módulo quimica nacional parte 1

8/18/2019 Módulo QUIMICA Nacional Parte 1

1/25


2/25

Disposición de los átomos

de C en el grafito

Estructura del átomo de

'jjC , según Bohr

e emen o

carbono

Para una

mejor

comprensión

de los siguientes temas estimamos

conveniente efectuar una revisión de los conceptos fundaméntale*

sobre estructura atómica, tabla periódica y uniones químicas»

tratados

en los capítulos4y5del

texto

QUÍMICA 4 -Aula

Taller]

del

mismo autor.

Editorial Stella

J-.

edición

1992.

En la siguiente ficha sintetizamos las principales caracter ís t icas '

elemento carbono:

Nombre: Carbono S í m b o l o : C

Origen del nombre: del latín carbo.

Descubrimiento:

conocido desde la prehistoria.

Estado natural: a) libre: grafito;-diamante o.carbón amorfo?

b)

combinado:.

'en:toda la r,¡au:ria-viva--y^

compuestosn i ihéfáles tales como piedra cáliz

marinóles, etcétera*/

Abundancia en la corteza terrestre: 0,027%.

Punto de fusión : 3.550

3

C

Punto de ebu l l ición : 4:827 °_Q

_1".1

¿¡Z.

Densidad: 1,8-2,1 g/ml

N ú m er o a t ó m i co : 6

Masa

a t ó m i ca

promedio: 12,001115

I só t o p o s : ^ C (98,9%);

1¡C (1.1%); 1¡C

(trazas)

Radio

a t ó m i co : 0,77 Á

Clase: No metal

Ubicación en la Tabla P e r i ó d i ca : Grupo 14; Período 2

Protones: 6 Electrones: 6

Electrones de valencia: 4

C o n f i g u r ac i ó n e l ec t r ó n i ca :

Neutrones: 6,7 u 8"

l s 2s" 2p Li s

Distr ibución de

electrones

en orbitales:

2s

2

.2p

Pv P;

•

Px Pv Pz;..

P

Sil

rien

Lo

a)

Electronegatividad:

2,5 (según Linus Pauling.)


3/25

B

j Átomo

de carbono con

hibridización

sp2

1)

Sobre ¡a hoja de papel blanco construya un

ángulo

plano de

120°.

f 2) Recorte

el ángulo

trazado

y quítele

un sector de radio igual

al

de la esfera que

utilizará

como

átomo

de carbono.

3) Sobre

la línea ecuatorial

de

la

esfera, disponga tres escarbadientes

separados

entre

sípor el ángulo

de

120°.

Cada escarbadiente representa un

orbital

sp

2

.

4)

Coloque dos escarbadientes en los polos de la esfera, formando

ángulos

de 90a con los anteriores

Estos dos escarbadientes representan un orbital p

puro.

La

esfera así preparada representa un

átomo

de carbono con

hibridización

trigonal.

ft.

Átomo

de carbono con

h ibridización

sp

É

Este modelo se arma colocando

seis

escarbadientes sobre

la

superficie de

la

esfera que se

utiliza

como

^ átomo

de carbono, cuidando que dichos escarbadientes

formen

entre sí

ángulos

de

90°. De

ese modo

f

quedan representados los orbitales sp y los dos orbitales p puros.

Fuente: uímica de ¡os compuestos del carbono Volumen 1

-

Programa de perfeccionamiento docente PROCIENCIA-CONICET- 1986.

Wl Una propiedad muy especial del

Isl • carbono: Las cadenas carbonadas

Como ya fue

señalado,

la mayor parte de los 4,5.106 compuestos

orgá

nicos actualmente conocidos

están íonnados

por muy pocos elementos,

j5iincipaliiiente

C,

H,

O y N.

Entonces cabe preguntarse:

¿cómo

es posible que exista un

número

tan

elevado de sustancias co nsti tuidas por tan pocos elementos?

v El análisis

de la

composición

de las

moléculas orgánicas

muestra que

m mayoría

de ellas

están

formadas por muchos

átomos

de un reducido

número

de elementos.

Así,

los miles de hidrocarburos estudiados

están

íconsütuidos sólo

por

C

e H,

los

glúcidos y lípidos por C, H y O y la

mayor

¡fiarte

de las

proteínas

por C,

H,

O y N.

En

el

caso

de los hidrocarburos,

obse¡vamos fórmulas

moleculares

les como:

C H

C

2

H

6

C

3

H

8

C4H

10

C2 H42

Metano Eíano

Propaiio Butano Icosano

Estos ejemplos nos

llevan

a cuestionamos:

¿de qué

modo se unen los

játomos

de carbono e

hidrógeno

para

formar moléculas

diferentes?

La explicación

de

esta cuestión

se

encontró

al comprobarse que los

ítornos

de carbono tienen

la

propiedad

de unirse entre

sí (concatenación)

)r

enlaces covalentcs estables, fonnando

cadenas

carbonadas.

í ^aV r r i p Jécü l as

orgánicas^

esenciaes para lbs:p*rpcesos

; vi aes "se d enpm¡ñart vc

biomoiécülas:

'•"


4/25

Así.

en los ejemplos

seña lados :

H

H

— C — H

H

Metano

H H H

I I

H _ C

— C —

C — H

H

H H

i

H —

C -

i

i

c

1

—

H

i

H

H

Etano

ti

i

H

i

H

i

H

i

C

—

i

C

—

i

c

1

i

- C —

i

H

i

H

H

Butano

H

H H

Propano

Las

cadenas

pueden tener diferentes longitudes y variadas

forró

constituyendo el esqueleto fundamental de las

molécula?

de la mfj

parte de las

sustancias orgán icas .

Los á tomos

de C, H, O y

N .

con electronegatividad elevada, tratan

completar su

configurac ión e lec t rón ica

extema compartiendo sus ele

trones con otros

á tomos ,

estableciendo uniones covalentes. Entone

cuando

un á tomo

de carbono se une

a

otro

á t o m o

de carbono o con

átOra

de

h id rógeno , ox ígeno

o

n i t rógeno ,

lo

hace

por medio de enl

covalentes.

4 3

Tipos de cadenas

carbonadas

a) La

fomia má s

frecuente de

unión

entre los

á t o m o s

de

ca rbón

la

siguiente:

C

C

c

C

c

c : c

Comoel

par de electrones compartidos se puede representar

po.

gu ión ,

tendremos:

C C

— C

C

— C — C — C

Los

electrones que no intervienen en la

formac ión

de la

cade

carbonada pueden unirse a otros

á tomos

diferentes por

enlá'e

covalentes. Entonces, las

cadenas

pueden representarse así:

LEn

la realidad, como los electrones del carbono

es t án

en orbitales

geniados hacia los

vé r t i ces

de un tetraedro imaginario, las

moléculas

no

É ñ

planas sino tridimensionales:

C

C

/ | V | \

c c c

/ l \ / ¡ \ / l \

c c c

c

l l

i

Las cadenas

carbonadas que tienen los extremos libres, como las

^anteriormente

representadas,

se denominan abiertas o

ac íc l i cas . Aác

§nás

por

presentarlos

á tomos

de carbono en fonna consecutiva, se

llaman

¡lineales

o normales.

i

¡>r..

-D) En otras ocasiones las

cadenas

tienen mayor complejidad:

: d

c:

C : C

c : c : c : c : c

• c •

•c• -c•

c c c c c c c c

•

c •

i

—c—

i i i

—c—c—c—

— C —

I I I 1

-C—C—C—C—C—

—c—

I I I I 1 I I

—c—c—c—c—c—c—c—c—

I I I I I I I

\

c

~

Estas

estructuras reciben el nombre de

cadenas

ramificadas.

.c)

En algunos

casos,

los extremos de la cadena se unen fonnando un

anillo

o

ciclo:

I

— C

C—

\ /

c

Las

cadenas carbonadas

pueden

estar

constituidas

hasta

por 90

á tomos

de

carbono.

Cadenas,

abiertas .

Lineales

-

Ramificadas

Cadenas

i

Acíclicas

•— Cíclicas


5/25

Los átomos

de carbono que

forman cadenas saturadas

presentan hibridización sp

3

.

En

las ligaduras dobles, los

átomos

de C tienen orbitales

híbridos

sp

2

-

a a e n a s i

r Saturadas

No

saturadas

Los átomos de C que se

unen entre sí por ligaduras

triples

presentan

hibridi-

zación

sp.

/ \

—c c-

I

—c c-

I

Este

tipo de caJenas se denominan cerradas o

c íc l icas .

Los cicle

m ás comunes están formados

por

cinco o seis á t o m o s de carbono

d En los

casos antes

considerados, las uniones entre los

á t o m o s j

carbono se efectúan compartiendo un par de electrones. Eslf

uniones se denominan enlaces o ligaduras simples.

Todos los compuestos

o rgán icos

que

só l o

presentan enlaces

ligaduras simples entre sus

á tomos

de carbono, reciben el nombr

de compuestos o sustancias saturadas.

e)

Otras cadenas

carbonadas

presentan una o más umones covalente

dobles enlace o ligadura doble), tales como:

c:: c: c

c: c: : c: c:«:

—c=c—c—

—c—c=c—c—c-

T a m b i é n

existen

cadenas

en las cuales se observan uniorie

covalentes triples enlace o ligadura triple):

• c :: : c - - c = c -

c : : : c : c : c

—c=c—c—c-

Las cadenas que presentan una o más ligaduras dobles y/o triplej

se denominan no saturadas.

f

En ciertos

casos,

las

cadenas

c íc l ica s también

son no

saturada^

presentando uno o más enlaces dobles:

— C = C—

I

— C C -

c

—c c-

II

— C

C-

c

£ n resumen:

H as cadenas carbonadas se pueden clasificar de las siguientes formas:

R

según su forma:

abiertas

o

acíclicas

lineales o normales

ramificadas

cerradas o c íc l icas

íb según

el

tipo

de enlace o ligadura presente:

saturadas

(todas las ligaduras son simples)

no saturadas uno o má s enlaces son

dobles y/o triples)

Orbitales

moleculares

ip^Guando se forma una molécu la , los orbitales a tómicos de los á tomos

É

| í m t e r v i e n c n

en

la

un ión

covalente se superponen, formando

orbitales

.-moleculares.

K a su p e rp o s i c i ó n de dos orbitales correspondientes a á t o m o s diferen-

Íe|se denomina enlace. Los enlaces pueden ser sigma o) o p¡ (ic).

» a

Enlace

sigma o):

i

En

este tipo

de enlace se originan distintos

casos, según

sea que los

Gomos que se unen presenten orbitales s, p, o sp3-

;Caso 1:

Molécula de hidrógeno //?)

unión S-S

H + H H

2

Los dos orbitales ls, con un e lec trón cada uno, se interpenetran for-

mando la

un ión

s-s.

| | Los dos electrones que se aparean tienen spin opuesto y se mueven en

a la

proximidad

de ambos

núc leos.

1 P

El área de m á x i m a densidad e lec trón ica se halla entre los núc leos y es

esimé tr íca

con respecto al eje que une a dichos

núc leos

(eje molecular).

Cuando dos átomos se acer

can, se producen distorsiones

y reordenamiento de sus

orbitales.

orbitales

Eje molecular


6/25

a

m

Ligadura simple entre dos

yf» átomos de carbono.

Caso 2:

olécula

de cloro Cb)

p + p = unión p-p

Cuando se aproximan dos orbitales p, con igual orien tac ión en el

pacic, se superponen frontalmente produciendo una unión p-p.

Caso 3: olécula de fluoruro de hidrógeno HF)

£ >*•:•.

-. .-sa éF>+etf*

e

+: • •¡''i

p + s

=

unión s-p

En

este

caso se produce la unión del

orbital

p del flúor con el orbit

s del

h idrógeno ,

estableciendo la

unión

s-p.

Caso 4: Unión C-C

Cuando se unen dos á to m o s de carbono por un enlace simple,

produce la superpos ic ión de dos orbitales h íbridos sp3, originando la unión]

sp 3 -s p 3

Caso 5: Unión C-H

p) Enlace pi (TC):

iEn ciertas ocasiones, dos orbitales p de á tomos diferentes pueden

Superponerse lateralmente:

É

jl

Este

tipo

de

unión

se denomina enlace pi (it).Se caracteriza porque

í'fiay menos s u p e rp o s i c ió n de orbi tales que en el enlace sigma (o) y la fucr-

zá'de unión es más débil .

£ Presenta dos zonas de alta densidad e lec trón ica y queda una zona de

densidad e lec trón ica nula alrededor del eje molecular.

Cuando dos á to m o s de carbono se unen por doble enlace

I

(—C=C—)

|iehen h ibrid izac ión sp

J

. Entonces uno de los orbitales h íbridos sp

J

de un

romo se superpone a otro

orbital

h íbrido sp

:

del otro á to m o de carbono,

• formando un enlace sigma. A d e m á s , el

orbital

p puro de un á to m o de

fipfcono se une al

orbital

p puro del otro á tomo, originando un enlace pi.

Luego,

los dobles enlaces C=C están formados por un enlace sigma

+ +

ybtro pi:

= unión

s-sp

3

Las ligaduras simples entre un

á tomo

de carbono y otro de

hidrógeno^

se producen por la superpos ic ión de un

orbital

h íbrido sp

3

del carbono y]

el

orbital

s del h idrógeno , estableciendo la unión

s-sp3.

g j t n todas las uniones consideradas (s-s,;p-p, .s-p, sp-sp ,

ssp;)sc

^produce una

supe'rrx)sicñón

;

' ;lrpniab:de

r

-düs ürbiUsT^s/atómio

;dispóiiiónclósp'er'{ form.á sim'étnca'có ñ:respecTo ¿1 eje m ¿Jecujárj

Este tipo de unión se denominaenlace sigma (- ). -

| Í

S

^

'En los casos en que dos á to m o s de carbono se unen por un triple enlace

v

:_c=C—

presentan

h ibrid izac ión

sp. Por

lo

tanto, se forma

un

enlace

•• sigma (sp-sp) y dos enlaces pi entre los orbitales p puros.

EEOii-

:

71

{p'y -py)

K r y

/Energía de enlaca

•£s-

la ;

cantidad -de

necesanapara romcarj

'pipi

i

'de enlaces.

La

energía del enlace doble no

es el doble que la del enlace

simple,

ya que la unión pi es

más débil que la sigma.

En

las ligaduras dobles en

tre átomos de C, se estable

ce un enlace sigma

y otro

pi.

Entre los

á tomos

de C que

se unen por triple ligadura,

se forman un enlace sigma

y

dos enlaces pi.

N i

resumen:


7/25

ECÜ LARES

Enlace

p Í K )

Unión

' l&s?w

..; Energía de

enlace (KJmoí)

C — C

347

c c

611

c = c 837

Molécula de agua

Experimentalmente

se ha

comprobado que en el agua,

los átomos de H unidos

al O, forman entre

sí un ángulo de 105'.

n

/ ' L o s-.en laces

si

urna ; : •-. i ah .; sieuiehtes ca rac te rís t icas :

^ ¿ * P r é s é n t a n e l ár e a de m á x im a densidad e íéc tr^ ' rucá^ íredgc

'.. eje molecular. . . ,Tví;

• Producen un solo enlace entre dos á ió : : íós \ i ig^^

Hay mayor superpos ic ión de orbitales .que en el pi.

l ĵ

• Tienen mayor fuer/a de ui: on que ei enlace.pi. .... ¿> .: .

Los enlaces pi se caracterizan' por: '" : r " ^ ^ ^

• Formarse por la superpos ic ión latera de orbitales a tómicos . ; ;

,

• . Presentar dos

zonas de .á l ta Je ris idade jec tróñ ica ,

se

lo largo del eje

molecular

• Tener menos superposición -de

orbitales que en ios ¿ rü jB f iB B fc

; sigma. —'•'>.•'[::' :

'• -'^^^^^m^^^^l^^^^^^^^^^iE^íf^* ̂ ' :• '• >

• Presentar menor fuerza de unión que los

enlaces

sigma.

6 1

Interacciones

moleculares

una zónáded eas idad e lec trón ica

Pueden formarse dos

enlaces

p¡

Observaciones:

La explicac ión de los

orbitales

moleculares se ha efectuado de acuerdt

con la teoría del enlace de valencia (T E V ) , a c l a rá n d o se que existen otra

teorías para su explicac ión , como la teoría del orbital molecular ( T O M Í

estructura molecular y las^

propiedades de las sustanciase

La

estructura de una

molécula

y/o la forma de una zona de ella, tienetr

gran

incidencia sobre las propiedades fís icas , qu ímicas y b io lóg icas de I]

sustancia. Por lo tanto, es necesario conocer lo más detalladamente

posible la geometría de las moléculas para comprender o predecir

propiedades de las

sustancias

( solubilidad en diferentes solventes,

puntcí

de ebull ic ión , polaridad, e tcé te ra ) .

Para

conocer la geometría

molecular

se recurre a diferentes métodos

tales como la d ifracc ión de rayos X, electrones y neutrones, lj

espectroscopia infrarrojo, ultravioleta y de resonancia m a g n é t i c a nú

clear. Estos

métodos

permiten establecer los

ángulos ,

las longitudes i

enlace y la naturaleza de los á to m o s entre los que se produce la unión

A] Como consecuencia de la estructura que presentan las

moléculas ,

se

-producen

entre ellas diferentes fuerzas de a tracc ión . Estas fuerzas son de

¡¡distinta intensidad y mantienen m ás o menos unidas a las moléculas entre

sí , determinando las propiedades de las sustancias, tales como:

estado

de

agregac ión , punto de ebull ic ión , solubilidad, etcétera.

Las fuerzas de a tracc ión intermoleculares se denominan fuerzas de

Va n der Waals.

Entre

las fuerzas de V an der Waals se destacan: las fuerzas de London,

dipolo-dipolo inducido, dipolo-dipolo

y

u n ió n

puente de

h id ró g e n o .

6.1.1 Fuerzas de London

En las m o lé c u la s no polares puede producirse transitoriamente un

¡desp lazamiento relativo de los electrones originando un polo positivo y

otro negativo (dipolo transitorio) que detemiinan una a tracc ión entre

dichas

moléculas . (El

polo positivo de una

molécula atrae

al negativo de

otras,.y viceversa.)

Estas fuerzas de a tracc ión son muy débiles y se denominan fuerzas de

London. Su intensidad es proporcional al grado de pola rizac ión momen

táneo

que se produce en las

moléculas .

En los gases inertes (He, Ne, Ar, e tcé te ra ) las fuerzas de London se

manifiestan

a muy bajas temperaturas, ocasionando la l icuac ión de

dichos

gases.

6.1.2 Fuerzas dipolo dipolo inducido

En ciertas ocasiones, una m o lé c u la polar (d ipo lo), al estar próxima a

otra

no

polar, induce

en ésta un dipolo transitorio, produciendo una fuerza

de atracción intennolecularllamada dipolo-dipolo inducido. A s í . e l agua,

cuya

m o lé c u la es un d ipo lo , produce una pequeña po la rizac ión en la

molécula no

polar

del oxígeno, la

cual

se transforma en un dipolo

inducido.

Esto hace que el oxígeno y el d ióx ido de carbono, que son no polares

presenten cierta solubilidad en solventes polares, como el agua.

6.1.3 Fuerzas dipolo dipolo

Cuando dos

m o lé c u la s

polares (dipolos) se aproximan, se produce

una a tracc ión entre el polo positivo de una de ellas y el

negativo

de la otra.

Moléculas no polares

Dipolo

transitorio

Dipolo

transitorio

Fuerzas de London

Dipolo

| Dipolo

inducido

Fuerzas dipolo - dipolo

inducido


8/25

m 0

Dipolo _L Dipolo

Dipolo

-

Dipolo

Fuerzas dipoio

-

dipolo

.

H

^

F

F.

H

F

» H

• ^ H . - f

Hexámero de HF

(seis moléculas)

H

.0

I

i i

I

"4

Hexámero de H„0

Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cu

mayor es la polarización de dichas moléculas polares.

Estas fuerzas de

atracción,

llamadas dipolo-dipolo.se observan en

moléculas covalentes polares,

como

el

sulfuro

de hidrógeno H , S ) , el me

nol C H

3

O H ) . la glucosa C 6 H

[ 2

0

6

, etcétera. Estas sustancias de eleva

polaridad

se disuelven en solventes polares tales como el agua.

Entre

las fuerzas

dipolo-dipolo

tiene particular importancia la uní

puente de

hidrógeno.

6 1 A Unión puente de hidrógeno

En algunas sustancias que contienen hidrógeno, como fluoruro dj

hidrógeno H F ) , agua

H

2 0) y amoníaco H

,N ,

se observa una

forma]

unión

entre sus

moléculas,

denominada

unión

puente de

hidrógeno.^

En el

caso

del HF, las moléculas son covalentes polares co n |

consecuencia de la diferencia de electronegatividad que existe entre:

hidrógeno y el ílúor:

6'

8-

H

: F :

Esta polarización provoca la atracción de la zona

positiva

de unj

molécula

con la zona negativa de otra:

8

+

5- 5* 8-

H : F : < — > H : F :

De este

modo

el hidrógeno

forma un puente entre dos

átomos

de

flúl

y de allí proviene el nombre de unión puente de hidrógeno. Así se fomiá

cadenas moleculares de

fluoruro

de hidrógeno, donde los átomos dlj

hidrógeno vinculan

entre sí a los de

flúor.

Las moléculas de agua también son

dipolos

a causa de la di ferencia d ]

electronegatividad entre el

oxígeno

y el

hidrógeno

y pueden

formal

uniones puente de hidrógeno:

H

m 8-

: o : <

- > H :o :

JÉpmo consecuencia de este

tipo

de unión, las moléculas de agua se

San formando conglomerados de

masa

relativamente alta:

— H-

H

I

• H — O

H

I

• H — O

H

11

H— O » » H — O

Experimentalmente

se ha demostrado que los puntos de ebullición de

as sustancias son más elevados cuanto mayores son sus masas molecula-

's. Así, a temperatura ambiente, las moléculas pequeñas corresponden

gases: hidrógeno (2), oxígeno (32), dióxido

de carbono

(44).

El agua,

n

una masa molecular de 18, también debería ser un gas. Sin embargo,

lomo

consecuencia de la formación de conglomerados moleculares por

nión

puente de

hidrógeno,

su punto de

ebullición

se eleva a 100

°C

y

ñtonces a la temperatura ambiente es líquida.

J Las interacciones moleculares de

tipo dipolo-dipolo,

que

involucran

Ifniones

por puente de hidrógeno, son más fuertes que las del tipio

dipolo-

Mjpolo

inducido

y de London.


9/25

L O S H I D R O C R B U R O S

FUNCIONES QUÍMIC S ORGÁNIC S

Entre los numerosos compuestos o r g á n i c o s existentes m ás di

se ha encontrado que muchos tienen propiedades

q u í m i c a s semeja,

cual pemiite agruparlos en familias

0

funciones.

Se ha comprobado que cada compuesto de una misma

famil ia

á t o m o o

grupo de

á t o m o s

que determinan

la s imil i tud

de sus propi?

A dicho grupo de á t o m o s se lo denomina grupo funcion al, J

Entonces:






0

funciones.


famil ia

á t o m o o

grupo de

á t o m o s

que determinan

la s imil i tud

de sus propi?


Entonces:Hidrocarburos

•

Alcoholes

•

Aldehidos

• Cetonas

• Ácidos orgánicos

• Éteres

• Anhídridos

• Aminas

• Amidas

• Nitrilos






0

funciones.


famil ia

á t o m o o

grupo de

á t o m o s

que determinan

la s imil i tud

de sus propi?


Entonces:Hidrocarburos

•

Alcoholes

•

Aldehidos

• Cetonas


• Éteres

• Anhídridos

• Aminas

• Amidas

• Nitrilos

Definimos función químic orgánic

como un cmijunto

. s u ^ n m s _ p x g á n i c a s - . c o r ^ o j } ¡ e d a d e s q u í m i c a s similares

•

Hidrocarburos

•

Alcoholes

•

Aldehidos

• Cetonas


• Éteres

• Anhídridos

• Aminas

• Amidas

• Nitrilos

tener un mismo grupo funcional.

•

Hidrocarburos

•

Alcoholes

•

Aldehidos

• Cetonas


• Éteres

• Anhídridos

• Aminas

• Amidas

• Nitrilos

Entre las funciones

qu ímicas o rgán icas

podemos mencionar]

carburos, alcoholes, aldehidos, cetonas,

á c i d o s o r g á n i c o s ?

anh íd ridos o rgán icos, esteres, aminas .'amidas, e tcé te ra .

J[ idrocarburos

Lo s

hidrocarburos son los compuestos

o r g á n i c o s m á s

sencillo

conocen porque sus

molécu la s e stán

formadas solamente por

átoi

carbono e h id rógeno . , '

Se encuentran en el

pe tró leo ,

el gas natura l, los yacimientos dej.

y

los pantanos. m

Los

restos

o rgán icos

depositados en el mar ( j )

y

cubiertos por

sedimentos

2)

se transformaron

en

pe tró leo 3)

Entre las funciones

qu ímicas o rgán icas

podemos mencionar]

carburos, alcoholes, aldehidos, cetonas,

á c i d o s o r g á n i c o s ?

anh íd ridos o rgán icos, esteres, aminas .'amidas, e tcé te ra .

J[ idrocarburos

Lo s

hidrocarburos son los compuestos

o r g á n i c o s m á s

sencillo

conocen porque sus

molécu la s e stán

formadas solamente por

átoi

carbono e h id rógeno . , '

Se encuentran en el

pe tró leo ,

el gas natura l, los yacimientos dej.

y

los pantanos. m

Las

cadenas

de

á tomos

de carbono pueden

estar

formadas

só lo

por

ligaduras simples o presentar enlaces dobles o triples. Esto permite

Clasificarlos en hidrocarburos

alifáticos

saturados

só lo

ligaduras

sim-

pes) y no saturados (con ligaduras dobles y/o triples).

|F Los hidrocarburos

alifáticos

saturados

también

se llaman

alcanos

o

p a r a f í n a s .

Por

su

parte, los hidrocarburos

alifáticos

no saturados pueden

alquenos u olefinas (doble enlace) y alquinos o ace t i lén icos t r ip le

¡ftilace).

Para acercamos en forma más concreta a este tema, vamos a la'

siguiente lectura:


10/25

M BiS

I

E L P E T R O L E O

. La palabra petróleo proviene de la unión de

dos términos latinos: petro = piedra y oleum =

aceite (aceite de piedra). Es un líquido natural,

oleoso, inflamable, de olor característico, color

negro o amarillo oscuro, compuesto fundamen

talmente de hidrocarburos de distinto punto de

ebullición, con densidad entre 0,8 y 0,95 y que se

encuentra en el interior de la tierra a profundi-'

dades variables.

La s

propiedades físicas y la composición quí

mica

varían

considerablemente,

según

su proce

dencia.

El

petróleo está compuesto por 90 a 98 de

hidrocarburos

parafínas, ñafíenos e hidrocar

buros

bencénicos y el

resto por

sustancias

orgá-

nicas que contienen O.N.Sy trazas de compues

tos

orgánicos metálicos.

El origen del petróleo ha sido motivo de

muchas controversias. En la actualiadd.se acepta

que tiene origen orgánico. Los restos de organis

mos marinos animales

(peces),

vegetales (algas)

y principalmente microscópicos (plancton), de

positados y aprisionados en los sedimentos del

fondo marino se transformaron

en petróleo.

Este

proceso es muy complejo y lento.

Lo s organismos marinos muertos en condicio

nes reductoras (ausencia de

oxígeno),

a causa del

calor

y la

presión

que soportan y por la

acción

de

bacterias anaerobias, se convierten en un fango

negruzco, denominado sapropel. El paso del

sapropel a petróleo es muy complicado y en ét

intervienen una larga serie de procesos químicos.

Hasta hace poco se creía que todo

el

petróleo

se había formado en rocas anteriores al

plioceno.

Sin

embargo, se ha logrado extraer petróleo de

sedimentos marinos cuya edad (averiguada ¿|

C14)

es de unos 10.000

años.

El petróleo es conocido desde muy antigu^

Hay indicios de que el hombre neolítico y

paleolítico emplearon betunes en la constri

ción.

Los egipcios lo usaron en la conservada,

de momias. Los japoneses utilizaban aceite |

piedra en la iluminación, hace unos 2.000 aña

Lo s

chinos parece

que hicieron peroraciones '|

busca de petróleo hacia el año -221. Heródotg

cuenta qué los romanos lo empleaban para

alumbrado.

\La

utilización del petróleo como fuente d\

energía es reciente. A mediados del

siglo

próxim

O DE L O S M O L E C U L R E S DE LC NO S

objetivos

Armar modelos tridimensionales de las moléculas de hidrocarburos alifáticos saturados (alcanos).

Materiales:

10

esferas

de telgopor, plastilina, masilla o crealina, de

aproximadamente

4 cm de diámetro

y

color

negro.

20 esferas del mismo material que las anteriores, de

unos

2 cm de diámetro y de color blanco.

50 escarbadientes.

[Procedimiento:

pasado comenzaron las primeras explotacion^m^

Construya diez

modelos

de

átomos

de

carbono

con

hibridización

sp

3

, de acerco con ¡as indica-

comerciales como sustituto del

carbón.

C [ o n e s

dadas en el Trabajo p r á c t i c o : Átomos de carbono (Capítulo 1).

La

creación del motor de explosión y más

tarde el estallido de la Primera Guerra Mundial

incrementaron la producción, convirtiéndolo e¡

el combustible preferido del siglo XX.

La

producción de petróleo ha aumentado él

forma continua, pero la

crisis

petrolera de 197M

puso en evidencia su importancia como fuente

energética y la dependencia de los países indum

tríales con relación a

los

países productores. Estl

hecho, y la conciencia de que no es un recurk

renovable, incentivó la búsqueda de otrasfuentig

alternativas de

energía,

tales como la solar, li

cólica, etcétera.

Actualmente, el mayor porcentaje de petrólet

consumido se destina a la combustión de moto*

res.

Puede usarse en estado crudo como aceite,

combustión, pero en su mayor parte se refina m

sus elementos componentes. Además de estlm

usos, los derivados se emplean para obtenm

diversos

productos químicos, medicamento^

lacas, disolventes,

antisépticos, etcétera.

-

Las

esferas

más

pequeñas

representan

¡os

átomos

de

h id rógeno .

H 2) Proceda a unir cuatro átomos de h id rógeno a un átomo de carbono , respetando cuidadosamen

te los ángulos de separación de los escarbadientes (109° 28'):

El modelo obtenido representa una molécula de metano.

Responda

a) ¿Qué tipo de enlace se establece entre el átomo de carbono y cada uno de los átomos de

h id ró g eno ? :

b)

Represente en un plano la

molécula

obtenida

(fórmula

desarrollada):


11/25

c) Escriba la fórmula electrónica:

Étd) ¿

C u a l

e s

'a

fórmula

molecular?:

Í K o n

t r e s

a t o m o s

de carbono y ocho de

h idrógeno ,

construya el modelo molecular

de l

propano.

H • Esquematice el modelo obtenido:

d) ¿Cuá l

es la

fórmula

molecular?:

3)

Proceda a

unir

dos

á to m o s

de carbono entre sí,

quitándole

un escarbadiente a uno de dichos

á tomos :

Un a seis á tomos

de

h idrógeno

a los orbitales sp

3

libres de los dos

á to m o s

de carbono :

Responda

|

a) Los

á t o m o s

de carbono,

¿ e s t á n

en

l ínea

recta o en zig

zag?:

¿ p o r q u é ? :

| b) Escriba las fórmulas :

— desarrollada — electrónic —

molecular

El

modelo obtenido corresponde a una

molécula

de etano.

Responda

a)

¿ Q u é tipo

de enlace se

forma

entre los dos

á to m o s

de carbono?:

b)

Represente en un plano la

molécula

obtenida

(fórmula

desarrollada):

5) Utilizando cuatro á tomos de carbono y diez de h idrógeno , arme el modelo de la molécula de

butano (en zig zag).

•

Esquematice el modelo obtenido:


12/25

m

m

—Haciéndolos

rota r, ubique los

átomos

de carbono en diferentes posici ones.

Así, logrará dif

erent

formas de la

molécula

en el espacio, denominadas conformaciones.

Esquematice las conformaciones obtenidas:

m

Escriba las fórmulas:

des rroll d

electrónic

motecul r

Conclusiones:

—¿Cuáles

son los alcanos que ha representado?:

—¿Qué

clase de

hibridización

tienen los

átomos

de carbono?:

—¿Qué tipo

de enlace se establece entre los

átomos

de carbono?:

1

—¿Qué pasa

con la

forma

de la

molécula

a medida que aumenta el

número

de

átomos

de carbonojj

—Escriba las fórmulas desarrollada s de los alcanos representados:

Hidrocarburos

alifáticos

saturados alcanos o

parafínas

El más sencillo de todos los alcanos es el metano, constituido por

átomo

de carbono y cuatro

átomos

de

hidrógeno. Dicho átomo

de

arbono presenta

hibridización

sp

3

y, por

lo

tanto, tiene cuatro orbitales

ridos sp3, orientados hacia los vértices de un tetraedro imaginario y

parados entre sí por un

ángulo

de

109°

28'.

El

átomo de carbono, al combinarse con los átomos de hidrógeno,

¡forma con cada uno de ellos enlaces sigma (o) del tipo s - s p3:

H

Modelo

de

esferas

y

varillas.

La molécula, que en la realidad es

tridimensional,

se representa en un

(plano (bidimensional) del siguiente modo:

H

H : c: H

H

Fórmula electrónica

t

Como cada par

de

electrones se puede reemplazar

porun guión,

resulta

la siguiente fórmula desarrollada o estructural:

H

H—C— H

H

En

consecuencia la

fórmula

molecula r del metano es:

CH

Metano

l metano se lo llama gas

de los pantanos por origi

narse

durante

la putrefacción

de restos orgánicos en

aguas

pantanosas.


13/25

• El alcano siguiente es el etano, con dos á t o m o s de c a r b o n e é

zados por un ión covalente simple y que también presentan h i b r i d i z f

sp-\- tre dichos á tomos de carbono se establece un enlace

sigm

del tipo sp

J

- sp

3:

Las posiciones relativas de los

átomos en la molécula deter

minan

diferentes estructuras

moleculares, denominadas

conformaciones.

'Las dstintas confornaaones

se

:?::e

n

a las

rotaccnes

dC:

-loŝ eniacess¡mpies;y .a fle

xibilidad

de tas-̂ rruVos:

de ̂

. - - i - . --*r

•.-.válenciaj:. --:-r.v :

-

H

mientras que la f ó rm u l a desarrollada resulta sc(

Modelo

de esferas y varillas

Lo s dos á tomos de carbono e s tán sobre una recta y por eso la mole

de etano es l i n e a l . A d e m á s , como dichos á t o m o s pueden rotar alredeüq

del eje que los une, p r e s e & á n el

movimiento

denominado de I i b r

t a c ió n :

Modelo

de

esferas

y

varillas.

En la m o l é c u l a del propano, los tres á t o m o s de carbono no e s tán en

ñea recta sino en zig zag. como consecuencia de la d ispos ic ión te traé -

fjfica

de los orbitales h íb ridos sp 3.

f

Las fó rmulas del propano son:

11 H

H

H

H

i

11

c

:c

.CU

i

H—C—C

i

- C — H

H H

i

H H

l i

(En el modelo b, el átomo de C número 2 se ha girado 60° con respecto

a la posición que tiene en a).

En el caso del etano la f ó rm u l a e l e c t ró n i c a es:

H

H : c: c : H

H

H

H H

I

H — C — C —

H

I

H Esta fó rmula es reemplazada frecuentemente por.1

f ó r m u l a semidesa rrollada: l«

C H j — C H

de donde se deduce que la f ó r m u l a molecular es:

C

• El alcano de tres á t o m o s de carbono, unidos entre sí por un ió j

covalente

simple,

se denomina propano. Dichos á t o m o s de carbono tie

nen h ib rid izac ión sp 3 y entre ellos se establecen dos enlaces sigma ( o) d j |

tipo sp 3-s p 3- 3

Fórmula

electrónica

Fórmula

desarrollada

C H , — C H , — C H ,

Fórmula

semidesarrollada

C ,H S

Fórmula

molecular

Sí ¡;

m i F.l

té

mi

no siguiente es el but ano, con una cadena de cuatro á tomos

^eyjarbono unidos entre sí por enlaces covalentes simples. Esos á tomos

\k carbono

también

presentan

h ib rid izac ión

sp

3

y se unen por enlaces

•siurna (o) del

Modelo de esferas

y varillas.

La

cadena

de á t o m o s de carbono no necesariamente tiene que estar en

zig zag, sino que puede adoptar diferentes conformaciones en razón de

que la un ión entre los á t o m o s de carbono pernote la libre ro tac ión dentro

de la molécu la . A modo de ejemplo:

£ í

ul

0 de

na\df-


14/25

ti»

»

•


15/25

C H ,

C H 3

— C H

^ - C H 3

metüpropano

C H ,

CH,

C H ,

C H — C H — C H . — CH: ¡—

2-meálbutano

CH

C H ,

— CH

(e t i lo )

derivado de:

C H .

—

C H ,

etano)

C H 2 - C H 2

C H 3

(p ro p i lo )

proviene de:

C H

3

—

CH

2

— CH

3

propano)

I f C H , — C H ,

— CH, —

C H3 ( b u t i l o )

procede de: C H

3

- CH

2

- CH

2

— CH

3

butano)

: H , — C H ,

—

C H ,

—

C H , — C H

3

(penti lo )

generado

por:

CH —

C H ,

—

C H ,

—

C H

—

C H

3 pentano)

•ntonces podemos decir que:

C H 3 —

CH

-

CH

-

C H ,

-

C H

3

C H

} -

C H

2 —

CH

—

C H

2 —

Lo s radicales alquilo

son grupos

a tó m ic o s

monovalentes que

resultan de eliminar un

á t o m o

de

h id ró g e n o

de un hidroc ar

buro. T a m b i é n

se

los

denomina susti tuyentes hidrocarbonados.

^ H I D R O C A R B U R O ? :

RAMIFICADO~

—

Cadena

principal

— Ramificación/es

Radicaím'etilo

2 3-dimetüpentano 3-etüpentano

Se considera que en los hidrocarburos ramificados existen dos

p a r t í

lacadena

principal y

lao las

ramificaciones.

Lacadena

princ ipa l

es la

larga.

A s í .

en los siguientes

casos:

tomendatura de los alcanos ramif icados:

Consideremos los siguientes

casos:

C H ,

a metilprupano:

b 2J -dimetiipentano

rCH~ —• ramificación

ÍCH

[̂ 7̂*1—̂ r a m i f l c a i

- Ü - J . _ _

r

_ _ Ü J l i _ I _

— |

| C H , — C H

—

C E U | C H J

—

CH

—

C H

—

C H , —

CHl

adena principal adena principal

C H 3 —

C H

—

C H ,

—

C H

3

S La

cadena principal

tiene cuatro

á to m o s

de carbono corresponde al

butano).

B

Los

á to m o s

de carbono se numeran

desde

el extremo más

próximo

a

Ra

ramif icac ión :

2.3.1 ¿Qué son los radicales alquilo?

C H ,

3

C H 3

— C H

—

C H ,

4

C H ,

En

los

casos

anteriores las ramificaciones son iguales y podemj

representarlas así:

- C H ,

Es tá

constituida por un

á to m o

de carbono que tiene tres valencia

saturadas

con

á tomos

de

h idrógeno

y una cuarta

libre, razón

por la cua

no puede

existir

en

forma

independiente. Esta

ramif icac ión

puede

coflffl

derarse teóricamente

formada

p o re l im in a c ió n d e

un

á to m o

de

hidróger

del

metano:

La ramif icac ión

es un radical

meti lo

que

está

unido al carbono 2.

E

Luego, su nombre es: 2-met ilbutano.

(Después

del

n ú m e ro

se coloca

nm guión .

Se nombra primero el radical y luego el alcano al que

corresponde la

cadena principal.

Se lee: dos

melilbutano.)

b)

C H 3

— CH

2

CH, -> H t —

C H ,

CH

—

C H

—

C H ,

C H 3 CH 3

Es un radical

a lqu ilo

y recibe el nombre del alcano del cual provier

cambiando la

te rminac ión

ano por

i lo .

Por lo tanto, se llama

m e t i l o ^

Existen otros radicales de

cadenas

más largas que

también

resulta

( teóricamente )

de la

e l iminac ión

de un

á to m o

de

h id ró g e n o

de.i

hidrocarburo:

La

cadena

principal

tiene cinco

á tomos

de carbono pentano).

1

Los

á tomos

de carbono se numeran siempre

desde

el extremo más

cercano a la

ramif icac ión :

5 4 3

C H 3 —

C H

2 —

CH

C H

—

C H ,

C H , CH,

2-]

Pos ic ión

del radical

m

e

t

Nombre del radical

b

u

t

Nombre de la

a

cadena

principal

n


16/25

NOMENCLATURA

Procedimiento

Identificar

la cadena

principal

í

Enumerar los

átomos

de

carbono de la cadena

principal.

Reconocer el o los

radicales que forman la/s

ramrficación/es.

Establecer la

posición

del o

de los radicales.

Escribir el

nombre

correspondiente.

Las ramificaciones son dos radicales me ti lo , por eso se denonf

d i m e t i l .

Dichos radicales

e s tán

ubicados en los carbonos 2 y 3.

j

Entonces, recibe e nombre de:

IJ dimetilpentano.

(Los número

separan con una coma.)

c)

C H ,

—

C H ,

—

C H

—

C H,

—

C H

2 —

C H

2 —

C H ,

C H ,

C H ,

La cadena principal

tiene siete

á to m o s

de carbono (heptano).

Los á tomos

de carbono se pueden numerar de dos modos

difererit

CH,

o

también :

C H ,

2 3 4

C H

2 —

C H

—

C H 2

C H ,

1

CH,

C H , — C H — C H 2

C H ,

—

C H ,

—

C H ,

C H , — C H 2 — C H ,

2 CH,

1 CH,

La ramificac ión

es un radical etilo que

e s tá

unido al carbono 3. ¡

Su

nombre es:

3 etilheptano.

rl)

C H ,

C H ,

— C

— C H , —

CH2 —

C H ,

C H ,

— Cadena principal:

5

á tomos

de carbono (pentano)

— E n u m e ra c ió n

de los

á tomos

de carbono:

C H ,

1 2

1

3 4

C H, — C — C H , - C H ,

C H ,

C H ,

Ramificaciones:

dos radicales

metilo d im e t i l )

colocados ambos en

bono 2.

-Nom bre: 2 2-dimetilpentaño.

C H , CH,

I

C H , — C H

—C

— C H , - C H 2 — C H ,

C H

2

C H ,

|—Cadena

principal:

6

á to m o s

de carbono (hexano)

¡ i -E n u m e ra c ió n

de los

á to m o s

de carbono:

C H ,

CH,

1 2 3 4 5 6

C H , —

CH — C —

C H 2 — C H 2 — C H ,

C H ,

C H ,

—Ramificaciones:

dos radicales

metilo d im e t i l )

en los

carbones

2 y

í

y

un radical etilo en el carbono 3.

—Nombre:

3 etil 2J dimetilhexano. (Cuando hay radicales diferen

tes se los nombra por orden

a lfabé t ico .

El

prefijo

di no se considera.)

C H ,

— C H - C H ,

CH,

Como

el radical

metilo

só lo

puede hallarse en el carbono 2 se deno

mina metil propa no y no 2-metilpropano. (Cuando hay una sola posi

bilidad

de

ub icac ión

del radical no es necesario precisar su

pos ic ión .)

En

resumen:

Las normas de nomenclatura de los alcanos ramificados son:

fl.t 1

ós alcanos

ramifica

ios

c s lú

Jc-adcna^priñcipál

y la las raj

i ; aiSrío.Vam.¡ ¡j^ilc^e.nomj

.: ::; :>).rr̂ s.'̂ níie-la ca.ii ña.p.r.;

El componente más

impor

tante de la nafta es el 2,2,4-

trimetilpentano ¡so-octano)

por

su poder antidetonante.

.•.Paraba


17/25

Importante

Al

nombre de los alcanos de

cadena

lineal

se suele ante

poner la letra n para diferen

ciarlos de los de cadena ramrfl

cada.

Ejemplo: n-propanc; n-butano;

n-pentano, etc.

El estudio de los alcanos es

fundamental

porque son la

base de las restantes

funcio-

nes orgánicas.

stén unidos a uno, dos. tres o cuatro átomos de carbono, respectivamen-

t-Analicemos el siguiente caso:

C H ,

CH,

C H

3

—

CH,

—

CH

— C —

CH,

-

CH,

a l i a t i v:

•

i

• t j qn i j? ? ó ̂ . - ¿ 7/ / f 2>mg/ / / ; 3 m>f /

Concepto de alcanos

De

acuerdo con lo que hemos

visto,

podemos establecer que los:

•

Hidrpe;u:^

..-.••.orgánicos c o n M i t u i d o s ¡x r c : : r m ; ; o : h i d r ó g e n o , c r Y l o s ' a n l c s ' i o s j

s unp l c s ) ' : :. .as

,'.

r ami f i c adas - . : ^ :

cc;S 'por; unione.ycovalente

¡ tims

• •

• •

) m p a r t é i r e ü n * ' p a n ^

.asj carbonadas i - s oi V s at uf a1 1 asV-. inealcs

'-'¡51; ? . ( J ¡ :

• . .

Grupo funcional

De acuerdo con las características de los alcanos, se puede conside

como

grupo

funcional

al siguiente grupo soporte:

I

—

C —C —

lases

de

átomos

de

carbono

de las cadenas

Los átomos

de carbono que forman las cadenas carbonadas se d i |

rencian en primarios, secundarios, terciari os y cuaternarios, seg"

C H ,

5*?a]«El átomo

de carbono

número

1

sólo está

unido al carbono

número

2;

* "el

número

6 al 5; el 7 al 3; el 8 al 4 y el 9

también

al 4. Todos estos

átomos de carbono (1,6.7,8 y 9), unidos a un sólo átomo de carbono,

« » | | se denominan primarios. (Se encuentran en los extremos de las

•Efe'' cadenas.)

átomo número 2 está unido al 1 y al 3, y el número 5, al 4 y al 6.

Como estos átomos (2 y 5) están unidos a dos átomos de carbono

vecinos,

se llaman secundarios.

fe El átomo número 3 está l igado a los átomos 2, 4 y 7, es decir, a tres

átomos de carbono

vecinos. Porlo tanto,

recibe el nombre de terciario.

P

(Se observa cuando hay una

ramificación.)

Kff

H átomo número 4 está unido a los átomos 3,5, 8 y 9, o sea, a cuatro

•Pernos

próximos. Entonces, se denomina cuaternario. (Eneste átomo

• hay dos ramificaciones.)

¡som rí de

los alcanos

Comparemos los siguientes alcanos:

a) n-butano:

H i

H — C

- C

H

H

órmul desarrollada

C 4 H ¡

órmul molecular

b) metilpropano

H C H 3

H

H — C — C — C — H

I I

H H H

órmul desarrollada

C4 H l0

órmul molecular

-C--C-

- C — C — C — C — c

—

c

—

-Primarios: 1,6,7,-8 y 9

-Secundarios: 2 y 5

-Terciarios: 3

-Cuaternarios: 4

Isomería

Del

griego:

¡sos:

igual

meros: partes


18/25

n-butano

metilpropano

.X

— j /

V

•Nurnti

_ ..

; 1

Atornos de C

dsonwos

4

5

3

6

5

7

9

8

18

9

35

Estos dos alcanos tienen la misma fó rmula molecular C

4

H

10

) per-

como presentan algunas propiedades distintas (punto de ebu l l ició

densidad, etcétera) , son sustancias diferentes. Esto se explica porque 1

forma de sus

m o l écu l a s

es distinta; en el butano la

cadena

carbonada

I

lineal, mientras que en el met i l propano es ramificada. Entonces, |

butano y el metilpropano son i só m er o s .

En general, se establece que:

I s ó m e r o s son sustancias que tienen la misma fó rmula molecular,

pero distinta fó rmula desarrollada o estructural.

En el

caso

de la fó rmula molecular C

5

H

p

son posibles tres isómero

CH

—

CH

- C H

2

- C H

2

-

n peníano

C H ,

CH,

C H ,

C H — C H — C H , — C H ,

2 inetilbutano

C H 3

—C — C H

3

C H ,

dimetilpropano

Como vemos, a medida que aumenta el número de á t o m o s de carbono,

se incrementa el número de isómeros. Así , con 6 á t o m o s de carbono háf

5 i só m er o s ; con 7 á t o m o s 9 i só m er o s ; con 8 á t o m o s 18 i só m er o s ; con

á t o m o s 35 i só m er o s ; con 12 á t o m o s 355 i só m er o s ; con 15 á t o m o s 4.347.

i sómeros.

Estos i só m er o s , que se diferencian por la

forma

de la cadena, sé

denominan

i s ó m e r o s de

cadena.

- Observaciones

En química orgánica existen gran cantidad de isómeros no sólo

de cadena sino de otros tipos que se estudiarán más adelante. Este

hecho

hace necesaria la utilización de las órmulas desarrolladas

y

semidesarrolladas

para

representar

los distintos compuestos

a in de evitar las confusiones que se presentan con las fórmulas

moleculares.

te

LCANOS

Objetivos:

Verificar propiedades f ís icas y q u í m i cas de ios aicanos.

Materiales:

Gas Oil.

Aceite

lubricante para automotores.

Agua

destilada.

Azúcar .

Sal de mesa NaCI).

Etanol (alcohol etílico)

Naftalina.

20 tubos de ensayo.

1 gradilla x 24 tubos.

3 c á p s u l a s de porcelana.

4 goteros,

fósfo ros.

1 cucharita.

Nafta

Querosene

Procedimiento:

Propiedades f í s i c a s :

a) Solubilidad y densidad con respecto al agua:

• En cuatro tubos de ensayo coloque aproximadamente 1 mi de

nafta,

querosene, gas oil y aceite lubricante, respectivamente.

• Agregue a cada uno de los tubos un volumen igual de agua, y

agite.

• Observe y anote los resultados en la Tabla A (más adelante).

b) Poder disolven te:

• En cuatro tubos de ensayo coloque una p e q u e ñ a muestra de

azú ca r , s a l - c id « n esa , alcohol y naftalina, respectivamente.

• Añada unos 3 mi de nafta.

• Observe la solubilidad de las cuatro sustancias y registre en la

Tabla A si son muy solubles, solubles, poco solubles o insolu-

bles.

• Repita la experiencia utilizando querosene, gas oil y aceite

lubricante,

respectivamente. En cada caso anote los resultados

en la Tabla A.

Propiedades q u í m i c a s :

a) Inflamabilidad:

• En tres c á p s u l a s de porcelana coloque 2 gotas de nafta,

querosene y gas oil, respectivamente.

• Ensaye su inflamabilidad, acercando un fósforo encendido.

• Registre los resultados en la Tabla A, con expresiones tales

como: muy inflamable, inflamable, poco inflamable.

Advertencia

Los

alcanos son combustibles

TRABAJE

CON

PRECAUCIÓN.

ca:

afta j gasoil

querosene Aceite lubricante

J i

azúcar alcohol |

salde naftalina

mesa

Resultados:


19/25

PROPIEDADES; ^

Densidad con respecto al agua

|

Solubilidad en agua

Poder

disolvente

sobre

Azúcar

i

3

|

Poder

disolvente

sobre

Sal común

Poder

disolvente

sobre

Etanol

Poder

disolvente

sobre

Naftalina

Inflamabilidad

i¡ -

• aiaj-rjakí^ yon

7-0

/ Vé

¿>¡

"oíros-ca'sos-•de'fuentes^énerqe:::•:

v >¿/Ñ•.

: v

;V.

,:

¡ue¡ias-:us:nas;a

costos

relativas

uniente reducid/

' " / a posibilidad-áenbtcncr e'ce: >v

auiiap.c:

- • ineanu

\

Gas natural

Metano:

80%

Etano:

13%

Propano:

3%

Butano: 1

Nitrógeno:

3%

Biogás

Cámara | Cámara de

de carga 11

descarga

aberturas

.•-•i ví

Cámara

l J- de

digestión

Biodigestor

La

materia

orgánica (estiércol,

paja,

hojas,

etc.) se descompone por la

acción de bacterias anaeróbicas,

produciendo biogás.

Estado

natural

de

los alcanos

En la

Naturaleza

se encuentran como

constituyentes principales

del

petróleo y el gas

natural.

También, en

menor

proporción, en los

gases

dejg

¡ |

los yacimientos de carbón y de los pantanos.

Por la descomposición

natural

de la

materia

orgánica se generan

hidrocarburos

gaseosos,

tales como el metano. En la actualidad, se

realizan algunas experiencias tendientes a lograr que ese proceso natural

sea aprovechable

como fuente

de energía, s egún se expone en el

siguiente

artículo:

/ /

/ V77..S

E ES ERWA ÍW

\ l

:FS

:

La-:.uuu¿ación,.uc.Jos/esiduoS'Orgíuucos icon-elljin de>

5:Cppibi(s(ihí('s:co •(••;

zfcalificáiVcohió n •c

mvzneit

na es?i lihió'aiteswi-, que

utiliza dest

-••

ch os a gilí ip.c cuarios ha-sjdo.Jn,-, ta

lado

éfv'.ún.

<

s

ra

'\

^campóideh'p^rtidn'üe'CJ:'::^ as'f-'p •> iniciare

a]

Je Ja

•'••Ciencia

-y'J#éc7i/c^

is

proa u cíe

-¡are;

•(PJtblicqcit

•:

vi áiári • I¿ Sacióme'..-' 12

Propiedades físicas

de los

alcanos

J

~ En general, los alcanos son incoloros e inodoros.

| El olor del gas natural se debe a compuestos que se agregan para poder

detectar

posibles

escapes.

Todos

los alcanos son insoluoles en agua, en razón de la escasa o nula

polarización de sus moléculas.

Son

solubles

en solventes orgánicos, tales

como

cloroformo, éter,

'alcohol

y benceno.

Dicha solubilidad

disminuye al

aumentar

la masa

molecular.

Son miscibles entre sí en todas las proporciones. Con respecto a su

|

estado

de agregación,

punto

de ebullición (p. eb.),

punto

de fusión (p.f.)

y densidad

(5), invitamos a

realizar

la

siguiente

actividad.

dé buen pbJcrca. •••/.

El discjioyia ebnsírJ

. citada :':ey)á'hr

r

:--a .../ /• -

BIOGAS

Mezcla combustible forma

da por

metano

(50-70 ) y

CO2(30-40 ), con

peque-

ñas

proDorcones

de O H

N

2

yHS.

~1

'.tós' álcañ os son.soíub es ep,

-solventes o r g á n i o s de£ |

~r*é^áTál^ü ,apo ári6 ráa3B


20/25

ACTIVIDAD

N°

B) Confeccione el gráfico de curva correspondiente a la masa molecular en relación con el número de

'

f

átomos de carbono de los diez primeros alcanos:

Objetivos:

Reconocer cómo varían los estados de agregación, puntos de ebullición, puntos de fusión y las*

densidades de los alcanos.

Establecer la relación entre dichas propiedades y el número de átomos de carbono de los alcano|

Confeccionar e interpretar

gráficos

de curva.

Procedimiento:

En

base

a la siguiente tabla:

Propiedades

físicas

de los alcanos

Número

de...;

3tomos de .

carbono ~Jy.

hz S Nombré

,. p e>j C .. .

¿Densidad .

HE^E

.c

1

metano

-162

-183

0,420

16 Hf

2

etano

-89 -172

0,450

30

5l

^

r ;

;

3

propano

-42,1

-188

0,501

4

butano -0,5

-135

0,519

5 pentano

36,1 -130

0,626

i

hexano

68,7

-95

0,659

8 6? a i

7 heptano

98,4

-91

0.634 m

6 octano

125,7 -57

0,703

9

nonano 150,8 -54

0,718

128 '

| | l

10

decano

174,1

-30

0,730

142 3|t

11

undecano

195,9 -26

0,740

156 | j l

12 dodecano 216,3 -10

0,749

170

13 tridecano

234,0

-6,2

0,760

8

i 1

14

tetradecano 252,0

5.5

0,765

198

15 pentadecano 270,6 10

0,769

21 2

:rr

|r

¡i

6

hexadecano 287,0

2

0,775

226 ¡¡I

0 icosano

342,7

37

0,786

282 ' : ^ | |

1)

Complete los espacios en blanco:

la temperatura ambiente:

Son

gases

los siguientes alcanos:

Se encuentran en

estado

líquido los que tienen entre y átomos de carbón

partir de átomos de carbono, son sólidos.


21/25

4

Confeccione el

gráfico

de curva correspondiente al punto de

ebullición

en

relación

con e

número

d]

átomos

de carbono, desde el pentano

hasta

el pentadecano:

¡2.7.1 Explicación

de algunas propiedades

físicas

En

general, el punto de

ebullición

de las sustancias aumenta con el

incremento de

lá~masa

molecular y la

polarización

de. sus

moléculas.

Cuanto"mayor"esjTtemaflp, hay más superficie de contacto entre dos

moléculas

y las fuerzas de

atracción intemioleculares

(fuerzas de Van-

der Waals)

adquiereñhTásTñtensidad.Estoes lo que

sucede en los alcanos.

Cuando se trata de

isómeros

de un alcano, como

por ejemplo,

pentano

(CjH,

7

)

y dimetilpropano

(C.H,.).

que tienen

igual

masa molecular (74)

pero la

forma

de sus

moléculas

es diferente,

Anote

su

interpretación:.

5)

Confeccione un

gráfico

de curva que relacione el

número

de

átomos

de carbono con la densidad de

los

cinco primeros alcanos:

C H

C H

H3C

Pentano

CH

Dimetilpropano

H

el punto de

ebullición

es

inferior

en la

forma ramificada

(36 °C en

pentano y 9 °C en el

dimetilpropano).

Anote su interpretación

Se ha comprobado que d punto

de^ujlicjónjejosjjcanos

alcanza

el valor

m ás bajo en el

isómero

más

ramificado.

La causa de

este

comportamiento

se atribuye al hecho de que los alcanos lineales tienen

|

sus

moléculas más

extendidas

y,

entonces, presentan mayor superficie de

contacto entre sí. Por el contrario, cuando lajn^léan^ejjaniificaa^^

superficie

de contacto

cwfotfalííolécula

es menor

y

consecuentemente,

hierve a una temperatura

inferior.

En

el estado

sólido,

las atracciones intermoleculares

también

son

mayores cuanto mayores el tamaño y la polarización de las moléculas y.

por lo

tanto, requieren

más energía calórica

para

pasar

al

estado líquido.

Entonces, el punto de

fusión

de los alcanos aumenta con el incremento

del número de átomos de carbono que

forman

las moléculas porque el

tamaño molecular

es

mayor.

En cuanto a la densidad

(masa/volumen),

se

debe tener en cuenta que, al ser más intensas las atracciones entre las

moléculas, el volumen experimenta una leve contracción. Esta es la

causa

por la cual en los alcanos, la densidad aumenta al incrementarse el

húmero

de

átomos

de carbono, porque las fuerzas de Van der Waals se

manifiestan

con mayor intensidad.

Resumiendo: \

Responda: ¿Cómo es la densidad de los alcanos con respecto a la del agua

Las propiedades físicas de los alcanos dependen principal

mente del

tamaño

y la

forma

de sus

moléculas,

porque ellos

influyen

en la intensidad con que se manifiestan las fuerzas de

Van

der Waals.

En los alcanos lineales, la

superficie de contacto entre las

m o l é c u l a s

depende de sus

t a m a ñ o s

MSÓM Rf

p é

68

C: stilpentano',

'peh 63 3

.0;

Sp.et>:.60,3C

3-dimetilbutahc

cb ¡

58

C

En los alcanos ramificados las

m o l é c u l a s

tienen menos superfi-

cie de contacto que en os alcanos

lineales.

0 ropiedades químicas

Comienzo

de la reacción:


22/25

Parafina

Del latín = parum

affinis

que tiene poca

afinidad).

Reacciones de

sust itución

Son aquellas en que un áto

mo o grupo de

átomos

de

una

molécula

es

sustituido

por

otro

átomo

o grupo

ató

mico

diferente.

ALCANO

HALOGENO

HALOGENURO

DE

ALQUILO

La halogenación de un acano

es u«a. reacci ón de sustrtu-

de los alcanos

Los

alcanos presentan poca

reactividad química

porque son compues'

tos estables. Esta característica justifica la denominación de parafín

que también se utiliza para designar a los alcanos. ~~ —

A la temperatura ambiente no reaccionan con los ácidos sulfúrico"

nítrico"y clorhídrico.

Tampoco

éxpcriméñTañ cám bicjj ünmc ós

con

¡

hídróxidos de sodio o potasio, y es muy difícil que lo hagan con oxidante

fuertes como el pennanganato de potasio.

La_estabilidad

de los alcanos se

debe

a que los

enlaces

carborr

carfjóno (C-C) y carbono-hidrógeno (C- H) no.están polarizados poxqu

las diferencias de electronegatividad son nulas o

pequeñas.

Sin embargo, en condiciones apropiadas,,los alcanos sufren cambio

en los que los

átomos

de

hidrógeno

son reemj)lay.ados por

átomo,

diferentesoporgrupos atómicos. Dichas transformaciones se denomin-

reacciones de sustitución.

2 8 1

Halogenación

Los

hidrocarburos saturados reaccionan con los

halógenos

F, Q

.-B,

I) originando compuestos de sustitución, denominados halogenuros dé

alquilo.

En c caso del metano, éste puede reaccionar con el cloro, fonnand

clorometano:

íi

H —C H + C 1

2

-

H

H

-> HC1 + H —

c

—

ci

H

(CH 3C1)

clorometano o cloruro de metilo

Esta reacción se produce muy lentamente en la oscuridad, pero

rápidamente

en presencia de luz solar, por lo cual se denomina

reacción

fotoquímica.

Es una

reacción

de

sustitución,

porque se sustituye un

átomo

de

hidrógeno por otro de cloro.

Mecanismo de la reacción

La cloración

del metano es una

reacción fotoquímica

que se produc

en tres etapas:

La

luz. al

incidir

sobre las

moléculas

de

cloro, inicia

una

reacción

en

cadena.

Cada

molécula

de

cloro,

al absorber un

fotón,

se transforma en dos

átomos de cloro activados, también llamados radicales libres, por tener

un electrón desapareado:

. . ..

(Luz solar)

a : a : >

ci • a •

Cada uno de los

átomos

de

cloro

queda rodeado por sus siete electro

nes, por lo cual se ha producido una ru ptu ra

homolítica.

En

adelante, para representar los

átomos

de

cloro

activados

sólo

se

representará el electrón desapareado (CP).

b) Propagación o desarrollo de la reacción:

Un átomo

de cloro activado choca con una

molécula

de metano y

rompe una de las uniones C — H . Entonces se forma una molécula de

cloruro de hidrógeno (HC1) y queda un radical

metilo

(CH,—) libre:

H

H :

C

:

H

+a

H

ii

H :

C

H

H

El radical

metilo

libre es muy reactivo y al chocar con otra molécula

de

cloro, origina

c'oruro de

metilo

y cloro activado:

CH]+C1 2

-> CH,C1 + C1

c) Final de la reacción:

La reacción finaliza

cuando se agotan los reactivos o desaparecen los

radicales libre por unirse entre sí:

C l- +

Cl- ->

Q ,

(molécula

de

cloro)

CrT,+ CH ; > CH , — CH,(etano)

•

Por cloración del metano también pueden formarse los siguientes

compuestos:

a)

H

H - C

H

H

+ 2 CL

->

2

HC1

+ H

Cl

C-

l

ci C H c y

diclorometano o cloruro de metileno

Fotón

Corpúsculo

que

contiene

una

cantidad

discreta de

energía)

que forma la luz.

V

Radicad

í ibr*

Átomo o grupo atómico con

electrones desapareadci.

Radical

metilo

f

"V

¿ a

Iv1d̂ 3i6re

radicales

metilo s-.rf

- : yV - . r M0'|.s).

A

b)

Cl

. .

Lo s

alcanos arden en presencia de

o x í g en o ,

produciendo

dióx ido

de


23/25

E n e r g í a de

enlace

E n e r g í a que se

libera cuando

s e

rompe

un enlace.

E c u a c i ó n

general de

h a l o g e n a c i ó n

R- H + X, -> HX + R—X

R - H = alcano

X2 = h a l ó g e n o

HX = hidruro de h a l ó g e n o

R—X = halogenuro de alquilo

H —C — H + 3 C l ,

H

H

->

3 H C1 + H — C — G (CHC1,)

.

Cl

triclorometano cloroformo

C l

H

— C — H

+ 4 C 12 >4HC1

+

C 1

— C — Cl (CQ

4

)

C l

letraclorometo.no

o

tetracloru.ro de carbono

B

En el etano, la

sust i tución

de un

á t o m o

de

h i d r ó g en o

por otro de

cloro,

da lugar a la

formación

de un solo derivado monoclorado:

C H j — C H j + O,

-> HC1

+ CH,

CH2C1

clorometano cloruro de

etilo

propano , al reaccionar con el

cloro,

forma dos

i só m er o s :

C H 3

—

C H ,

—

C H3

+

C l,

>

H C1

+

C H

—

C H2 — CH ,C1 (48 ) '

l- cloropropano

C H 3

— CHQ — CH,(52%)

2 -

cloropropano

En el propano, la en er g í a que se libera cuando se rompe un enlace

C — H ,

en un carbono

primario,

es de 101

kcal /mol:

H

C H 3 — C H 2 — C H 2 -

-> CH

3

— CH

2

— CH, + H

- ruptura

homolíüca

mientras que en un carbono secundario es de 95

kcal /mol:

H

C H , — C H — . C H , -

-> CH, — CH — CH

}

+ H •

ruptura

homolítica

Como

se

forma

más

fáci lmen te

un radical cuanto menos

en er g í a

se

libera

al romperse un enlace, se produce una cantidad un poco mayor de

2-cloropropano (52%) que de 1-cloropropano (48 ) .

En los alcanos, la sust i tución de un át o m o de h i d r ó g en o por otro de

h a l ó g en o

es

más ráp ida

en un carbono

terciario

que en uno secundario y

en

éste

que en uno

primario.

carbono y agua^ y desprendiendo importantes cantidades de calor que

permiten su uti l ización como combustibles. Así, por ejemplo:

C H 4 +

2 0

2

> C0

2

+ 2 H

2

0 + 212

kcal/mol

metano

C 2 H s +

3.5 0

2

-

etano

-> 2

CO, + 3 H,0 + 368.4

kcal/mol

La cant idad de calor que se desprende al quemarse completamente un

mo l

de

m o l écu l a s

de una sustancia, se denomina calor de

co m b u s t i ó n .

A s í ,

al quemar 16 g de metano

(1

mol) se desprenden 212

kcal.

En

la

co m b u s t i ó n

de los alcanos, el aumento de un grupo —

C H , —

(metileno)

produce un incremento del calor de

co m b u s t i ó n

de 158

kcal/

mol.

Cuando la

co m b u s t i ó n

es incompleta, por

escasez

de

o x í g en o ,

los

alcanos producen

m o n ó x i d o

de carbono (gas

tóx ico )

y carbono

libre

(ho l l ín ) . Así , en el caso del metano:

->

2 H,0 + CO

( m o n ó x i d o

de carbono)

H . +

1.5 O,

C H 4

+ 0

2

> 2 H

2

0 + C

hollín)

En

las combustiones incompletas no se libera todo el calor posible

como

sucede

en las combustiones completas .

2.8.3 Isomerización

Un

alcano normal puede ser transfonnado en un

i só m er o

ramificado

del

mismo. Es un proceso lento y reversible . Se realiza en presencia de

catalizadores

( A l ,

0

3

,

HC1),

a temperaturas relativamente bajas (entre 80

y

120 °C) y a una presión de 3.039 kPa.

En

el

caso

del n-butano:

C H 3 — C H , — C H 2 —

CH

3

< Z ±

CH

— CH CH

3

n-butano

C H ,

metilpropano o isobutano

El

proceso de

i so m er i zac i ó n

tiene gran

importancia desde

el punto de

vista industrial, pues

permite mejorarlaef icac iacle las naftas al transfor

mar los alcanos lineales en ramific ados.

Calor cíe ,•

. c ó m b u s t 3i

Metano

212,0

Etano

368,4

Propano

526,3

Butano 684.0

Pentano

838,3

G a s g r i s ú

Mezcla de aire con 6 de

metano (muy

explosiva)

que suele

formarse

en las

minas

de c a r b ó n .

I S O M E R I Z A C I Ó N

Alcano

normal

Alcano

ramificado

i

r» CH

:

CH,+ CH

4


24/25

ALCANO

+

CALOR

DESINTEGRACIÓN

SINTESIS

CR CKING DE UN

OCT NO

2 2 3 3 tetrametil pentano

2.8.4 ¿Qué es pirólisis o cracking?

Cuando los alcanos son sometidos a temperaturas entre 500 y 800 ¡ 5

en ausencia de oxígeno, se rompen las cadenas carbonadas, formánd

alcanos y alquenos de menor masa molecular e

hidrógeno.

Este proc

se denomina pirólisis o cracking.

En

el

caso

del etano, el mecanismo de la

reacción

es el siguient

a) Comienzo de la

reacción:

E l etano sometido a una temperatura de 500 °C experimenta u

ruptura

homolítica,

originando dos radicales libres

metilo:

(500 °C)

C H 3 —C H 3 >2 CH (meti lo)

b) Propagación

de la

reacción:

Los radicales

metilo

reaccionan con otra molécula de etano, forman

metano y radicales libres

etilo:

C H j + C H

3

— C H

3

> C H

4

+ C H

3 — CHJ

(e t i l °)

'

Los

radicales

etilo

son de corta

vida libre, transformándose

en efe

e hidrógeno activado:

CH CHV

->

CH =

CH ,

+ H*

eteno etileno

Los átomos de hidrógeno activados reaccionan con otra moléculü'rJ

etano, produciendo un radical

etilo

y una

molécula

de

hidrógeno:

CH — C H* + H

->

CH3 — C H2 +Hj

c) Final de la reacción:

La reacción continúa en cadena hasta que se agota el etano o

radicales libres se unan entre sí. fonnando butano e

hidrógeno:

C H

3 - CH

2

+ CH

módulo quimica nacional parte 1

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