos de amplia aplicación industrial como son los materiales plásticos, su síntesis se basa en la ruptura de la unión débil ( ) y la generación de radicales libres los cuales se van uniendo formando las macro moléculas.

CH2 ═ CH2 [– CH2 – CH2 – ] n

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

16

Hidrogenación: para evitar el fenómeno de polimerización lo que vulgarmente se conoce como la formación de gomas o resinas en los aceites lubricantes se procede a la eliminación de las uniones débiles por medio de gas hidrógeno, transformando los alquenos en alcanos.

CH2 ═ CH2 + H2 CH3 – CH3

Eteno (alqueno) etano (alcano)AplicacionesLos compuestos más simples como el eteno, propeno, buteno y sus isómeros se utilizan principal-mente para la síntesis de materiales plásticos y cauchos sintéticos.El eteno (etileno) gaseoso se usa agente para la maduración de frutas por ejemplo las bananas

Alquinos

La serie de los alquinos es llamada también serie acetilénica debido a que toma el nombre del com-puesto más difundido de esta familia, el gas acetileno.

Representación de las formulas desarrolladas, formulas semi desarrolladas, formulas molecu-lares y nomenclatura

HC ≡ CH HC ≡ C – CH3 HC ≡ C – CH2 – CH3

C2H2 C3H4 C4H6

Etino (gas acetileno) propino butino normalEl compuesto más conocido es el gas acetileno, se aplica en los denominados sopletes acetilénicos

C2H2 + 2,5 O2 2 CO2 + H2O + Q (calor)

El gas acetileno se comercializa en cilindros los cuales contienen acetona para ayudar a su licuación. Los equipos generadores de gas acetileno se basan en la reacción de carburo de calcio y agua, debi-

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

17

do a la extrema reactividad del gas no resulta conveniente comprimirlo a presiones elevadas pues se corre el riesgo de generar reacciones explosivas.

CaC2 + 2 H2O C2H2 + Ca(OH)2

En la industria petroquímica el gas acetileno se utiliza como materia prima para la obtención de compuestos aromáticos tal como el benceno.

Hidrocarburos Cíclicos Saturados

Ciclo AlcanosLa formación de estructuras en forma de anillo de bajo número de átomos de C no son frecuenten pues las uniones C – C se encuentran muy tensionadas lo que promueve su inestabilidad o sea su reactividad, a partir del ciclo pentano y el ciclo hexano el ángulo de las uniones C – C se hace mayor incrementando así su estabilidad.

Representación de las formulas desarrolladas, representación esquemática de las formulas, repre-sentación de las formulas moleculares y nomenclatura

C3H6 C4H8 C5H10 C6H12

ciclo propano ciclo butano ciclo pentano ciclo hexano

Dónde cada punto de intersección de las rectas representa el radical metileno (– CH2 –) El ciclo pentano y el ciclo hexano se utilizan como solventes de grasas y aceites tanto minerales co-mo vegetales así también en síntesis químicas. El ciclopentano se utiliza mezclado con los gases hi-droclorofluorados en equipos de refrigeración; su función es de agente de expansión.

Hidrocarburos Cíclicos No Saturados

Serie aromática o bencénica

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

18

Esta serie de compuestos toma el nombre del compuesto más representativo: el benceno.Su estructura molecular corresponde a un anillo de 6 átomos de carbono con 3 dobles ligaduras ubi-cadas en forma alternada, esto le otorga un comportamiento físico-químico muy particular ya que los electrones correspondientes a las uniones débiles se distribuyen a lo largo de todo el anillo.

Representación de la formula desarrollada del benceno

Representación esquemática

Nomenclatura: el nombre académico es 1,3,5 ciclo hexa trieno pero se lo conoce con el nombre his-tórico benceno,

Derivados mono sustituidos: los derivados mono sustituidos se indican con el nombre del sustitu-yente seguido de la palabra benceno, la mayoría de estos compuestos tienen nombres vulgares deri-vados generalmente de las materias primas de dónde se obtuvieron.

Nombres académicos y vulgares

hidroxi benceno metil benceno amino benceno carboxi benceno aldehído bencílico (Fenol) (tolueno) (anilina) (ácido benzóico) (benzaldehido) Los nombres ubicados debajo de las formulas corresponden a las formas vulgares de nombrarlos.Tanto el benceno como los derivados mono sustituidos tienen amplia aplicación industrial.Benceno: resulta un excelente solvente de grasas y aceites además se utiliza como materia prima pa-ra la elaboración de fenol, ciclo hexano, nylon, estireno detergentes, colorantes y adhesivos. Se utiliza como aditivo en las naftas para aumentar el índice de iso octanos.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

19

El nombre aromático se deriva del olor característico del benceno y de sus derivados.El olor de cualquier compuesto está relacionado con su volatilidad es decir con su capacidad de po-der pasar a la fase gaseosa, ésta propiedad se evalúa sobre la base de la temperatura de ebullición y la presión de vapor.

La distribución espacial de las moléculas del benceno es planar tal cuál se puede prever consideran-do la alternancia de las dobles ligaduras, esto implica que todos los átomos de carbono del anillo son iguales ante la posibilidad de una mono sustitución. Derivados di sustituidos: estos compuestos tienen una nomenclatura histórica en la cuál se indica la posición de los sustituyentes mediante prefijos:

Los sustituyentes están ubicados en forma vecinal se indican como o (orto), posición 1,2. Los sustituyentes en forma alternada m (meta), posición 1,3. Los sustituyentes están ubicados en forma diagonal p (para), posición1,4.

1,2 di cloro benceno 1,3 di metil benceno 1,4 hidroxi metil benceno Cl — — — OH

Cl — CH3 — — CH3 CH3 — o dicloro benceno m dimetil benceno p hidroxi metil benceno (xileno) (cresol o creolina)

Los derivados clorados del tipo o y p dicloro benceno se usan para combatir plagas incluso el princi-pio activo del desinfectante Lysoform es 1,2 fenil fenol; el segundo ejemplo de los xilenos se usan como aditivos antidetonantes en las naftas y como solvente de adhesivos y resinas; finalmente los cresoles son utilizados como líquidos desinfectantes del tipo acaroina.

Serie Nafténica.

Se conocen también como hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA); es tal la estabilidad de es-tos compuestos que puede llegar al extremo de no ser destruidos aún en situaciones de estallidos nu-cleares, se han detectado estos compuestos en meteoritos y en el humo de los cigarrillos. Debido a sus propiedades mutagenésicas se ha comprobado que estos compuestos son agentes cancerígenos.Estos compuestos se obtienen a partir de la destilación de los crudos reducidos como subproducto de la refinación de los aceites lubricantes, son utilizados como aditivos mejoradores de viscosidad en la formulación de aceites lubricantes.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

20

Naftaleno (Naftalina) Antraceno, formas isómeras

Hidrocarburos polinucleados

Bifenilo o fenil benceno es un sólido incoloro que posee un aroma muy agradable y su fórmula mo-lecular corresponde a la unión entre dos grupos aromáticos es C12H10; se usó como materia prima pa-ra la producción de bifenilos policlorados (PCBs) como fluido para la transferencia de calor en transformadores de media tensión. También es un intermediario para la producción de otros com-puestos orgánicos como emulsificantes, iluminadores ópticos, productos insecticidas y materiales plásticos.

El bifenilo se encuentra de manera natural en alquitrán mineral, crudo y gas natural, y puede ser pro-ducido con esos materiales a partir de la destilación; es insoluble en agua, pero es soluble en solven-tes orgánicos comunes.

Bifenilo

Cabe destacar que dentro de los compuestos caracterizados por la presencia de núcleos aromáticos se encuentran entre otros los materiales plásticos donde en la unión entre los grupos aromáticos se ubican radicales orgánicos.

n

Representación simplificada del monómero activado del policarbonato

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

21

Funciones Oxigenadas ternarios (presencia de los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno)

1. Alcoholes

Los alcoholes abarcan una serie de compuestos de gran importancia industrial, se caracterizan por la sustitución de uno o más átomos de hidrógeno en una cadena carbonada por uno o más radicales oxidrilo (HO -). Se puede establecer una clasificación en alcoholes primarios, secundarios o tercia-rios según el átomo de carbono dónde se haga la sustitución.

Siendo R un radical de cadena carbonada, la función alcohol se indica de la siguiente forma:

Representación de las formulas desarrolladas de alcoholes primarios

Las representación más habitual es la semi desarrollada, en pocos casos se usa la forma molecular.

CH3 – OH CH3CH2 – OH CH3CH2CH2 – OH CH3CH2CH2CH2 – OHAlcohol metílico alcohol etílico alcohol propílico alcohol butílico Metanol etanol propanol butanol

Para designar a estos compuestos se pueden utilizar cualquiera de estas dos nomenclaturas.

Se deberá prestar atención que el grupo oxidrilo está unido al átomo de carbono y no al átomo de hi-drógeno según lo que se puede observar en la formula desarrollada.

Alcoholes SecundariosEsta serie de compuestos se caracterizan por la ubicación de la función alcohol en carbono secunda-rio por lo cuál esta serie se inicia con la cadena carbonada de 3 átomos de carbono.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

22

Tanto en la literatura técnica como en la industria puede aparecer con distintos nombres como: al-cohol iso propílico, iso propanol, sec propanol, 2 propanol; el alcohol isopropilico se utiliza como agente disolvente en circuito impresos.

En el caso de la cadena de 4 átomos de carbono

Consideraciones respecto de estos compuestosA diferencia de los compuestos estudiados anteriormente los alcoholes de cadena corta son solubles en agua, sin embargo dicha solubilidad va disminuyendo hasta hacerse insoluble a medida que se incrementa la cadena carbonada.

Las soluciones acuosas de los alcoholes de cadena corta se caracterizan por su carácter levemente ácido originado en la disociación iónica del átomo de hidrógeno perteneciente al grupo oxidrilo CH3OH CH3O – + H +

El valor relativamente elevado de las propiedades físicas se debe a la formación de enlaces puente hidrógeno entre las moléculas de alcohol y agua.

Alcohol metílico o metanol: se obtiene a partir de procesos petroquímicos.

CO + 2 H2 CH3 – OH

El alcohol metílico resulta un excelente disolvente de lacas, barnices y resinas, se utiliza como com-bustible en motores a explosión, por su aspecto y olor se confunde con el alcohol etílico con funes-tas consecuencias pues resulta tóxico en los casos de ingestión prolongada.

Alcohol Etílico o Etanol: se denomina también alcohol de cereales, pues se obtiene a partir de la destilación de productos vegetales ricos en almidones o azúcares.

Los almidones y azúcares son formas complejas de alcoholes acompañadas por otras funciones tal como aldehídos y cetonas, a partir del agregado de enzimas (catalizadores biológicos) se produce el desdoblamiento de estos almidones y azúcares complejos en formas más simples hasta llegar como resultado final al alcohol etílico y dióxido de carbono, este proceso se denomina fermentación.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

23

En el proceso de fermentación de un almidón para obtener alcohol participan diversas enzimas como: diastasa, maltasa y zimasa; otra de las enzimas muy utilizadas es la amilasa que descompone los hidratos de carbono (azúcares) en dióxido de carbono y agua

Almidón (polisacárido) maltosa (disacárido) Maltosa glucosa (monosacárido) Glucosa alcohol etílico + CO2

Los azúcares naturales más conocidos son la fructosa (azúcar de las frutas), la lactosa (azúcar de la leche), sacarosa (azúcar de caña o remolacha), glucosa (azúcar de miel o cereales como el maíz).Las bebidas carbonatadas se endulzan con glucosa en lugar de sacarosa y el contenido alcohólico de las bebidas se debe a la presencia de alcohol etílico o etanol.

El empleo del alcohol etílico como combustible en motores a explosión El alcohol etílico debe cumplir con ciertas condiciones para ser utilizado para éste fin, una de ellas es debe estar exento de agua, la operación tradicional para la separación del agua se llama rectificación del alcohol. El alcohol sometido a éste proceso se denomina rectificado, deshidratado o absoluto. Cabe señalar que la solubilidad del agua en el alcohol es infinita por lo cual hay que tener extremos cuidados para evitar la presencia de agua durante la fabricación del alcohol. En la actualidad la separación final del agua del alcohol se realiza mediante tamices moleculares.

La utilización de este combustible implica los siguientes inconvenientes: dificultad en el arranque en frío y la excesiva acción corrosiva de los gases de combustión sobre las partes metálicas además posee un poder calorífico bastante inferior al de las naftas (7000 contra 11500 kcal / kg)

En algunos países como Brasil se utiliza alcohol rectificado o también mezclas de naftas y alcohol etílico rectificado para ser utilizado como combustible en motores nafteros, en nuestro país se estableció la obligación de utilizar la llamado alconafta que resultaba una mezcla de 90% de nafta y un 10% de alcohol etílico rectificado. El alcohol etílico anhidro tiene un índice de octano de 120.

Glicoles o sea polialcoholesEn la familia de los alcoholes existen una serie de compuestos que cuentan con más de un grupo oxidrilo, se los conoce con el nombre genérico de glicoles (que significa dulce), los grupos oxidrilos se ubican no más de uno en cada átomo de carbono del compuesto; el más sencillo es el etilen glicol

Aplicaciones: Se emplea como anticongelante en líquidos refrigerantes en cualquier tipo de equipos, se utiliza mezclado con agua en una proporción que va del 25 al 35%, con estas proporciones, la solución se mantiene al estado líquido a temperaturas cercanas a los 20ºC bajo cero; se debe tener la precaución de no usar el etanodiol puro pues su temperatura de congelamiento es cercana a 0°C.En los países del hemisferio norte donde en gran parte del año se registren temperaturas muy por debajo de cero grado; dentro de las tareas de mantenimiento en la aeronáutica se procede al rociado

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

24

de los perfiles de ataque de las alas con una solución acuosa de etilen glicol; con esto se evita la modificación del perfil durante el vuelo debido al congelamiento del agua atmosférica y se evita tal como ya sucedió la caída de aeronaves.

Glicerina o glicerol, cuyo nombre químico es 1, 2, 3 propano triol.

La glicerina es un líquido viscoso, se utiliza para endulzar licores, lubricante textil, se agrega a las formulaciones de tintas, adhesivos, masillas, cueros, cosméticos, ungüentos medicinales, jabones de tocador pues los mantiene húmedos además se utiliza para preparar explosivos (nitroglicerina).

2. Aldehídos y Cetonas Estos compuestos se caracterizan por la presencia del grupo funcional carbonilo

En el caso de los aldehídos uno de los R corresponde a un átomo de hidrógeno o sea a un átomo de carbono primario (cabeza o cola), en el caso de las cetonas el átomo de carbono de referencia es secundario o sea que está combinado con otros dos átomos de carbono.

Uno de los compuestos más conocidos de esta familia es el metanal, llamado también formolSe utiliza principalmente como materia prima para la fabricación de resinas y materiales plásticos, historicamente se usó como desinfectante y como conservante de tejidos biológicos en medicina; sin embargo sus aplicaciones son cada día más restringidas debido a que se detectó que produce mutaciones genéticas sobre los tejidos vivos.

FormolRepresentación general de las cetonas

Esta familia de compuestos se caracteriza por ser líquidos con excelentes propiedades disolventes de grasas, aceites y resinas además se agregan a las naftas para incrementar su poder antidetonante.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

25

El compuesto más conocido es la propanona conocida vulgarmente como acetona, (se usa como disolvente de esmaltes para uñas).

Acetona

Dentro de los compuestos de esta familia se encuentran la metil etil cetona (MEK, la K corresponde a la palabra ketone que en inglés significa cetona) y la metil butil cetona (MBK) ambos dos son utilizados como disolventes de resinas, barnices y aditivos para naftas.

3. Éter

Estos compuestos se caracterizan por la presencia de un átomo de oxígeno inserto como puente o nexo en la cadena carbonada.

Su formula general es: R – O – R

Dentro de los compuestos más utilizados se encuentran el metil oxi metilo llamado éter metílico y el etil oxi etilo conocido como éter etílico o sulfúrico.

Se caracterizan por su elevada inflamabilidad, el éter etílico es un líquido cuya temperatura de ebullición es 35°C por lo cuál a temperatura ambiente pasa fácilmente a la fase vapor, sus vapores son más densos que el aire suele acumularse en el suelo con el riesgo de explosión.

En la industria se usa como solvente debido a que resulta un excelente disolvente de grasas, resinas e hidrocarburos. En medicina fue utilizado como anestésico debido al efecto narcótico que produce al ser respirado, debido a su volatibilidad cuando se vuelca sobre la piel se evapora rápidamente produciendo una sensación de frío. Existen una serie de compuestos considerados como éteres que responden al nombre de óxidos y tienen la siguiente forma: H2C – CH2

Óxido de etileno O El óxido de etileno (gas) tiene amplia aplicación en medicina como bactericida; por ejemplo se utiliza para esterilizar los recipientes para guardar orina. El compuesto epiclorhidrina base de las resinas epoxi tiene una estructura molecular similar.4. Ácidos

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

26

Esta familia de compuestos se caracteriza por tener el grupo funcional situado en átomos de carbono primarios (cabeza o cola) de la cadena carbonada, su formula general es la siguiente:

Las cadenas carbonadas representadas por el término R pueden ser del tipo alifático o saturado (cuando la cadena carbonada cuenta sólo con enlaces C – C simples) o del tipo no saturada (es el caso que la cadena carbonada tiene uno o más enlaces dobles entre átomos de carbono).

Los compuestos de cadena larga se conocen como ácidos grasos debido a su consistencia semi sólida y su escasa solubilidad en agua.

Los compuestos saturados más característicos son:

Entre los ácidos no saturados cabe destacar el ácido oléico: CH3(CH2)7CH ═ CH(CH2)7COOH; el ácido linoleico tiene dos dobles ligaduras; el ácido linolénico tiene tres dobles ligaduras. Omega 9

Los primeros compuestos de ésta familia son solubles en agua pero a medida que la cadena carbonada aumenta la solubilidad va disminuyendo además el valor de las propiedades físicas son afectadas por la formación de enlaces puente hidrógeno entre las moléculas.Su comportamiento químico es similar a los ácidos inorgánicos formando sales con los hidróxidos.

Aplicaciones El ácido metanoico o fórmico se utiliza como coagulante del látex y en el curtido del cuero.El ácido etanoico o acético resulta un agente acidificante suave aplicado en la industria textil como agente mordiente además constituye el principio activo que caracteriza a los aderezos de cocina llamados vinagres, el vinagre contiene 5% de ácido acético. Los ácidos palmítico, esteárico y oléico constituyen la base de las grasas animales, los aceites animales y vegetales.

Los polímeros acrílicos son elaborados a partir del ácido no saturado denominado propenoico o ácido acrílico (CH2 ═ CH – COOH).

5. Ésteres

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

27

Estos compuestos surgen a partir de la combinación de un ácido orgánico y un alcohol, además del éster se genera agua. O O ∥ ∥ R – O – H + HO – C – R R – O – C – R + H2O Alcohol ácido éster agua El proceso químico se llama esterificación, ésta reacción es lenta y de equilibrio. El término equilibrio significa que la reacción no se desplaza totalmente hacia la derecha como indica la flecha sino que en un momento dado se establece un equilibrio entre los reactivos y los productos, el principio de Le Chatelier establece que el desplazamiento de la reacción en un sentido u otro depende de las condiciones del proceso. La reacción en sentido inverso (éster mas agua) se denomina hidrólisis.

Por ejemplo: el ácido metanoico reacciona con el alcohol etílico formando el metanoato de etilo

Ácido metanóico alcohol etílico metanoato de etilo

Aplicaciones: Los ésteres cuentan con un olor característico; los más sencillos como el acetato de metilo y etilo son ampliamente utilizados como parte de los disolventes industriales (thinners).Las esencias de la industria perfumera corresponden mayormente a ésteres; además la industria alimenticia utiliza al butirato de etilo porque tiene el olor del ananá y el acetato de pentilo o amilo pues huele como las bananas.

Muchas de las fibras sintéticas de aplicación industrial y textil se derivan del proceso de esterificación, de forma tal que el producto resultante se denomina fibra poliéster. Las ventajas de las fibras poliéster para su aplicación textil son; buena resistencia al corte y a la abrasión; agradable sensación al tacto (háptica), poca afinidad al agua por lo cual las prendas de vestir son de secado rápido; su desventaja es que se carga eléctrostaticamente.

Triglicéridos Los ésteres se encuentran ampliamente difundidos en la naturaleza en la forma de grasas, aceites y ceras de origen animal y vegetal, su aspecto físico a temperatura ambiente puede variar de líquido a sólido consistente.

Estos compuestos llamados triglicéridos, están constituidos entre otros por una serie de ácidos grasos como el ácido palmítico, esteárico, oléico y otros característicos de cada especie animal o vegetal, siendo la parte alcohólica constituida principalmente por la glicerina (propano triol) El nombre triglicérido se deriva de la glicerina y la triple esterificación en cada molécula. La formula general de los triglicéridos sería: O ∥

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

28

H2C – O – C – R

O ∥ HC – O – C – R

O ∥ H2C – O – C – R

Dónde los R son cadenas carbonadas saturadas o no saturadas.

En forma genérica se llama grasa a toda mezcla de triglicéridos que a temperatura de 20°C es sólida o pastosa y en su constitución predominan los ácidos grasos saturados.Los aceites son toda mezcla de triglicéridos que a temperatura de 20°C son líquidos y en su constitución predominan los ácidos grasos insaturados con la presencia de una o más dobles ligaduras por molécula de ácido graso.

La diferencia entre una grasa y un aceite será pues los ácidos grasos que los constituyan y la temperatura en que se encuentren.

Los ácidos grasos saturados o no saturados que constituyen los triglicéridos naturales tienen número par de átomos de carbono, por ejemplo el ácido palmítico hay 16 átomos de carbono y en los ácidos esteárico y oleico hay 18 átomos de carbono.

A pesar que las grasas lubricantes surgieron de la aplicación en los mecanismos de grasas animales, las actuales grasas lubricantes son mezclas de compuestos alifáticos y no corresponden a esta familia de compuestos.

Se verá a continuación las formulas generales de un aceite vegetal y una grasa animal, se realizará en este sentido una simplificación pues los organismos van modificando la relación de los ácidos grasos según la etapa de crecimiento y las condiciones ambientales en que se encuentren.

Por ejemplo los ésteres que constituyen el aceite de oliva extra virgen están formados principalmente por ácido oléico. O ∥ H2C – O – C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

29

O ∥ HC – O – C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3

O ∥ H2C – O – C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3

Este compuesto toma el nombre de trioleato de glicerilo por estar constituido por 3 moléculas de ácido oléico por cada molécula de triglicérido.

Grasa vacuna: esta constituida por una mezcla promedio de ácidos grasos que puede indicarse de la siguiente forma; ácido oléico: 45%, ácido palmítico: 30%, ácido esteárico: 25%.

La representación de un triglicérido de este tipo sería:

O ∥ H2C – O – C – (CH2)7 – CH = CH – (CH2)7 – CH3

O ∥ HC – O – C – (CH2)16 – CH3

O ∥ H2C – O – C – (CH2)14 – CH3

Este triglicérido toma el nombre de oleato estearato palmitato de glicerilo.

SaponificaciónLa descomposición de los aceites y las grasas en presencia de agua genera los ácidos grasos corres-pondientes y la glicerina (reacción de hidrólisis), pero si en lugar de agua se utiliza un hidróxido los compuestos resultantes serían las sales de los ácidos grasos y la glicerina, éste proceso se llama sa-ponificación y se aplica para la fabricación de tensioáctivos (modificadores de la tensión superfi-cial) tales como jabones para la limpieza en general y los jabones de tocador.

El fundamento de los agentes tensioáctivos, jabones o detergentes es la formación de moléculas que cuenten con una parte soluble en aceites y grasas o sea liposoluble (cadenas carbonadas) y otra parte soluble en agua o sea hidrosoluble (grupos iónicos); la importancia de este proceso radica en la so-lubilización en medio acuoso de aceites y grasas animales o vegetales (insolubles en agua).

El proceso de saponificación no se puede aplicar a los aceites y grasas minerales pues al ser com-puestos alifáticos carecen de los radicales característicos del tipo éster.

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

30

Descripción de la reacción: La reacción de saponificación o sea la formación de jabón se explica postulando la ruptura de la unión oxígeno hidrógeno del hidróxido constituyendo dos radicales, uno es el hidrógeno y el otro es el grupo oxígeno sodio. En la molécula del éster se produce la ruptura en el enlace oxígeno y el grupo carbonilo (- CO -) La etapa siguiente es la combinación del hidrógeno del hidróxido con el oxígeno del éster formando así la glicerina y el grupo sodio oxígeno del hidróxido se combina con el grupo carbonilo para for-mar la sal mixta o jabón.

A continuación se indicará la reacción de saponificación de una grasa animal (triglicérido con pre-ponderancia de ácidos grasos saturados)

O ∥ O H2C – O — C – (CH2)16 – CH3 H2C – O – H ∥ 2 NaO – C – (CH2)16 – CH3

O Estearato de Sodio ∥ HC – O C – (CH2)16 – CH3 + 3 NaO H HC – O – H + O ∥ O NaO – C – (CH2)14 – CH3

∥ Palmitato de SodioH2C – O C – (CH2)14 – CH3 H2C – O – H Glicerina Jabones Metálicos o Sódicos

Tal cuál se observa en la reacción los productos resultantes son una molécula de glicerina, dos moléculas de estearato de sodio y una molécula de palmitato de sodio, estos dos últimos correspon-den a lo que vulgarmente se llama jabones metálicos o jabones sódicos.Los estearatos de cinc, calcio se utilizan como agentes desmoldantes y como lubricantes sólidos.

HidrogenaciónLa reacción se puede describir en la siguiente forma simplificada:

R – CH ═ CH – R + H2 R – CH2 – CH2 – R

El hidrógeno transforma a las uniones dobles entre átomos de carbono en uniones simples.

El proceso de hidrogenación se aplica habitualmente en los aceites minerales cuando son utilizados como lubricantes, el objetivo es evitar la formación de gomas o resinas en los sistemas lubricantes debido a la polimerización de las uniones dobles entre átomos de carbono.

Método de obtención de grasas vegetalesEn el caso de los aceites vegetales (triglicéridos con abundancia de ácidos grasos no saturados), se los transforma en productos de consistencia sólida a temperatura ambiente (grasas vegetales)

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

31

O O ∥ ∥H2C – O C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3 H2C – O – C – (CH2)16 – CH3

O O ∥ ∥ HC – O C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3 + 3 H2 HC – O – C – (CH2)16 – CH3

O O ∥ ∥H2C – O C – (CH2)7 – CH ═ CH – (CH2)7 – CH3 H2C – O – C – (CH2)16 – CH3

Aceite Vegetal Grasa Vegetal (líquido a temperatura ambiente) (semi sólido a temperatura ambiente)

Funciones Nitrogenadas

Aminas Estos compuestos resultan de reemplazar uno o más átomos de hidrógeno en la molécula del amo-níaco por grupos alquílicos de cadena saturada o sea lo que anteriormente llamamos como R.Estos compuestos se comportan desde el punto de vista químico como bases por lo cuál toman el nombre genérico de bases o hidróxidos orgánicos.

Representación de los compuestos más comunes:

Amoníaco metil amina dimetil amina trimetil amina metil dietil amina

Por ejemplo. Uno de los compuestos que caracteriza al olor a pescado es la trietil amina. El comportamiento básico o alcalino se explica porque el átomo de nitrógeno cuenta en su configu-ración electrónica externa con el par electrónico del sub nivel s sin combinar, este par electrónico ejerce atracción sobre los iones positivos que lo rodean generando el catión amonio.

Por ejemplo el comportamiento del amoníaco corresponde al de una base débil (se encuentra muy poco disociada); la disolución del amoníaco gaseoso en agua se indica de la siguiente forma:

NH3 (gas) + HO – H (agua) {NH4] + + HO – (agua amoniacal o hidróxido de amonio)

La metil amina se comporta como una base frente a la presencia de un ácido formando una sal.

CH3 – NH2 + HCl [CH3 – NH3]+ + Cl – (Cloruro de metil amonio en solución)Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

32

En la actualidad se están utilizando una serie de compuestos derivados de esta familia llamados sa-les de amonio cuaternario, se caracterizan por la sustitución de átomos de hidrógeno del grupo amino por radicales alifáticos y radicales orgánicos, uno de estos compuestos más usado es el pode-roso bactericida, cloruro de benzalconio (cloruro de dimetil estearil bencil amonio).

Dentro de los compuestos derivados de aminas se encuentran los catalizadores de resinas fenólicas como la hexametilen tetraamina [(NH2)2 – CH – (CH2)4 – CH – (NH2)2] o también la hidrazina (H2N – NH2) la cuál se agrega en las aguas de alimentación para calderas para eliminar el oxígeno disuelto y además por su extrema reactividad con el oxígeno es utilizada como combustible en mo-tores de naves espaciales; donde en este caso el comburente es N2O4.

AmidasEstos compuestos se derivan de la sustitución del radical oxidrilo de los ácidos orgánicos por un grupo amino, el grupo funcional será pues

Las amidas son los compuestos que constituyen los polimeros llamados poliamidas (PA)

O H II I

- - C – N - poliamida PA

Aplicaciones Materiales poliméricos: la línea de materiales plásticos denominados nylon 6,6 corresponden a po-liamidas; son el resultado de la combinación entre ácido adípico y la hexa metilen diamina: H H O O I I II IINH2 – (CH2)6 – NH2 + HOOC – (CH2)6 – COOH) polimerización – N – (CH2)6 – N – C – (CH2) 6– C - Hexametilen diamina ácido adípico nylon 6,6 (poliamida)

Urea: Dentro de los compuestos más utilizados se encuentra la amino amida o carbamida o urea co-mo se lo conoce vulgarmente, además de ser un producto del metabolismo del cuerpo se utiliza co-mo fertilizante para el agro y materia prima para la elaboración de resinas sintéticas (poliuretanos)

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

33

La urea genera productos poliméricos del tipo poliuretanos (PU):

Aplicaciones Industria automotriz

Las ciencias químicas se aplican cada día más en los nuevos vehículos, esto es una realidad in-contrastable, se podría hablar de los materiales poliméricos, de las pinturas, de los cauchos y de los air bags. El air bag es un sistema por el cual ante cualquier impacto de importancia se produce el in-flado de una almohada que protege a los ocupantes del vehículo de los golpes.

El inflado se produce a través de un complejo sistema de detección de impacto donde el último paso es la generación instantánea de nitrógeno que llena la almohada. El nitrógeno se genera a partir de la descomposición termoeléctrica de unos pocos miligramos de nitruro de sodio (NaN3)

2 NaN3 (sólido) 2 Na (sólido) + 3 N2 (gas)

Bibliografía

Química Orgánica. Fieser y Fieser. Edit. GrijalboQuímica Orgánica. Brewster y Mc Ewen. Edit. Química QuirúrgicaQuímica Orgánica. Macy. Edit. ReverteGrasas y Aceites Industriales. Bailey. Edit. RevertéTemas de Química General. Angelini y otros. Edit. Reverté

--- 2020 ---

Química Aplicada Ing. Mario Pelissero

34