[química 2º bachillerato] ejercicios + soluciones: fundamentos de la química del carbono

18/Fundamentos de la química del carbono

Fundamentos de la químicadel carbono 8

Química

Ordena los compuestos que se relacionan a continuación según sus puntos de ebullición crecientes, justificandola respuesta con arreglo a los diferentes tipos e intensidad de las fuerzas intermoleculares que se presentan encada caso:

a) Butano. c) 1-Butanol.

b) Pentano. d) Butanal.

El pentano y el butano son moléculas no polares, con enlaces también prácticamente apolares queno presentan más atracción intermolecular que la derivada de las fuerzas de Van der Waals. Seránlos compuestos con un punto de ebullición más bajo, algo mayor en el pentano debido a que sumasa molecular es mayor que la del butano.

A continuación se sitúa el butanal, pues su enlace CuO está fuertemente polarizado debido a ladiferencia notable de electronegatividades entre ambos átomos. Esta polarización facilita la inter-acción dipolo-dipolo de modo permanente.

Finalmente, el punto de ebullición mayor debe adjudicarse al 1-butanol, pues la presencia delgrupo UOH permite la existencia de enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas. Estosenlaces son más fuertes que los anteriores y, en consecuencia, el compuesto será menos volátil.

a) Define los conceptos de intermedio de reacción, reactivo nucleófilo y reactivo electrófilo.

b) Indica la estructura de los principales tipos de intermedios en química orgánica y especifica el carácter nucleó -filo o electrófilo de cada uno de ellos.

a) • Los intermedios de reacción son aquellas especies químicas procedentes de la ruptura de enla-ces que tienen un cierto tiempo de vida antes de transformarse en los productos definitivos dela reacción.

• Un reactivo nucleófilo es aquel que presenta pares de electrones no compartidos (base deLewis) y que ataca las zonas de baja densidad electrónica de los reactivos sustratos.

• Un reactivo electrófilo es aquel que presenta deficiencia de electrones o gran afinidad porellos, al poseer orbitales vacíos (ácido de Lewis), y que ataca las zonas de elevada densidadelectrónica de los reactivos sustratos.

b) Los intermedios de reacción pueden provenir de rupturas homolíticas (y se tratará de radicales)o heterolíticas (y serán carbocationes o carbaniones que tendrán carácter electrófilo o nucleófi-lo, respectivamente). (Véase la página 309 del libro del alumno.)

Explica los diversos tipos de enlace del átomo de carbono.

Se mencionarán los enlaces simples, dobles y triples del átomo de carbono, en función de la hibri-dación que presenta en cada caso (sp3, sp2 y sp). Se indicará la geometría implicada en cada caso yla posibilidad de que existan isómeros. En el caso de los dobles enlaces, se comentarán los sistemasde enlaces deslocalizados, como el benceno y otros compuestos aromáticos. Además de los ejem-plos de alcanos, alquenos y alquinos, se citarán también los dobles y triples enlaces que los átomosde carbono pueden establecer con otros átomos como los de oxígeno, azufre o nitrógeno. (Véan-se las páginas 285-286 del libro del alumno.)

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Química

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Formula y nombra los isómeros que posean fórmula empírica C4H10O e indica el tipo de isomería al que pertenecen.

• Los posibles isómeros y sus nombres son:

A: CH3UCH2UCH2UCH2OH, 1-butanol E: CH3UOUCH2UCH2UCH3, metil-propil éter

B: CH3UCH2UCHOHUCH3, 2-butanol F: CH3UCH2UOUCH2UCH3, dietil éter

C: CH3UCH(CH3)UCH2OH, meti l-1-propanol G: CH3UOUCH(CH3)UCH3, metil-isopropil éter

D: CH3UCOH(CH3)UCH3, metil-2-propanol

• A y B son isómeros de posición; A y C, de cadena; A y E, de función. B (2-butanol) tiene isóme-ros ópticos (R-S) debido al carbono asimétrico.

Para los cinco siguientes compuestos:

CH3UCH2UCOOH

CH3UCH2UCH(NH2)UCH2UCH3

CH3UCH(NH2)UCH2UCH3

CH3UCHOHUCH3

CH3UCHOHUCH2UCH3

a) Explica si presentan isomería óptica.

b) Dibuja las estructuras de los correspondientes isómeros.

a) Presentarán isomería óptica aquellos que tengan un carbono asimétrico, es decir, con cuatro sus-tituyentes distintos. En este caso se encuentran:

CH3UCH(NH2)UCH2UCH3 CH3UCHOHUCH2UCH3

2-Butilamina 2-Butanol

b) La representación convencional de sus isómeros R-S es:

Indica la fórmula molecular y qué grupo o grupos funcionales presenta cada uno de los siguientes compuestos:

a) CH3UCOOH

b) CH3UCOUCH3

c) CH3UCH2UCl

d) CH3UCHOHUCH3

4

6

2-(R)-Butilamina 2-(S)-Butilamina

H2C CH—

NHH3C H

C—

—

H2C CH—

HH3C NH2

C—

—

2-(R)-Butanol 2-(S)-Butanol

H2C CH3—

OHH3C H

C—

—

H2C—CH3

HH3C OH

C—

—

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H2C CH3—

OHH3C H

C—

—

H2C CH3—

HH3C OH

C—

—



Química


e) CH3UCHOHUCOOH f) CH3UCHOHUCHO

a) C2H4O2, ácido. d) C3H8O, alcohol.

b) C3H6O, cetona. e) C3H6O3, ácido y alcohol.

c) C2H5Cl, halogenuro. f) C3H6O2, aldehído y alcohol.

Formula y nombra todas las aminas primarias que tengan un radical alquílico saturado de cuatro átomos de carbo-no. Indica razonadamente los tipos de isomería que se pueden dar.

• A: CH3UCH2UCH2UCH2UNH2, n-butilamina.

B: CH3UCHNH2UCH2UCH3, 2-butilamina.

C: CH3UCH(CH3)UCH2UNH2, isobutilamina.

• A y B son isómeros de posición. A y C, lo mismo que B y C, son isómeros de cadena. La 2-butilaminapresenta isomería óptica en el carbono 2. La representación convencional de sus isómeros RUS es:

Representa mediante un diagrama de solapamiento de orbitales la estructura del etanal, sabiendo que los ángulosde enlace en torno al carbono C(1) son de 120°y los de C(2) son de 109°, aproximadamente. Justifica cuál será elcentro de ataque preferido por un reactivo electrófilo y cuál por un nucleófilo.

El C(1) y el O presentan una hibridación sp2 que reserva un orbital p para formar un enlace n entreellos. El C(2) presenta hibridación sp3. Se forman enlaces σ entre los H y los C y otro enlace σ entreel C(1) y el O.

El grupo carbonilo presenta una polarización neta por la diferencia de electronegatividades entreel C y el O:

δ+uU

CuuO δ−

Esto hace que el C(1) sea un objetivo para reactivos nucleófilos y, en cambio, el O para reactivoselectrófilos.

Explica el concepto general de isomería y sus tipos. Pon algunos ejemplos.

Se dice que dos compuestos son isómeros cuando presentan la misma fórmula empírica y difierenen alguna de sus fórmulas estructurales. Se puede distinguir entre isomerías estructurales y estereo -isomerías.

� Entre las isomerías estructurales se cuentan:

• La isomería de cadena como la que presentan el hexano y el 2,3-dimetilbutano:

CH3UCH2UCH2UCH2UCH2UCH3 CH3UCHUCHUCH3Hexano h h

CH3 CH32,3-Dimetilbutano

• La isomería de función, ejemplos de la cual son el etanol y el dimetil éter:

CH3UCH2OH CH3UOUCH3

Etanol Dimetil éter

• La isomería de posición, como la del butanol:

CH3UCH2UCH2UCH2OH CH3UCH2UCHOHUCH3

1-Butanol 2-Butanol

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8

2-(R)-Butilamina 2-(S)-Butilamina

C

H2C—CH3

H3CH

NH2

—

—C

H2C—CH3

H3CH

NH2

—

—

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Química

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� Entre las estereoisomerías, se distinguen:

• La isomería óptica, como la del 2-butanol:

• La isomería cis−trans, o geométrica, como la del 1,2-dicloroeteno:

(Véanse las páginas 292-298 del libro del alumno.)

¿Qué ataque sufrirá más fácilmente un alqueno, el de un reactivo nucleófilo o el de un reactivo electrófilo? Justifi-ca la respuesta mediante un ejemplo.

Un alqueno posee como centro más reactivo su doble enlace CuC. Este enlace es una zona de ele-vada densidad electrónica y los electrones que forman el enlace π están, además, situados en elexterior del espacio internuc lear. Por tanto, los alquenos sufren más fácilmente el ataque de un reactivo electrófilo. Por ejemplo, en el ataque de un ácido hidrácido como el ácido clorhídrico,primero se produce el ataque electrófilo del ion H+ sobre el doble enlace y, posteriormente, el ata-que del ion nucleófilo sobre el catión formado:

CH2uCH2 + HB BCH2UCH3BCH2UCH3 + Brv CH2BrUCH3

(Véanse las páginas 307 y 308 del libro del alumno.)

¿Qué se entiende por isomería cis-trans? Formula los isómeros cis y trans del 2-buteno.

La isomería cis-trans consiste en la existencia de dos moléculas distintas debido solo a la posiciónrelativa de dos de sus átomos o grupos de átomos. La existencia de dos isómeros es típica de losdobles enlaces pero también la presentan los compuestos cíclicos que impiden la libre rotación delos enlaces. Se designa como cis el isómero que posee los dos átomos o grupos iguales en el mismolado del plano perpendicular al que contiene los átomos en cuestión y aquellos a los que están uni-dos directamente. Se designa como trans aquel isómero en el cual los dos átomos o grupos igua-les están en el lado contrario (véase la página 296 del libro de alumno). En el caso del 2-buteno:

Formula los siguientes compuestos:

a) 1-Hidroxibutanona. b) Ácido 3-metilpentanoico. c) 1,2-Dicloroeteno. d) Propanoato de etilo. e) Fenilpropanal. f) Ciclobutilamina. Si alguno de los compuestos formulados presenta isomería geométrica, indica cuál es y formula y nombra los isó-meros correspondientes.

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cis-2-Buteno trans-2-Buteno

C C——— —— ——

CH3H3C

HHC C— —— —— ——

H3C

CH3H

H

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cis-1,2-Dicloroeteno trans-1,2-Dicloroeteno

C C——— —— ——

ClCl

HHC C—

—— —— ——

Cl

ClH

H


H C—CH2 3

HOH

C—

—

H C—CH2 3

OHH C3 H C3H

C—

—



Química


a) CH3UCH2UCOUCH2UOH b) CH3UCH2UCHUCH2UCOOHhCH3

c) CHCluCHCl e)

d) CH3UCH2UCOOUCH2UCH3 f)

El 1,2-dicloroeteno presenta dos isómeros geométricos:

Formula o nombra, según corresponda, los siguientes compuestos orgánicos:

a) 1-Buten-3-ino. b) 3-Metil-1-butanol. c) CH3UCH2UCH(CH3)UCH2UCHO d) NH2UCH2UCH2UCH3

e) CH3UCOOUCH2UCH3

¿Qué productos se obtienen en la deshidratación de los alcoholes? Pon tres ejemplos.

a) CH2uCHUCICH c) 3-Metilpentanal e) Etanoato de etilo

b) CH3UCHUCH2UCH2OH d) 1-PropilaminahCH3

La deshidratación de los alcoholes produce alquenos cuando se emplea un deshidratante potentecomo el ácido sulfúrico y se efectúa la reacción a elevada temperatura:

Pero si la reacción se realiza a temperatura suave (menor de 150 °C) la deshidratación es intermo-lecular y se producen éteres (véase la página 314 del libro del alumno):

CH3UCH2OH CH3UCH2UOUCH2UCH3

Explica cuál de los siguientes carbocationes presenta mayor estabilidad y propón una posible reacción en la queintervenga alguno de ellos:

a) CH3UCH2UCB

H2

b) CH3UCB

HUCH3

c) (CH3)3CB

a) Los carbocationes terciarios son más estables que los secundarios, estos más que los primarios yestos más que el del metilo. Ello se debe al efecto inductivo positivo I+ de los grupos alquilo uni-dos al carbocatión. Así, en este caso, el orden de estabilidad será:

CH3UCH2UB

CH2 < CH3UB

CHUCH3 < (CH3)3

B

C

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H2SO4H3C—C—OH

——

CH3

CH3

H2C C—

—

—

CH3

CH3

—— CH3—CH2OH CH2 CH2———H2SO4

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C C——— —— ——

ClCl

HHC C—

—— —— ——

Cl

ClH

H


H2SO4, 140 °C

—CH2—CH2—CHO

H2C CH—NH2

CH2

CH2

— —— —


Química

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b) Los carbocationes aparecen como intermedios en las reacciones en las que se producen roturasheterolíticas de los enlaces. Por ejemplo, en el ataque electrófilo de HBr a propeno:

CH3UCHuCH2 + HB CH3UB

CHUCH3

CH3UB

CHUCH3 + Brv CH3UCHBrUCH3

(Véase la página 307 del libro del alumno.)

a) ¿Qué entiendes por isomería? ¿Qué tipos de isomería conoces? Para cada tipo utiliza un ejemplo que lo clarifique. b) Escribe las fórmulas estructurales de todos los isómeros de C4H9Cl y nombra los compuestos que formules.

a) Veáse el ejercicio 53, así como las páginas 292-298 del libro del alumno.

b) C4H9Cl corresponde a la fórmula de un butano monoclorosustituido. Los posibles isómeros decadena de C4H9Cl son:

CH2ClUCH2UCH2UCH3 CH3UCHClUCH2UCH3

1-Clorobutano 2-Clorobutano

CH3UCHUCH2Cl CH3UCClUCH3h hCH3 CH3

1-Cloro-2-metilpropano 2-Cloro-2-metilpropano

Además, el 2-clorobutano posee un C asimétrico, con lo cual presenta dos isómeros ópticos:

Define y pon un ejemplo de las siguientes reacciones: a) Reacción de adición. b) Reacción de sustitución.

a) Una reacción de adición es aquella en la que los átomos de un reactivo se unen a los de otroreactivo sin que se produzca pérdida o eliminación de cualquier otro átomo o grupo de áto-mos. Son típicas de los dobles y triples enlaces (véase la página 313 del libro del alumno). Porejemplo:

CH3UCHuCH2 + HBr CH3UCHBrUCH3

b) Las reacciones de sustitución son aquellas en las que algunos átomos del reactivo sustrato sonsustituidos por otros del reactivo atacante. Son típicas de los compuestos aromáticos (véase lapágina 310 del libro del alumno). Por ejemplo:

El etanol y el dimetil éter son isómeros estructurales: a) ¿Qué isomería presentan? b) Escribe sus fórmulas. c) Compara sus puntos de ebullición y solubilidad en agua. Justifica las respuestas.

a) Presentan isomería de función. Su fórmula empírica es la misma, C2H6O, pero el etanol es unalcohol y el dimetil éter es un éter, como su nombre indica.

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+ Cl2 + HCl

Cl—

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2-(R)-Clorobutano 2-(S)-Clorobutano

H2C CH3— H2C CH3—

H3CH

ClC

—

—

H3CH

Cl

C

—

—

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Química


b) • Etanol: CH3UCH2OH (alcohol). • Dimetil éter: CH3UOUCH3 (éter).

c) El etanol presenta entre sus moléculas enlaces por puentes de hidrógeno que son mucho más fuer-tes que las fuerzas de Van der Waals, las únicas que existen entre las moléculas de dimetil éter. Estocondiciona que el etanol sea un líquido menos volátil que el dimetil éter y tenga un punto de ebu-llición más elevado (Te = +78,4 °C) que este, que es un gas a temperatura ambiente (Te = −23,7 °C).El etanol también puede establecer enlaces por puentes de hidrógeno con las moléculas de aguaen el caso de que ambas sustancias se mezclen, de modo que la solubilidad en agua será elevada(de hecho, son miscibles en cualquier proporción) mientras que el dimetil éter será una sustanciaapolar soluble en agua, pero menos, gracias a que su oxígeno también puede formar enlaces porpuentes de hidrógeno con los hidrógenos del agua y a que sus grupos alquilo no son demasiadovoluminosos. Para éteres superiores, la solubilidad disminuye drásticamente.

a) Representa mediante un diagrama de Lewis la molécula de eteno y describe su geometría. b) ¿Tiene isómeros el eteno?; ¿y el 1,2-dicloroeteno?; ¿por qué?

Los números atómicos del H y del C son 1 y 6, respectivamente.

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C C— —— —— ——H

H

H

HC C—

H

H

H

H

La molécula es plana con los enlaces de cada C formando ángulos de60°. Esta geometría se explica a partir de la hibridación sp2 que pre-sentan los átomos de C. (Véase la página 282 del libro del alumno.)

a)

b) El eteno no posee isómeros porque los cuatro sustituyentes de los C son iguales, pero el 1,2-di-cloroeteno sí presenta dos isómeros:

Escribe las fórmulas desarrolladas e indica el tipo de isomería que presentan entre sí las siguientes parejas de pro-ductos químicos.

a) Propanal y propanona.b) 1-buteno y 2-buteno.c) 2,3-dimetilbutano y 3-metilpentano.d) Etil metil éter y 1-propanol.

a) Isomería de función:

b) Isomería de posición:

c) Isomería de cadena:

d) Isomería de función:

HO—CH2—CH2—CH3

1-propanol

H3C—CH2—O—CH3

etil metil éter

H3C—CH—CH—CH3

2,3-dimetilbutano

H3C—CH2—CH—CH2—CH3

3-metilpentano

— —CH3 CH3

—CH3

H2C——CH—CH2—CH31-buteno

H3C—CH——CH—CH32-buteno

———H3C—CH2—C

O

Hpropanal

——

H3C—C—CH2

O

propanona

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C C— —— —— ——Cl ClCl

H HHC C— —— —— ——

Cl

H


Química

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a) Formula los siguientes compuestos orgánicos: 2-propanol; 2-metil-1-buteno; ácido butanoico; N-metil etilamina.

b) Nombra los siguientes compuestos orgánicos: I) CHOUCH2UCH2UCH3

II) CH3UCH2UCOOUCH3

c) Escribe la reacción de obtención de II) e indica de qué tipo de reacción se trata.

a)

b) I) CHOUCH2UCH2UCH3 Butanal

II) CH3UCH2UCOOUCH3 Propanoato de metilo

c) CH3UCH2UCOOH + CH3OH CH3UCH2UCOOUCH3 + H2OÁcido propanoico Metanol Propanoato de metilo Agua

Se trata de una reacción de esterificación que es un caso de reacción de sustitución.

Formula y nombra dos compuestos orgánicos cuya fórmula molecular sea C3H6O2.

Los hidrocarburos de cadena ramificada producen en los motores de combustión menos detonación que los com-puestos de cadena lineal. Por eso, el 2,2-dimetilbutano tiene un octanaje mayor que el n-hexano (hexano lineal).Formula estos dos compuestos y señala el tipo de isomería que presentan.

H3C—C—CH3

2,2-dimetilbutano

—

—

CH3

CH3

H3C—CH2—CH2—CH2—CH3

n-hexano

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propen-1,3-diol

C——C ————

CH2 —OH

HHO

H

2-hidroxietenil, metil éter

C——C ————

OH

HH

H3C—O

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H3C—CH—CH3

2-propanol

—OH

H2C—C—CH2 —CH3—

2-metil-1-buteno

—CH3

ácido butanoico

H3C—CH2 —NH—CH3

N-metil etilamina

H3C—CH2 —CH2 —C ———O

H

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