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TEMA 9 ELECTROQUMICA

9.1. Celdas electroqumicas La disposicin de un agente oxidante y un agente reductor de modo tal que slo puedan reaccionar si los electrones fluyen por un conductor externo da lugar a una celda electroqumica tambin llamada celda voltaica o galvnica o en trminos comunes una batera. 9.2. Celdas voltaicas o galvnicas Las celda galvnicas incluyen las cmodas fuentes porttiles de energa que llamamos bateras. Las bateras son celdas que sirven como fuentes porttiles de electricidad. Una batera se compone de una o ms celdas galvnicas. Las de linternas comunes, consisten de una sola celda mientras que las de automvil contienen varias celdas. Clasificacin: Batera primaria. Las reacciones electroqumicas no pueden revertirse fcilmente, as que cuando los reactivos se han consumido la batera est muerta y debe desecharse. Ejemplo: pila seca, batera de litio, batera alcalina. Batera secundaria, Acumulador recargable. Utiliza una reaccin electroqumica que se puede revertir y la batera puede recargarse. Ejemplo: batera de automvil, batera Nquel-cadmio (Ni-Cd). En una celda galvnica la energa qumica de las reacciones de xido-reduccin es convertida en energa elctrica. Para que se genere corriente elctrica, los agentes oxidantes y los reductores no deben estar en contacto. Por eso, una celda est dividida en dos compartimientos el contacto entre ambas semiceldas es por un puente salino. En cada compartimiento se coloca una solucin acuosa del agente oxidante o del reductor. En la solucin se introducen los electrodos apropiados Zn y Cu metlico. Los electrodos se unen mediante un conductor externo por el cual se efecta la transferencia de electrones. Si se coloca una tira de Zn metlico en una solucin de sulfato de cobre, el Zn metlico se recubre de Cu metlico. Se trata de una reaccin redox espontnea, los iones Cu2+ provenientes del CuSO4, oxidan al Zn metlico a iones Zn2+. Zn(s) + CuSO4(ac) ZnSO4(ac) + Cu(s) Aunque la reaccin es espontnea, la simple colocacin de una tira de Zn metlico en una solucin de CuSO4 no produce corriente elctrica til. Sin embargo, si se lleva a cabo en una celda galvnica una corriente elctrica fluye por el alambre que conecta a los dos electrodos metlicos. Lo que se hace es separar las reacciones de oxidacin y de reduccin y obligar a los electrones a que fluyan por el conductor y de paso que realicen un trabajo: Zn2+

Zn2+ + 2e-

oxidacin

Cu +2e- Cu reduccin ----------------------------------------------Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

En esta celda se coloca un electrodo de Zn sumergido en una solucin de ZnSO4 lo que constituye una media celda, en el otro lado se coloca un electrodo de Cu sumergido en una solucin de CuSO4, que la otra media celda; ambas medias celdas forman la celda galvnica. Estas dos medias celdas estn unidas mediante un puente salino. 9.3. Pila seca o pila de Leclanch La celda seca ms comn, es decir, una celda que no tiene un fluido en sus componentes, es la celda de Leclanch que se utiliza en las lmparas porttiles y en los radios de transistores. El nodo de la celda consta de una lata o contenedor de zinc que est en contacto con dixido de manganeso (MnO2) y un electrolito. El electrolito

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consiste de cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua, al cual se le ha aadido almidn para que la disolucin adquiera una consistencia pastosa espesa y no haya fugas. Como ctodo se utiliza una barra de carbn que est inmersa en el electrolito en el centro de la celda. Las reacciones de la celda son: nodo: Zn(s) Zn2+(ac) + 2e+ Ctodo: 2NH4 (ac) + 2e- 2NH3(g) + H2(g) El amonaco que se forma reacciona con iones cinc para formar un ion complejo cinc amoniaco. Zn2+(ac) + 2NH3 (g) [Zn(NH3)2]2+(ac) El hidrgeno que se produce es oxidado por el MnO2 de la pila, as el hidrgeno gaseoso no se acumula. H2(g) + 2MnO2(g) Mn2O3(s) + H2O (l) Todas estas reacciones originan el siguiente proceso neto que produce aproximadamente 1,5 V. Zn(s) + 2NH4+(ac) + 2MnO2(s) [Zn(NH3)2]2+(ac) + H2O(l) + Mn2O3(s) 9.4. Batera acumulador de plomo Este tipo de batera tambin es conocida como pila hmeda, y se utiliza principalmente en automviles y en otros vehculos de motor. La mayora contienen cido sulfrico y plomo. Las bateras cidas de plomo ms pequeas se utilizan en artculos como cmaras de vdeo y herramientas a motor. La batera o acumulador de plomo que se usa comnmente en los automviles consta de seis celdas idnticas unidas en serie. Cada celda tiene un nodo de plomo y un ctodo hecho de dixido de plomo (PbO2) empacado en una placa metlica. Tanto el ctodo como el nodo estn sumergidos en una disolucin acuosa de cido sulfrico, que acta como electrolito. Las reacciones de la celda son: nodo: Pb (s) + SO42- (ac) PbSO4 (s) + 2e+ 2Ctodo: PbO2(s) + 4H (ac) + SO4 (ac) + 2e PbSO4(s) + 2H2O (l) ---------------------------------------------------------------------------------------Global: Pb (s) + PbO2(s) + 4H+(ac) + 2 SO42- (ac) 2PbSO4(s)+ 2H2O (l) En condiciones normales de operacin, cada celda produce 2 V; un total de 12 V de las seis celdas se utiliza para suministrar energa al circuito de encendido del automvil y

sus dems sistemas elctricos. El acumulador de plomo puede liberar gran cantidad de corriente por un corto tiempo, como el que toma encender el motor. A diferencia de la celda de Leclanch y la batera de mercurio, el acumulador de plomo es recargable, lo cual significa que se invierte la reaccin electroqumica normal al aplicar un voltaje externo en el ctodo y en el nodo (Este proceso se conoce como electrlisis). Las reacciones que restituyen los materiales originales son: nodo: PbSO4 (s) + 2e- Pb (s) + SO42- (ac) Ctodo: PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + 4H+(ac) + SO42-(ac) + 2e________________________________________________________________________________

Global: 2PbSO4(s) + 2H2O(l) Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(ac) + 2SO42-(ac) La reaccin global es exactamente contraria a la reaccin normal de la celda. Cabe hacer notar dos aspectos de la operacin del acumulador de plomo. En primer lugar, como la reaccin electroqumica consume cido sulfrico, se puede saber qu tanto se ha descargado la batera midiendo la densidad del electrolito con un densmetro, como normalmente se hace en las gasolineras. La densidad del fluido en una batera sana, completamente cargada, debera ser mayor o igual a 1,2 g/mL. En segundo lugar, las personas que viven en climas fros a veces tienen problemas con sus vehculos debido a que la batera no pasa corriente. Los clculos termodinmicos muestran que la fem de muchas celdas electroqumicas disminuye cuando baja la temperatura. Sin embargo, el coeficiente de temperatura para una batera de plomo es de aproximadamente 1,5 x 10-4 V/C; es decir, hay una disminucin en el voltaje de 1,5 x 10 4V por cada grado que baja la temperatura. De manera que, aun cuando hubiera un cambio de temperatura de unos 40C, la disminucin en el voltaje sera de tan slo 6 x 10 3V, que es aproximadamente: (6 x 10-3 V) / 12V x 100 % = 0,05% del voltaje de operacin, un cambio insignificante. Lo que realmente ocasiona que la batera falle es que aumenta la viscosidad del electrolito cuando baja la temperatura. Para que la batera funcione de manera adecuada, el electrolito debe ser totalmente conductor. Sin embargo, como los iones se mueven ms lento en un medio viscoso, la resistencia del fluido aumenta y provoca que la energa que suministra la batera sea menor. Si una batera que aparenta estar muerta se caliente a la temperatura ambiente en un da fro, recupera su potencia normal. El acumulador de plomo es relativamente econmico, confiable, sencillo y dura un tiempo aceptable. Su defecto es que es muy pesado (15 a 20 kg de Pb). Este metal puede contaminar el aire y las aguas freticas y posiblemente causar envenenamiento. Las bateras de automviles deben ser recicladas para proteger el medio ambiente.

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9.5. Celdas electrolticas La electrlisis permite llevar a cabo reacciones que favorecen a los reactivos y que por s solos no ocurriran. Los procesos electrolticos son ms importantes en nuestra economa que las reacciones redox de las bateras pues se usan en la produccin y purificacin de muchos metales, incluidos cobre y aluminio y en proceso de electrochapeado que producen un delgado recubrimiento de metal en muchos objetos. Las celdas electrolticas tienen electrodos en contacto con un medio conductor y un circuito externo. El electrodo en el que ocurre la reduccin se llama ctodo y aquel en el que ocurre la oxidacin se llama nodo. El circuito externo conectado a una celda electroltica debe contener una fuente de electrones. No hay puente salino. El medio conductor en contacto con los electrodos a menudo es el mismo para ambos electrodos, y puede ser una sal fundida o una solucin acuosa. Los electrodos de las celdas electrolticas suelen ser inertes y solo proporcionan un camino para que los electrones entren en la celda y salgan de ella. Por ejemplo, si se electroliza una disolucin de AuCl3 con electrodos inertes, se efectan las siguientes reacciones: Electrolito 2AuCl3 2Au3+ En el ctodo + 6 Cl 2Au (reduccin)

Ctodo: 2Na+(l) + 2e- 2Na(l) nodo: 2Cl-(l) Cl2 (g) + 2e---------------------------------------2Na+(l) + 2Cl-(l) 2Na(l) + Cl2(g) La convencin de signos para los electrodos de una celda electroltica es opuesta a la correspondiente a celdas voltaicas. El ctodo de la celda electroltica es negativo porque los electrones estn siendo forzados hacia l por la fuente externa de voltaje. El nodo es positivo porque la fuente externa le est quitando electrones. La electrlisis de las sales fundidas y soluciones de sales fundidas para la produccin de metales activos como el sodio y aluminio son procesos industriales importantes.

2Au3+ + 6e3+

El ion Au gana electrones (se reduce) y se convierte en oro metlico es decir se deposita en el electrodo. En el nodo 6 Cl- 3Cl2 + 6 e- (oxidacin) El ion Cl- pierde electrones (se oxida) y se convierte en cloro gaseoso, es decir, se libera del electrodo. El nmero de electrones recibidos por un electrodo es igual al nmero de electrones cedidos por el otro electrodo. 9.6. Electrlisis del cloruro de sodio fundido En este proceso los iones Na+ recogen electrones en el electrodo negativo y se reducen. A medida que los iones Na+ cercano a este electrodo se agotan, hay una migracin de iones Na+ adicionales a l. De manera similar hay un movimiento neto de iones Cl- hacia el electrodo positivo, en el cual se oxidan. El electrodo en el que se producen las reducciones llama ctodo y el electrodo donde ocurre la reduccin en el nodo. 9.7. Refinacin electroltica del cobre El cobre se usa ampliamente para fabricar conductores elctricos y en otras aplicaciones que aprovechan su alta conductividad elctrica. El cobre crudo que se obtiene por mtodos pirometalrgicos no es adecuado para emplearse en aplicaciones elctricas porque las impurezas reducen considerablemente la conductividad del metal. El cobre se purifica por electrlisis. Grandes placas de cobre crudo sirven como nodos de la celda, en tanto que los ctodos son lminas delgadas de cobre puro. El electrolito es una solucin cida de sulfato de cobre (II). La aplicacin de un voltaje adecuado a los electrodos causa la oxidacin del cobre metlico en el nodo y la reduccin del cobre (II) para formar cobre metlico en el ctodo. Esta estrategia se

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puede emplear porque el cobre se oxida y se reduce con ms facilidad que el agua. Las impurezas presentes en el nodo de cobre comprenden plomo, cinc, nquel, arsnico, selenio, teluro y varios metales preciosos que incluyen oro y plata. Las impurezas metlicas que son ms activas que el cobre se oxidan fcilmente en el nodo pero no se depositan en el ctodo porque sus potenciales de reduccin respectivos son ms negativos que el del Cu2+. En cambio los metales menos activos no se oxidan en el nodo; en vez de ello se acumulan bajo el nodo en forma de lodos que se recogen y se procesan para recuperar los metales valiosos. Los lodos andicos de las celdas de refinacin de cobre suministran una cuarta parte de la produccin de plata y alrededor de una octava parte de oro en Estados Unidos. 9.8. Leyes de Faraday Se trata de leyes que relacionan la corriente elctrica con la masa que se deposita (ejemplo: Au) o libera (ejemplo: Cl2) en cada electrodo como producto de la electrlisis. Con el paso de 96 493 coulombios, (C) o un Faraday, (F) de electricidad a travs de la disolucin de un electrolito se deposita o se libera un peso equivalente - gramo de un elemento. Esta ley tambin se ha expresado en forma de dos leyes:

Solucin: 96 493 C ---------- 8,99 g Al 1500 C ----------- x x = 0,139 g de Al Y los Faradays sern 1 500/96 493 = 0,0155 F Ejemplo 3: En la electrlisis de una disolucin de nitrato de plomo Pb(NO 3)2 se depositaron 1,526 g de plomo. Calcule la cantidad de corriente que pas. Solucin: Pb+2+ +2e- Pb Peq = 207,2/2 = 103,6 96 493 C ------------103,6 g de Pb x -------------- 1,526 g de Pb x = 1421 C Al+3 + 3e- Al Peq = 26,98/3 = 8,99

a) b)

La cantidad de cambio electroqumico en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la disolucin. El nmero de gramos de un elemento liberado por un coulombio es el equivalente electroqumico del elemento; el nmero de gramos de un elemento liberado por un Faraday es su peso equivalente - gramo.

Ejemplo 4: Calcule el nmero de horas que se necesita para depositar 356 g de cobre en una solucin de CuCl2 por la que pasa una corriente de 150 amperios. Solucin : Cu 2+ + 2e - Cu Peq = 63,54/2 = 31,77 q=It 96 493 C --------------31,77 g de Cu x -------- ----- 356 g de Cu x = 1,081 106 C t=q/I=1,081 10 C / 150 A = 7208,52 s = 2 horas.6

Ejemplo 1: En la electrlisis del ZnCl2 fundido se pas una corriente de 0,01 amperios durante una hora. Calcule cuntos gramos de zinc se depositaron en el ctodo. Solucin: q = I x t = (0,01A ) ( 3600 s) q = 36 A x s = 36 C 96 493 C 36 C ---------32,68 g --------------- x Zn+2 +2e- Zn Peq =

9.9. Proteccin contra la corrosin Las estrategias generales son: a) Inhibir el proceso andico. b) Inhibir el proceso catdico. c) Hacer ambas cosas. El mtodo ms comn es la inhibicin andica, esto es impedir directamente la media reaccin de oxidacin pintando la superficie metlica recubierta con grasa o aceite o permitiendo la formacin de una pelcula de xido del metal. Recientemente tambin se usa una solucin de cromato de sodio.

65,37 2

= 32,68 g

x = 0,012 g de Zn

Ejemplo 2: Se pasaron 1 500 coulombios por una disolucin de nitrato de aluminio (Al(NO3)3). Calcule la cantidad de aluminio depositado en el ctodo. Cuntos faradays pasaron?

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Disposicin de los CFC empleando reacciones redox Los clorofluorocarbonatos (CFC) son compuestos moleculares de carbono, cloro y flor que se usan como fluidos de enfriamiento en los acondicionadores de aire y los refrigeradores. Se ha visto que los CFC reducen la capa protectora de ozono de la estratosfera. Al escapar de acondicionadores de aire y refrigeradores con fugas, los CFC suben a travs de la atmsfera baja hasta llegar a la estratosfera prcticamente sin sufrir alteracin gracias a su actividad qumica. En 1996 se prohibi la produccin de CFC en Estados Unidos. En fechas recientes se desarroll un proceso que utiliza oxalato de sodio (reductor) para deshacerse de los CFC almacenados. Los CFC se vaporizan y pasan a travs de una capa de oxalato de sodio pulverizado a 270C. Cuando se usa CF2Cl2 conocido como CFC-12 (agente oxidante) la reaccin que ocurre es: CF2Cl2(g) + 2Na2C2O4(s) 2NaF(s) + 2NaCl(s) + C(s) + 4CO2(g) 9.10. Ejercicios: 1. En una batera Nicad (nquel-cadmio), el cadmio forma Cd(OH)2 y el Ni2O3 forma Ni(OH)2 en una solucin alcalina. Escriba la ecuacin balanceada para esta reaccin. 2. En solucin bsica, el aluminio forma el ion NH3 . Escriba la ecuacin balanceada de esta reaccin. Al(OH)4al reducir el ion NO3a

5. Calcular la cantidad de sustancia que se deposita en un electrodo, si el equivalente electroqumico de dicha sustancia es de 0,000200 g/C y la cantidad de carga elctrica que se hizo pasar por el electrodo es de 2x103 coulomb. a) 0,4 g b) 4,0 g c) 4,4 g d) 0,44 g e) 44,4 g

6. Para realizar un recubrimiento electroltico sobre una barra metlica se utiliz una solucin de un electrlito. Si el ctodo que se emple, inicialmente pes 20 g y despus de realizado el recubrimiento arroj un peso de 39,2 g. Calcular la carga elctrica que se aplic, sabiendo que el equivalente electroqumico del elemento es de 0,001200g/C a) 1200 C b) 1350 C c) 1480 C d) 1550 C e) 1600 C

7. Se hizo pasar 19300 Coulomb por una disolucin de cloruro de calcio (CaCL). Calcule la cantidad de calcio depositado en el ctodo. (Ca=40). a) 6,2 g b) 5,5 g c) 4,4 g d) 4,0 g e) 3,5 g

8. Dada la siguiente tabla ELEMENTO Est. Oxid. Equivalente electroqumico (mg/C) Aluminio 3. Se construye una celda voltaica de nquel y nitrato de nquel en un compartimiento y nitrato de cadmio en el otro. Un alambre externo conecta los dos electrodos y un puente salino con nitrato de sodio conecta las dos soluciones. La reaccin neta es: Ni2+(ac) + Cd(s) Ni(s) + Cd2+(ac) a) Qu reaccin ocurre en el nodo? b) Qu reaccin ocurre en el ctodo? c) En qu direcciones fluyen los electrones por el alambre externo y los iones por el puente salino? Haga el diagrama de la celda indicando las direcciones de flujo de los electrones y de los iones. 4. Complete y balancee la ecuacin siguiente por el mtodo de medias reacciones. Cr2O72-(ac) + Cl-(ac) Cr3+(ac) + Cl2(g) (solucin cida) Cobre Cobre Hierro Hierro +3 +1 +2 +2 +1 0,0936 0,6588 0,3294 0,2894 0,1929

Averiguar qu elemento deposita en uno de los electrodos y cul es su estado de oxidacin del electrlito, al hacer pasar una carga electrica de 3,500 C. Si el electrodo antes del proceso pes 20,1850 g despus del proceso de electrolisis arroj un peso de 21,3379 g. a)AI; +3 b) Cu; +1 c) Cu; +2 d) Fe; +2 e) Fe; +3

9. Calcule la carga elctrica que depositar 0,27 g de aluminio de una solucin de nitrato de aluminio AI (NO3)3. (AI=27) a) 2895 C b) 2850 C c) 2810 C d) 2500 C e) 2000 C

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10. Calcule el nmero de horas que se necesita para depositar 3,816 g de paladio en una solucin de cloruro de paladio (PdCl2), por la que pasa una corriente de 0,0965 amperios. (Pd= 106). a) 2,5 h b) 2h c) 1,8 h d) 1,5 h e) 1 h

A con B reaccionan para dar C y D con una velocidad v1, cuando aparecen C y D reaccionan entre s para dar A y B. cC + dD aA + bB Esta segunda reaccin se inicia con una velocidad v 2 pequea y va aumentando hasta que en un momento se iguala a v1, en ese momento la reaccin pareciera que ya no contina, porque las concentraciones ya no varan, se ha establecido un equilibrio qumico. aA + bB cC + dD

11. En la electrlisis de una disolucin de nitrato de plomo se depositaron 0,70 g de plomo. Calcule la cantidad de corriente que pas. 12. Calcule el nmero de horas que necesita para depositar 178 g de cobre en una solucin de cloruro de cobre por la que pasa una corriente de 75 A. 13. En la electrlisis del cloruro de cinc fundido se pas una corriente de 0,02 A durante una hora. Calcule cuntos gramos de cinc se depositaron en el ctodo. 14. Se pasaron 750 coulombios por una disolucin de nitrato de aluminio. Calcule la cantidad de aluminio depositado. Cuntos faradays pasaron? 15. Explique los mtodos ms comunes para proteger contra la corrosin.

En este punto se dice que la reaccin ha terminado, pero realmente este equilibrio es dinmico, porque la actividad continua, ambas reacciones se dan, pero con la misma velocidad 10.2 Constante de equilibrio (K) Todo equilibrio puede ser expresado por su ley de accin de masa, que es el producto de las concentraciones de los productos dividido por el producto de las concentraciones de los reaccionantes, elevados cada uno a su respectivo coeficiente estequiomtrico, dando una constante, llamada constante de equilibrio. aA + bB cC + dD A y B son reaccionantes C y D son productos a, b, c y d son los coeficientes del balanceo

TEMA 10 EQUILIBRIO QUMICO Y VELOCIDAD DE REACCIN

[C ]c [D ]d Kc = [A]a[ B]bK = K c el subndice se refiere a la concentracinEjemplo: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

10.1. Concepto de equilibrio Toda reaccin se inicia con una velocidad inicial que luego va decreciendo y a medida que se van formando los productos, estos reaccionan para dar nuevamente reaccionantes; as por ejemplo para la reaccin: aA + bB cC + dD

Kc =

[NO2 ]2 2 [NO ][ O2]

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Para establecer la ley de accin de masa y calcular la constante de equilibrio hay que tener en cuenta reglas sencillas como: 1.- El agua nunca participa en la ley de accin de masa porque su concentracin es constante. 2.- Cuando las sustancias participantes se encuentran en diferentes estados fsicos, solo participan las sustancias que se encuentran en el estado ms disperso, y es ms disperso el estado gas que el acuoso, que el lquido, que el slido. Ejemplo: a) 2NH3(g) + CO2(g) (NH2)2CO(s) + H2O(l)

Esta propiedad de una reaccin en equilibrio se expresa mediante el Principio de Le Chatelier que dice cuando un factor externo como aumento de concentracin, presin, volumen o calor alteran un equilibrio, la reaccin se desplaza en el sentido de contrarrestar el efecto. Los cambios que pueden tomarse en cuenta son: La concentracin, presin volumen, temperatura. Por ejemplo: a) 2KClO3 (s)+ calor 2KCl(s) + 3O2(g) Si se aumentara KCl, la reaccin se desplaza a la izquierda. Si se aumentara KClO3, la reaccin se desplaza a la derecha. Si se pone calor a la reaccin, el equilibrio se desplaza a la derecha Si se aumenta presin, la presin solo afecta a los gases, por lo tanto se desplaza a la izquierda. La constante de equilibrio mientras tanto permanece inalterable, la nica propiedad que puede cambiar una constante de equilibrio es la temperatura ambiental. b) 2CO2(g) + calor 2CO(g) + O2(g) Si se aumenta CO2 a la reaccin, el equilibrio se desplaza a la derecha. Si se aumenta CO, el equilibrio se desplaza a la izquierda. Si se aumenta O2, el equilibrio se desplaza a la izquierda. Si se aumenta presin, el equilibrio se desplaza a la izquierda. Si se aumenta volumen, el equilibrio se desplaza a la derecha.

Kc =b)

[NH 3 ]2 [CO2 ]BaSO4(s) + 2H2O(l)

1

Ba(OH)2(ac) + H2SO4(ac)

Escriba la respectiva constante. Informacin que proporciona la constante de equilibrio La constante de equilibrio, es un nmero, sin unidades aparentes, que de acuerdo a la ley de accin de masa puede tener valores entre 0 y el infinito. Si el valor fuera 0, significara que en el equilibrio todo est como reactivos, por lo tanto, no hay reaccin alguna. Si el valor fuera infinito, significara que todo est en forma de productos, o sea ha habido reaccin total. Para una reaccin equimolecular, un valor de uno (1) indicara que la reaccin ha entrado en equilibrio cuando la mitad de los reaccionantes se han convertido en productos. En conclusin, la constante de equilibrio nos indica en qu momento se establece el equilibrio, cuanto producto puede rendir una reaccin verdaderamente, ya que la estequiometra no es ms que un frio clculo terico suponiendo que todo reaccionara y la experiencia nos dice que no es as. De igual manera la constante de equilibrio nos indica el sentido principal que tiene una reaccin, aunque la propiedad que va ha determinar con exactitud el sentido natural de una reaccin es la entropa (medida directa de la aleatoriedad o el desorden de un sistema). 10.3. Factores que afectan el equilibrio qumico. Un equilibrio puede ser alterado momentneamente por un factor externo, pero inmediatamente contrarresta el efecto para restablecer el equilibrio, sin alterar la constante de equilibrio.

10.4. Equilibrios homogneo y heterogneo Equilibrios homogneos Un equilibrio se llama homogneo cuando todas las sustancias que participan en la reaccin se encuentran en el mismo estado fsico, hay dos casos de importancia: a.- Equilibrio gaseoso.- Cuando todos los participantes son gases, por lo tanto, todos entran en la constante de equilibrio y de preferencia se expresan en presiones parciales. Ejemplo: 2CO2(g) + calor2

2CO(g) + O2(g)

Kp =

PCO PO2 PCO2 2

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La constante Kp se relaciona con la constante K (denominada tambin Kc) con la siguiente ecuacin: Kp = Kc (RT)n Donde n es la diferencia de nmero de moles gaseosos entre productos y reaccionantes. b.- Equilibrio en fase acuosa.- Cuando todos los reaccionantes y productos se encuentran disueltos en agua, el caso ms importante es la disociacin de cidos y bases dbiles para establecer el pH. Equilibrios heterogneos Se denominan as cuando las sustancias participantes en la reaccin se encuentran en diferentes fases o estados fsicos. Por lo tanto, en la constante de equilibrio solo participan las sustancias ms dispersas. El caso ms importante es la disolucin de sales poco solubles o producto de solubilidad Kps, donde se da un equilibrio entre la sal slida y sus iones disueltos en agua: BaSO4(s) Ba+2 (ac) + SO4-2(ac) Kps = [Ba+2][SO4-2]

Ejemplo. Calclese la solubilidad molar, en g/L del cloruro de plata Kps=1,6x10-10 a 25C. AgCl(s) Ag+(ac) + Cl-(ac) Inicial: 0,0M 0,0M Equilibrio: sM sM Kps = [Ag+][Cl-] = [s][s]

S=

(1,6x10-1 0 ) = 1,26x10-5 M

Sabiendo que la masa molar del AgCl es 143,3 g/mol entonces: S = 1,26x10-5 mol/L (143,3g/mol) = 1,81x10-3g/L 10.6. Velocidad de reaccin Es la variacin de la concentracin de los reactivos o productos por unidad de tiempo. Para que una reaccin ocurra, los reaccionantes primero deben hacer contacto, debe haber colisin, segundo deben acercarse con la orientacin apropiada, y tercero la colisin debe suministrar un mnimo de energa llamada energa de activacin, capaz de romper los enlaces de los reaccionantes para iniciar la formacin de los enlaces de los productos. Toda reaccin qumica se inicia con una velocidad definida que luego va disminuyendo hasta alcanzar su punto de equilibrio. Esta velocidad se puede determinar si se mide la variacin de los reaccionantes o de los productos con el transcurso del tiempo. Para una reaccin: Reaccionantes Productos En un periodo de tiempo comprendido entre t1 y t2; la concentracin del reactante disminuir desde R1 hasta R2 y la concentracin de producto aumentar desde P1 hasta P2; por lo tanto, el cambio de concentracin por unidad de tiempo ser: Con respecto al reactante: velocidad = Con respecto al producto: velocidad = As por ejemplo: t en segundos [R] en mol/litro velocidad en mol/s 0 80 4 10 40 2 20 20 1 30 10 0,5 40 5 0,25

10.5. Producto de solubilidad El producto de solubilidad de un compuesto es el producto de las concentraciones molares de los iones constituyentes, cada uno elevado a la potencia de su coeficiente estequiomtrico en la ecuacin de equilibrio. El valor del Kps indica la solubilidad de un compuesto mientras ms pequeo sea el Kps menos soluble ser el compuesto. Ca3(PO4)2(s) 3Ca2+(ac) + 2PO 3- (ac) 4 Kps = [Ca2+]3[PO43-]2

[ R ] 2 - [ R ]1 D[ R] =t 2 - t1 Dt

[ P] 2 - [ P ]1 D[ P ] = t 2 - t1 Dt

A una temperatura de 25C el producto de solubilidad del fosfato de calcio es: Kps = 1,2x10-26.

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10.7. La ley de la velocidad La Ley de Velocidad es una expresin que relaciona la velocidad de una reaccin con la constante de velocidad (k) y las concentraciones de los reactivos elevadas a las potencias apropiadas. k para una reaccin dada cambia slo con la temperatura. Como se puede notar en el cuadro anterior la velocidad no es constante, va disminuyendo con el tiempo conforme disminuye la concentracin de reactivos, como si fuera un movimiento uniformemente frenado por una aceleracin negativa, que depende de la concentracin de los reactivos. Esto se puede expresar en una Ley que dice: La velocidad de una reaccin es proporcional a la concentracin de los reactivos elevada a una potencia propia de cada reactivo en una reaccin. Para la reaccin: aA + bB cC + dD

10.8. Factores que afectan la velocidad de reaccin Efecto de la temperatura: A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de una reaccin aumenta, entonces la constante de velocidad tambin es mayor. Las molculas se mueven con mayor rapidez ganando energa cintica y muchas molculas alcanzan la energa de activacin necesaria. Efecto de la concentracin: El aumento en la concentracin de los reaccionantes, involucra un mayor nmero de choques entre las molculas y por lo tanto la velocidad aumentar. Efectos de los catalizadores: Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reaccin pero no participa en la reaccin. El catalizador se escribe sobre la flecha de reaccin (puede omitirse en la escritura de la ecuacin qumica). 2KClO3(s) Efecto del rea superficial: Mientras mayor sea el rea superficial mayor ser el nmero de colisiones, por lo tanto mayor ser la velocidad de la reaccin, cuando los reactivos se encuentran en diferentes estados o pulverizados en polvo fino, mayor ser el rea superficial. 10.9. Vida media de una reaccion: (t1/2) Es el tiempo necesario para que la concentracin inicial de un reactivo se reduzca a la mitad. Las reacciones de primer orden tienen la particularidad de que la vida media no depende de la concentracin inicial, por lo tanto, es un valor constante y por cada vida media trascurrida la concentracin de reactivo se reduce a la mitad de lo inicial.

velocidad a [A] x [ B] yvelocidad =k[ A] x [ B] yDonde: k es una constante de proporcionalidad denominada constante de velocidad (factor de aceleracin), que solo puede ser afectada por la temperatura ambiental y es independiente de cualquier otro factor como concentracin, presin, calor, catalizador, etc. x es el exponente de dependencia de A denominado orden de reaccin con respecto al reactivo A, y es diferente al coeficiente estequiomtrico a. y es el exponente de dependencia de B denominado orden de reaccin con respecto al reactivo B, y es diferente al coeficiente estequiomtrico b. x+y se denomina el orden global de la reaccin. Los rdenes de reaccin tericamente pueden ser 0, 1, 2, 3, etc., en la experiencia se ha encontrado que puede ser cualquier nmero real positivo, como 0,5, 8, etc. Para cada orden de reaccin se establece una ecuacin cintica diferente; as por ejemplo, para una reaccin de primer orden con respecto a A: A Productos Ley de velocidad Velocidad = k[A] Ecuacin cintica ln [A] = ln [A]o k t Donde [A] es la concentracin de A remanente despus de un tiempo t [A]o es la concentracin inicial de A k es la constante de velocidad t es el tiempo trascurrido Todas las reacciones nucleares son de primer orden.

MnO2

2KCl(s) + 3O2(g)

t1 / 2 =Por ejemplo: t en segundos [R] en mol/litro velocidad en mol/s 0 80 4

ln 2 k20 20 1 30 10 0,5 40 5 0,25

10 40 2

El cuadro anterior corresponde a una reaccin de primer orden, su vida media es 10 segundos, porque por cada 10 segundos la concentracin de R se reduce a la mitad de la mitad, sucesivamente. Su constante de velocidad es: ln 2 / 10 s = 0,069 s-1

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10.10. Aplicacin: La vida en las grandes altitudes y la produccin de hemoglobina La fisiologa est influida por las condiciones ambientales, como escalar elevadas altitudes causa dolores de cabeza, nuseas, cansancio extremo; estos sntomas son conocidos como mal de las alturas o soroche. Esto es por la deficiencia de la cantidad de oxgeno que llega a los tejidos del organismo. Este fenmeno se puede explicar mediante la siguiente ecuacin simplificada: Hb (ac) + O2 (g) HbO2(ac) En donde; Hb es la hemoglobina, HbO2 es la oxihemoglobina. La constante de equilibrio es: Kc = [HbO2] [Hb][O2] A una altura de 3km, la presin parcial del oxgeno es de 0,14 atm, en comparacin con 0,2atm a nivel del mar. Segn el principio de Le Chatelier, una disminucin en la concentracin de oxgeno desplazar el equilibrio a la izquierda, este cambio disminuye la concentracin de oxihemoglobina. Si se le da el tiempo suficiente el organismo compensa esta adversidad produciendo ms molculas de hemoglobina. Se ha demostrado que los residentes de las zonas de gran altitud, tienen altos niveles de hemoglobina en la sangre; a veces 50% ms que las personas que viven al nivel del mar.

2. Escriba las expresiones de las constatnes Kc y Kp de equilibrio, para cada una de las reacciones siguientes: a) b) c) d) e) f) g) H2O(g) + CO(g) H2(g) + CO2(g) 2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s) 2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l) H2S(ac)H+(ac) + SH-(ac) CH3COOH (ac) H+(ac) CH3COO-(ac) NH3(ac) + H2O(l) NH4+(ac) + OH-(ac) Ag2SO4(s) 2Ag+(ac) + SO42-(ac)

3. El sulfato de calcio se descompone trmicamente segn la ecuacin 2CaSO4(s)2CaO(s) + 2SO2(g) + O2(g) Prediga cmo cambiara la posicin del equilibrio si: a) Se agrega el xido de calcio al sistema. b) Se disminuye el sulfato de calcio al sistema. c) Se aumenta la temperatura del sistema. d) Se aumenta la presin del sistema. e) Se aumenta el volumen del sistema. f) Se aumenta oxgeno al sistema. 4. Se tiene la siguiente reaccin en equilibrio: A(g) 2B(g) A partir de los siguientes datos, calcule las constantes de equilibrio Kc y Kp para cada una de las temperaturas. T(C) 100 200 [A] 0,01 0,21 [B] 0,80 0,70

10.11. Ejercicios 1. Seale la serie de proposiciones verdaderas (V) y falsas (F). La adicin de un catalizador apresura el momento en el que se llega al equilibrio pero no afecta las concentraciones en equilibrio de los reactivos y de los productos. Slo el cambio de la temperatura modifica el valor de la constante de equilibrio de una reaccin en particular . El principio de Le Chatelier establece que si se aplica una tensin externa a un sistema en equilibrio, el sistema se ajustar para contrarrestar parcialmente dicha tensin.

La constante de equilibrio para los gases, Kp, expresa la relacin de las presiones parciales de equilibrio (en atm). El orden correcto es: A. VVVV B. VFVF C. VVFF D. FVFV E. FFFF

5. Se tiene la siguiente reaccin en equilibrio: AB Si la concentracin inicial de A es 0,85M y Kc=2x10-5. Calcule las concentraciones finales de A y B.

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6. Para la siguiente reaccin qumica: 2A + 3B C + 2D Si la ley de la velocidad est dada por: V = k[A]2[B] Diga el orden de reaccin con respecto a : a) Reactivo A b) Reactivo B c) Orden global 7. Seale la serie de proposiciones verdaderas (V) y falsas (F) Las variaciones de la concentracin de los reactivos o productos por unidad de tiempo definen la velocidad de reaccin. Catalizador es la sustancia que altera ( incrementa o disminuye) la velocidad de reaccin . Orden de reaccin es la potencia a la que se eleva la concentracin de dicho reactivo en la expresin de la velocidad de reaccin.

11. Por qu se dice que el equilibrio qumico es dinmico? 12. Defina reaccin reversible. 13. Cul ser el efecto de un aumento de la presin sobre cada uno de los siguientes equilibrios: a) N2(g) + 3H2(g) b) 2CO(g) + O2(g) 2NH3(g) 2CO2(g)

14. Cul ser el efecto de un aumento de volumen sobre cada uno de los equilibrios de la pregunta 13? 15. Cul ser el efecto sobre el equilibrio que producira el cambio indicado en cada caso? a) 2PbS(s) + 3O2(g) Al eliminar PbS(s) Al aadir O2(g) b) CaO(s) + SO3(g) Al aadir CaSO3(s) Al aadir SO2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g)

El orden de una reaccin es la suma de las potencias a las que estn elevadas todas las concentraciones en la expresin de la velocidad. El orden correcto es: A) VFVF B) VVVV C)FVFV D)FFVV E)VVFF 8. Si al triplicar la concentracin inicial de un reactivo se triplica la velocidad inicial de la reaccin, cul es el orden de dicha reaccin con respecto a dicho reactivo? Si la velocidad aumentara nueve veces, cul sera el orden?, y si la velocidad no variara? 9. La descomposicin del disulfuro de carbono CS2 , a monosulfuro de carbono y azufre es de primer orden con una constante K= 2,8x10-7 a 1000C CS2 CS + S A) Cul es la vida media de la reaccin a 1000 C? Cuntos das deben transcurrir para que una muestra de 1,0 gramos de CS2 se descomponga de modo que queden solo 0,6 gramos de CS2? 10. La ley de velocidades de la reaccin siguiente es: velocidad = k [A][B2]2 . Segn esta expresin, si se triplica la concentracin de A y de B, Cmo variar la velocidad con respecto a la del principio? A + B2 productos

CaSO4(s)

16. Cul ser el efecto de disminuir la temperatura en cada uno de los siguientes equilibrios: a) C(s) + H2O(g) + 131 kJ b) H2(g) + I2(g) c) 2SO2(g) + O2(g) CO(g) + H2(g) 2HI(g) + 9,5 kJ 2SO3(g) DH=-188 Kj

17. Qu nos indica la constante de equilibrio?

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TEMA 11 QUMICA ORGNICA Y DEL CARBONO

C

1s

2s

2px 2py 2pz

C

La qumica orgnica es la qumica de los compuestos del carbono. Los compuestos del carbono en su mayora estn formados por enlaces covalentes, insolubles en agua. Se descomponen a bajas temperaturas. Tienen mecanismos de reaccin de varias etapas complejas. tomo de carbono El elemento que forma la mayor parte de los compuestos inorgnicos en la Tierra es el silicio y el elemento que forma la mayora de los compuestos orgnicos es el carbono, ambos elementos se encuentran en el mismo grupo y en la parte central del sistema peridico. 11.1. Propiedades del tomo de carbono: tetravalencia y autosaturacin a) Tetravalencia: Es la capacidad del carbono de formar hasta cuatro enlaces.

De acuerdo a esta distribucin el carbono es divalente, solo podra formar dos enlaces, lo que no ocurre en realidad ya que el carbono es tetravalente. 11.3. Estado real del carbono Para que el carbono sea tetravalente debe tener sus cuatro electrones desapareados, esto se logra promoviendo un electrn del orbital 2s al orbital vaco 2pzse promueve un electrn

6C

1s

2s

2px

2py

2pz

6C

1s

2s

2px

2py

2pz

C

Cb)

C

C C

C

C

Hasta ahora, se tiene cuatro electrones desapareados, pero estos ocupan, ambientes geomtricos diferentes, es necesario uniformizar el espacio geomtrico, as como la energa, lo que se logra mediante el proceso de hibridacin. 11.4. Hibridaciones del carbono 11.4.1. Hibridacin sp3 Resulta de mezclar tres orbitales p con un orbital s, el resultado son cuatro hbridos del tipo sp3.

Autosaturacin: El carbono puede formar enlaces con otros carbonos, formando cadenas.

C C C C C11.2. Estado basal o ideal del carbono

C C C C C

E

6C

2s 1s

2px

2py

2pz

sp3 sp3 sp3 sp3Cuatro hbridos sp3

El tomo de carbono en su estado basal o fundamental presenta la siguiente estructura:

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El carbono presenta este tipo de hibridacin cuando forma enlaces dobles.

Los cuatro orbitales hbridos sp3, estn dirigidos hacia los vrtices de un tetraedro regular, con un ngulo de 109.

C C

120

El enlace pi (p) se forma por un acercamiento paralelo entre los orbitales p, este enlace pi es dbil comparado con la fuerza del enlace sigma. 11.4.3. Hibridacin sp

Se forma entre un orbital s y un p, dando como resultado dos orbitales sp, quedando puros el py y el pz. Este tipo lo presenta el carbono cuando forma enlace simple con otros tomos. La superposicin o traslape de orbitales ya sean puros o hbridos da lugar a la formacin del enlace sigma. 11.4.2. Hibridacin sp2 Resulta de la mezcla de dos orbitales p con un orbital s, dando como resultado tres orbitales sp2.sp sp

E

6C

2s 1s

2px

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2pz

sp

sp

2py 2pzorbitales p perpendiculares entre s y a los hbridos sp

Dos hbridos sp

E

6C

2s 1s

2px

2py

2pz

sp2 sp2 sp2Tres hbridos sp2

2pz

Clos dos orbitales sp son lineales

sp

C

sp

Estos tres hbridos sp2, se dirigen hacia los vrtices de un triangulo equiltero, con un ngulo de 120, el orbital pz, queda en posicin perpendicular al plano.

El ngulo entre estos hbridos es de 180, este tipo de hibridacin se presenta cuando el carbono est unido a otro carbono con un triple enlace.

180

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C

13

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11.5. Integracin de la estructura molecular orgnica 11.5.1. Composicin El trmino composicin nos indica el tipo de elementos que forman un compuesto as como la proporcin en que se encuentran, la composicin se expresa mediante frmulas moleculares o globales. Ejemplos: C2H6, C2H6O, etc. 11.5.2. Constitucin Por constitucin se entiende la manera como estn unidos los tomos que forman un compuesto, la constitucin se representa mediante frmulas semidesarrolladas o desarrolladas. Ejemplos: CH3 CH2 OH es el etanol CH3 O CH3 es el ter dimetlico Obsrvese que ambas son sustancias diferentes, pero tiene la misma composicin: C2H6O 11.5.3. Conformacin Este trmino se refiere a un aspecto tridimensional y nos indica la forma como est dispuesta una molcula en el espacio, debido a la libre rotacin alrededor del enlace sigma. Por ejemplo, el etano tiene dos conformaciones en el espacio:en el plano H H C H H C H H H H180

configuracin C4H 8 composicin CH 3CH=CHCH 3 constitucin H 3C C=C H H Cis(Z) H CH3 H3C C=C CH3 Trans(E) H

11.6. Isomera Son ismeros las sustancias que tienen la misma frmula molecular o global; es decir, la misma composicin, pero que tienen diferente constitucin. En el caso de los compuestos orgnicos se dice que de cada diez compuestos nueve son ismeros. Los ismeros pueden ser planos o espaciales. 11.6.1. Isomera plana a. Ismeros de cadena: Este tipo de isomera se presenta en los hidrocarburos. Ejemplos:

CH 3 CH 3CH 2CH 2CH 3|

CH 3CHCH 3

Dos ismeros del butanoCH3 H3C C CH3 CH3

en el espacio H H H eclipsado H H H H H alternado H Hno son ismeros

CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH 2CH3

Tres ismeros del pentano

b. Ismeros de posicin: Aquellas sustancias donde vara la posicin de un grupo funcional. Ejemplos: OH CH2=CHCH CH3 2 CH CH=CHCH 3 3 CH3CH2CH2 OH CH3CHCH3 Dos ismeros del buteno Dos ismeros del propanol

En el espacio la molcula de etano presenta dos conformaciones, una eclipsado y otra alternada. 11.5.4. Configuracin. Es otro aspecto tridimensional, se refiere a la forma como estn dispuestos los tomos en el espacio. Por ejemplo, en el caso del buteno:

c. Ismeros de funcin: Son compuestos que difieren en el grupo funcional. Ejemplos:

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C3H6O CH3CH2CHO un aldehdo CH3COCH 3 una cetona

C2H6O CH 3CH 2OH un alcohol CH 3 - O - CH 3 un ter

Los ismeros pticos se diferencian en que pueden desviar la luz polarizada hacia la derecha, dextrgiros (+), o hacia la izquierda, levgiros (-). espejo COOH COOH H CH3 OH objeto cido (+) Lctico H3C OH imgen cido (-) Lctico H

11.6.2. Isomera espacial. a. Ismeros geomtrica: Este tipo de isomera se presenta alrededor del doble enlace y en los cicloalcanos. Ejemplos:

H3C C C H cis = Z

CH3 H

H3C C C H

H CH3

cis butenoCl Cl H H H H Cl

trans = E trans butenoCl H H

Los dos estereoismeros del cido lctico existen, ambos constituyen un par de enantimeros; es decir, estereoismeros que guardan relacin objeto imagen. Si dos estereoismeros no guardan relacin objeto imagen, se les denominan diasteroismeros. 11.7. Ejercicios. 1. Indique el compuesto que no es orgnico: A. CH3-CH2-OH B. NH2-CO-NH2 C. CH3-COOH D. CH3ONa E. NaCN 2. De las siguientes proposiciones cuntos son verdaderos y falsos: - En los compuestos orgnicos los enlaces son esencialmente covalentes. - La valencia del tomo de carbono es divalente y tetravalente. - El ngulo que forma los orbitales hbridos sp3 del tomo de carbono es 109. - La autosaturacin es una propiedad del tomo de carbono. A. 3, 1 B. 2, 2 C. 4, 0 D. 3, 0 E. 4, 1 3. De la siguiente estructura molecular: CHO-CH2-CH2-CHOH-CH=C=CH-COOH Contabilizar los tomos con hibridacin: sp3, sp2 y sp, en ese orden. A. 7, 5, O B. 5, 6, 1 C. 5, 7, 0 D. 6, 5, 1 E. 3, 4, 1

H cis = Z cis diclorociclopropano

H trans = E trans diclorociclopropano

b. Ismeros pticos: La isomera ptica se genera debido a la presencia del carbono quiral; el carbono quiral o asimtrico es aquel que tiene sus cuatro sustituyentes diferentes. Los ismeros pticos se caracterizan porque presentan actividad ptica. La actividad ptica es la capacidad de algunas sustancias de desviar el plano de la luz polarizada.

X W C* Y Z Carbono quiral H3C

COOH * C H OH Acido lctico presenta actividad ptica

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4. Seale la afirmacin correcta, de la estructura molecular de las sustancias orgnicas que en su composicin tiene: C, H, N y O. a) El enlace pi se presenta solo en los enlaces doble. b) Un enlace triple tiene dos enlaces sigma y un pi. c) El tomo de hidrgeno tiene hibridacin sp3. d) Un tomo con hibridacin sp, no forma siempre dos enlaces sigma y dos enlaces pi. Los enlaces pi se forman a partir de los orbitales atmicos hbridos. 5. De la siguiente estructura molecular:

COOH Cl HO OH Cl CH 2OH i H H

COOH OH OH CH 2OH ii HO Cl

COOH Cl OH CH 2OH iii HO HO

COOH H H CH 2OH iv

A. i y iii

B. i y ii

C.

i y iv

D.

ii y iii

E.

iii y iv

-CHO Cuntos tomos de carbono tienen hibridacin sp2? A. 11 B. 10 C. 9 D. 1 E. 0

10. De los siguientes enunciados indique la verdad (V) o la falsedad (F): - Los enantimeros se pueden diferenciar por la rotacin de la luz polarizada. - Los diasteroismeros tienen propiedades fsicas muy diferentes. - A partir de un compuesto que tiene tres carbonos quirales se pueden obtener ocho ismeros pticos, como mximo. - La isomera geomtrica tambin se considera como un tipo de diasteroisomera. A. VFVF B. VVFV C. VVVV D. FFVF E. VVVF 11. Cul de las siguientes estructuras representa al etano alternado? H CH3 H H H H H H a) b) H H H H H H H e) H H H CH3 H H CH3 c) H H H H d) H H CH3 CH3

6. Con cul de las siguientes composiciones no es posible hacer una estructura molecular? A. C3H6 B. CH3O C. C2H7N D. C2H2 E. CH2O2 con las siguientes

7. Cuntos ismeros planos se pueden formar composiciones: C6H14 y C3H8O. A. 5, 3 B. 5, 2 C. 4, 3 D. 4, 4

E. 5, 4

8. Cul de las siguientes estructuras presentan isomera cis (Z)? OH H i) CH CH 3 2 C C CH2CH3 H ii) OH

12. La siguiente estructura representa, excepto: CH3 iii) A. i y iv CH3CH2 B. i y ii CH3 CH2CH3 D. iii y iv iv) E. i y iii Br Br

C C

C. ii y iii

9. De las siguientes estructuras Cul representan un par de enantimeros?

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A. La molcula de etano C. Los hbridos sp3 E. Un confrmero

B. La representacin de los enlaces sigma D. Un hidrocarburo

TEMA 12 HIDROCARBUROS

13. Dibuje los confrmeros del butano y del ciclohexano. 14. Qu propiedad del carbono explica la existencia de tantos compuestos del mismo? 15. Cules de los siguientes compuestos presentan isomera geomtrica?a) CH2 C(CH3)2 b) CH3CH CHCH3 c) d) CH3 C C CH3INSATURADOS

Los hidrocarburos son compuestos binarios formados por carbono e hidrgeno, son los principales componentes del petrleo y del gas natural. Teniendo en cuenta los tipos de enlace carbono carbono, hay dos clases principales de hidrocarburos: alifticos y aromticos.SATURADOS Alcanos Alquenos Alquinos ALIFTICOS HIDROCARBUROS Cicloalcanos ALICCLICOS Cicloalquenos C C C C C C

16. Indicar la hibridacin de los tomos de carbono en los siguientes compuestos.

a) CH3CH2CH=CH 2 b) CH3CH = C = O

c) CH3CH2 OH d) CH3C N

17. Explique cmo se forma el enlace sigma? Cmo se forma el enlace pi?Cicloalquinos

18. Por qu es necesario efectuar la hibridacin?AROMTICOS Benceno y sus homlogos

19. Qu factores determinan la geometra de una molcula? 20. De la siguiente frmula estructural condensada, cuntos enantimeros y diasteroismeros se puede obtener: HOOC-CHOH-CHOH-COOH 21. De la siguiente frmula estructural condensada, cuntos tomos de carbono son; primario, secundario, terciario y cuaternario: (CH3)3CCH2CH2CH(CH3)2 12.1. Hidrocarburos saturados alcanos. El adjetivo saturados, describe el tipo de enlaces de la molcula hidrocarbonada. Significa que cada tomo de carbono se encuentra unido en forma covalente a otros cuatro tomos mediante enlaces simples. Los compuestos se conocen tambin como parafinas o alcanos. El nombre de parafina (del latn, parum affinis, poca actividad) alude a su naturaleza no reactiva. El nombre alcano es el nombre genrico para esta clase de compuestos. La frmula general de los alcanos es CnH2n+2 . 12.1.1. Nomenclatura de alcanos. En la siguiente tabla se dan los nombres y frmulas de algunos hidrocarburos lineales o normales, para nombrar este tipo de alcanos se les da la terminacin

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ANO. Obsrvese que los cuatro primeros alcanos tienen nombres propios, mientras que a partir del quinto alcano, se utilizan prefijos de cantidad. Nombre Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Undecano Dodecano Frmula CH3CH2CH2CH2CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9CH3 CH3(CH2)10CH3 Nombre Eicosano Eneicosano Docosano Triacontano Hentriacontano Tetracontano Pentacontano Hexacontano Hectano Frmula CH3(CH2)18CH3 CH3(CH2)19CH3 CH3(CH2)20CH3 CH3(CH2)28CH3 CH3(CH2)29CH3 CH3(CH2)38CH3 CH3(CH2)48CH3 CH3(CH2)58CH3 CH3(CH2)98CH3

Ejemplos:

CH3CH27 6 5

9

8

CH3 CH2CH34 3 2 1

CH3CH23 4 5

1

2

CH3 CH2CH36 7 8 9

CH3 CHCH 2CH2CH CHCH 2CH3 Correcto9 8

CH3 CHCH 2CH2CH CHCH 2CH3 IncorrectoCH3

CH3CH2 CH37 6 5

CH3 CH2CH34

CH3 CH2

6

5

4

C CH2 CH3

CH2CH CH3 CH34-Etil-2,4-dimetilhexano

3

2

1

CHCH 2 CH2CH

CHCH2CH33 2 1

3-Etil-4,7-dimetilnonano

En el siguiente caso se puede observar que hay una ramificacin en otra ramificacin.CH 31 2

CH 35 6

Radicales de alcanos. Un radical es una molcula incompleta, los radicales de alcanos resultan de la prdida de un hidrgeno, para nombrar los radicales de alcanos se cambia la terminacin ANO del alcano por il o ilo. Alcano CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 Nombre Metano Etano Propano Butano Grupo alquilo -CH3 -CH2CH3 -CH2CH2CH3 -CH2CH2CH2CH3 Nombre(abreviatura) Metilo Etilo Propilo (Pr) Butilo (Bu) (Me) (Et)

CH 3CH CH 3

3

CHCH 2 CH 2CH7 8

4

CH 2CH9 10

CH 3

Se nombra como un decano 2,3,6-trisustituido

CH 2CH 2CH 2 CH 3

En este caso a esta ramificacin con subramificacin se le denomina sustituyente complejo, y para numerar, se numera la cadena principal y se identifican los sustituyentes, en el nombre principal se escribe entre parntesis. Ejemplos:5-(1,2-dimetilpropil)

12.1.2. Nomenclatura de alcanos ramificados. Para poder nombrar alcanos ramificados se debe tener en cuenta las siguientes reglas: Identificar la cadena principal, que es la que contiene el mayor nmero de tomos de carbono. Numerar la cadena principal, comenzando por el extremo ms cercano a la ramificacin. Identificar a los sustituyentes, asignndoles posiciones numricas. Escribir el nombre del compuesto como una sola palabra, utilizando comas para separar los nmeros y guiones para la separacin entre letras y nmeros.9 8 7 6

H3C CH35 1 2

6-(2-metilpropil)

CH3CH2CH2CH2CHCHCHCH 34

CH33 4

CH35 6 8 10

CH2CH2CHCH3 CH31

3

2

CH3CHCHCH2CH2CHCH2CHCH3 CH3 CH2CH2CH2CH3

2-Metil- 5-(1,2-dimetilpropil) nonano

2,3-Dimetil- 6-(2-metilpropil) decano

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Isomera: Los alcanos dan lugar a ismeros de cadena a partir del butano:Butano C 4H10 CH3 CH2 CH2 CH3 n-Butano CH3 CH CH3 dos ismeros CH3 2-Metilbutano CH3 Pentano C 5H12 CH3 CH2CH2CH2CH3 n-Pentano CH3 CH2CHCH 3 2-Metilbutano CH3 CH3 C CH 3 CH3 tres ismeros 2,2-Dimetilpropano

12.1.4. Obtencin de alcanos. La fuente principal de obtencin de alcanos es el petrleo y el gas natural que est formado bsicamente de metano, etano y otros alcanos menores, los otros alcanos se obtienen por cracking trmico y cataltico del petrleo. En el laboratorio se puede obtener metano por pirolisis del acetato de sodio, en presencia de cal sodada (NaOH + CaO).

CH3COONa (s)12.1.5. Reacciones de alcanos.

f NaOH.CaO

CH4(g)

12.1.3. Nomenclatura de cicloalcanos. Para nombrar cicloalcanos se antepone la palabra ciclo seguido del nombre que indica el nmero de carbonos. Los cicloalcanos se representan como figuras geomtricas:

Los alcanos se caracterizan por su escasa reactividad, para que reaccionen se necesitan condiciones muy enrgicas, como calor o radicacin electromagntica: Reaccin de combustin: C3H8 + 5O 2 Reaccin de halogenacin:

3CO 2 +

4 H 2O

+ Energa

ciclopropano

ciclobutano

ciclopentano

ciclohexano

cicloheptano

CH4 + Cl 2

luz

CH 3Cl + HCl

Ejemplos:

Esta es una reaccin de SUSTITUCION, los hidrocarburos saturados solo dan reacciones de sustitucin.

CH33 carbonos

CH2CH2CH2CH34 carbonos

12.2. Alquenos. A los alquenos tambin se les conoce como olefinas (Olefiante = formador de aceite). Tiene la frmula general CnH2n. 12.2.1. Nomenclatura de alquenos.CH2 CH2 CH3CH CH2 Propeno CH3CH2CH But-1-eno CH2 CH3CH CHCH3

Metilciclopentano

1-Ciclopropilbutano Tiene prioridad la cadena con mayor nmero de carbonos

CH31 6 5 4 2 3 2 3

CH31 6 4 5

Eteno

But-2-eno

CH3

CH3

1,3-Dimetilciclohexano

1,5-Dimetilciclohexano

Se puede observar que aqu tambin se presenta el fenmeno de isomera, en este caso se forman ismeros de posicin, en el caso de Buteno, este tiene dos ismeros. Un hidrocarburo con dos dobles enlaces es un dieno, mientras que uno con tres dobles enlaces es un trieno. Ejemplos:

Para numerar se deben dar las posiciones ms bajas posibles.

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CH3H C CHCH2

CH

2

CH 2 CCH

CH2

CH2 CHCH

CHCH

CH 2

CH3CH2CH3

catalizador

CH3CH=CH2 + H2

Buta-1,3-dieno un dieno

2 Metilbuta-1,3-dieno un dieno

Hexa-1,3,5-trieno un trieno

En el laboratorio se obtienen alquenos por deshidratacin de alcoholes, el deshidratante ms comn para este proceso es el cido sulfrico.

CH 3CH2OH Etanol

H2SO4

CH 2=CH 2 eteno

+ H2O

Radicales de alquenos: Al igual que los alcanos, los alquenos tambin dan lugar a la formacin de radicales por prdida de un hidrgeno, para nombrarlos se utilizan las terminaciones enil.

12.2.3. Propiedades fsicas. Desde el eteno hasta el buteno son gases, desde el pentano hacia delante son lquidos, al igual que los alcanos son insolubles en el agua, pero si son solubles en solventes orgnicos. 12.2.4. Propiedades qumicas. Los alquenos son muy reactivos, debido a la presencia del enlace pi dando reacciones de adicin, de oxidacin y de polimerizacin. Reacciones de adicin: a) Adicin de X2. Los alquenos reaccionan con los halgenos dando derivados dihalogenados.

Eteno

H2C = CH 2

Propeno CH3CH=CH 2

Etenil ( vinil) CH3CH=CH - Prop-1-enil H2C=CHCH 2 - Prop-2-enil (alilo)

H2C = CH -

El enlace pi impide la libre rotacin de los grupos alrededor de un doble enlace; consecuentemente, los alquenos pueden exhibir isomera geomtricaH C H3C C Htrans -But-2-eno

CH 3

H3C C H C

CH 3 Hcis -But-2-eno

H2C CH2 + Cl2 eteno

H2C CH2 Cl Cl dicloroetano

Tambin hay estructuras cclicas con dobles enlaces:

b) Adicin de H2. Cuando se adiciona hidrgeno, se forma el alcano correspondiente, esto se hace en presencia de catalizadores de Ni-Pt.

H2CCiclopropeno Ciclobuteno Ciclopenteno Ciclohexeno

CH2 + H2 eteno

H2C

CH2

H H etano

12.2.2. Obtencin de alquenos Tambin la fuente principal de alquenos es el petrleo, mediante la deshidrogenacin cataltica de alcanos:

c) Adicin de HX. Se obtienen derivados halogenados. En este caso se debe tener en cuenta si la adicin es sobre un alqueno simtrico o asimtrico, y seguir la regla de Markovnikov que dice en la adicin de HX el hidrgeno se une al carbono que tiene ms hidrgenos, mientras que X se une al carbono que tiene menos hidrgenos

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CH2CH

CHCH2 + HCl

But-2-enoCH3 CH3 CH3C CHCH2 + HCl 2-Metilbut-2-eno (asimtrico) CH2C Cl CH3 CH2C H

CH2CH CHCH2 H Cl 2-ClorobutanoCHCH2 2-Cloro-2-metilbutano (nico producto) H

Ejemplos de obtencin de polmeros:

n H2C CH H EtenoH2C CH Cl

CH2CHCH 2CHCH 2CH H H H n

CH 2CH H n

polietileno (PE)CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl Policloruro de vinilo (PVC)CH 2CHCH 2CHCH 2CHCH 2CH CN CN Poliacrilonitrilo (Orln) CN CN CH2CH CN n

CH2CH Cl n

CHCH2 Cl

2-Cloro-3-metilbutano (no se forma)

Cloruro de viniloH2C CH

d) Adicin de H2O. Esta reaccin se conoce como hidratacin de alquenos, en este caso se obtienen alcoholes.

CN Acrilonitrilo

H2C

CH2 + H2O eteno

H2C

CH2

12.2.5. Aplicaciones. La mayor aplicacin de los alquenos eteno, propileno y metil propileno, est dirigida hacia la obtencin de plsticos, polietileno, polipropileno y el caucho sinttico que es un polmero del butadieno. 12.3. Alquinos. Los alquinos son hidrocarburos que contienen un triple enlace CC . El alquino ms sencillo es el etino o acetileno (HCCH), por lo que a los alquinos de la serie homloga se les llama tambin hidrocarburos acetilnicos. Los alquinos son ismeros de los dienos. La estructura electrnica del triple enlace de un alquino es muy similar a la del doble enlace de un alqueno. El acetileno tiene dos carbonos sp con enlaces sigmas lineales y dos enlaces pi que unen a los carbonos sp . Debido a que un orbital sp tiene ms carcter s, los electrones de este orbital estn ms prximos al ncleo del tomo de carbono que los electrones en un orbital sp2 o sp3 . Por lo tanto, el tomo de carbono sp de un alquino, es ms electronegativo que la mayora de los otros tomos de carbono. As, un enlace CH de un alquino es ms polar que un enlace CH de un alqueno o que uno alcano. 12.3.1. Nomenclatura. Antiguamente, se usaban nombres comunes para la nomenclatura de los alquinos sencillos, en la que el acetileno (CH CH) se consideraba como base. Los grupos unidos a los tomos de carbono sp se nombraban como sustituyentes del acetileno.

H OH etanol

Reacciones de oxidacin: a) Oxidacin sin ruptura, oxidacin con KMnO4 en fro, en este caso se forman dioles.

H2C

CH2 + KMnO 4 frio

H2C

CH2

eteno

HO OH etanodiol

b) Oxidacin con ruptura, oxidacin con KMnO4 en caliente, en este caso se forman cidos carboxlicos correspondientes.

H2C CHCH3 + KMnO4 eteno

f

HOOCH + HOOCCH3 dos cidos carboxlicos

Reacciones de polimerizacin: El polietileno es el polmero ms conocido, tiene como unidad fundamental el monmero eteno (CH2=CH2).

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CH3-CCH 3CH 2C CCH 3 CH 3C CCH3

C-CH3 +

HCl

CH

C

C

CH5,7- Dimetil non - 3 - ino ino

Pent -2- ino

But -2- ino

Buta - 1,3 - diino

But-2-ino simtrico

CH3-C C-CH3 H Cl 2-Clorobut-2-eno

12.3.2. Obtencin Debido a la reactividad del triple enlace, existe un poco de dificultad para la sntesis de alquinos, el enlace CC se encuentra en una diversidad de organismos vivos, particularmente en algunos mohos. El acetileno es una materia prima orgnica abundante y de gran importancia industrial. Puede prepararse fcilmente por la reaccin entre el carburo de calcio y el agua:

CH3-C C-H 1-Cloropropeno H Cl (no se forma) CH3-C C-H Propino asimtrico + HCl CH3-C C-H 2-Cloropropeno Cl H

CaC2

+ 2H 2 O

HC

CH

+ Ca(OH)2

c. Adicin de HCN El producto de la adicin del HCN da la formacin de los cianoalquenos de los cuales el cianoetileno es un importante producto qumico.

12.3.3. Propiedades fsicas El acetileno es un gas incoloro, insoluble en el agua y posee un olor desagradable. El acetileno arde con llama muy luminosa; uno de sus primeros usos fue como combustible en lmparas para mineros. Este gas se usa en la soldadura oxiacetilnica que se usa para soldar y cortar metales. 12.3.4. Propiedades qumicas En su mayor parte, las reacciones de los alquinos son estrictamente anlogas a las de los alquenos, es decir dan reacciones de ADICIN, con la diferencia de que en vez de adicionar un mol de reactivo, adicionan dos moles de reactivo. a. Adicin de X2 En este caso adicionan dos moles de halgeno, formando derivados tetrahalogenados:CH3C Propino CH + Cl 2 CH3C CH + Cl 2 Cl Cl 1,2-Dicloropropeno Cl Cl CH3C CH Cl Cl 1,1,2,2-Tetracloropropano

H-C

C-H

+

HCN

H-C H

C-H Cianoetileno CN (acrilonitrilo)

d. Formacin de acetiluros. Esta reaccin es propia de los alquinos terminales, en este caso el alquino pierde un hidrgeno frente a una base muy fuerte como el amiduro de sodio, el alquino se comporta como si fuera un cido.

H-C

C-H + NaNH 2 amiduro de sodio

H-C C Na + NH 3 acetiluro de sodio

Tambin se pueden obtener acetiluros de plata o de cobre haciendo pasar acetileno gaseoso por una solucin amoniacal de cloruro cuproso o de nitrato de plata.

HC C H

CuCl AgNO3 HC C Cu o HC C Ag NH4 OH acetiluro de plata acetiluro de cobre Los acetiluros de cobre y de plata se diferencian de los de sodio en que aquellos son extremadamente sensibles al impacto. En estado seco son muy explosivos.

b. Adicin de HX En este caso al igual que los alquenos depende si el alqueno es simtrico o asimtrico para seguir la regla de Markovnikov.

12.4. Hidrocarburos aromticos. El benceno es el ms simple de la familia aromtica, su frmula molecular C6H6 indica que slo existe un tomo de hidrgeno por cada tomo de carbono de la molcula. Esto implica un alto grado de insaturacin y, por tanto, podra predecirse una gran reactividad para la molcula; pero esto no es as, ya que el

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benceno es altamente estable, es ms, no da reacciones de adicin sino ms bien, reacciones de sustitucin como si fueran hidrocarburos saturados. August Kekul en 1865 propuso que el benceno era una estructura hexagonal con dobles enlaces (simples y dobles alternados) y en cada carbono hay un solo tomo de hidrgeno que son equivalentes, esto sugiere que los dobles enlaces no son estticos sino que son mviles.

CH3

OH

NH2

CHO

CH=CH2

Tolueno

Fenol

Anilina

Benzaldehdo

Estireno

b. Hidrocarburos aromticos disustituidos. Cuando el benceno tiene dos sustituyentes existen tres posibilidades para ordenarlos: Para explicar la estabilidad del benceno se hace uso de la teora de resonancia qumica, donde la estructura real del benceno, difcil de representar es un hbrido de resonancia, los electrones se encuentran resonando por encima y por debajo del plano hexagonal de carbonos.

X

1

X2 Y

X1

1 3

Y para (p-) El sistema orto, meta y para es de uso exclusivo de sistemas cclicos aromticos. orto (o-)Ejemplos: A continuacin se ilustra el uso de estos prefijos para nombrar algunos bencenos.

Y meta (m-)

4

Cl Br BrMientras que la longitud de los enlaces sencillos C-C es de 1,54 y la de los dobles enlaces C-C es de 1,34 , los enlaces carbono-carbono del benceno tienen longitud de 1,39. Esto se evidenci experimentalmente por difraccin de rayos X. 12.4.1. Nomenclatura. a. Hidrocarburos aromticos monosustituidos. Los hidrocarburos aromticos monosustituidos tienen nombres propios.o - dibromobenceno

Cl

OHp - clorofenol

NH 2m - cloroanilina

Cuando en una estructura hay un nombre propio, esta tiene prioridad en el nombre del compuesto, como en el caso del p-clorofenol y la m-cloroanilina. c. Hidrocarburos aromticos con tres o ms sustituyentes. Si en un anillo bencnico hay tres o ms sustituyentes, se deben usar nmeros.

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CH 3 Br Br Br O 2N Cl NH2 O 2N NO2

CH2CH2CH2CH3 Butilbenceno

CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 1-Fenilheptano

NO22,4,6-trinitrotolueno

12.4.2. Obtencin. La principal fuente de obtencin de hidrocarburos aromticos es el petrleo y del carbn. 12.4.3. Propiedades fsicas. Al igual que los hidrocarburos alifticos y alicclicos, el benceno y otros hidrocarburos aromticos son no polares. Son insolubles en el agua, pero solubles en disolventes orgnicos, tales como ter dietlico, tetracloruro de carbono o hexano. El benceno mismo es un disolvente que se ha usado ampliamente.

1,2,4 - tribromobenceno

2 - cloro-4-nitroanilina

d. Hidrocarburos aromticos policclicos. Algunos tienen nombres propios:

Naftaleno

Antraceno

Fenantreno

Benzopireno

El benceno tiene un punto de fusin que es 100C ms alta que la del tolueno, o la del etilbenceno; esto se debe al perfecto empaquetamiento del benceno y a la disimietra que introducen las cadenas laterales. El benceno es muy voltil y sus vapores son inflamables y txicos (con accin cancergena), por lo que hay que manejarlo con gran cuidado. Es interesante notar que muchos de los compuestos que se encuentran en el alquitrn de hulla que contienen cuatro o ms anillos bencnicos fusionados son carcingenos.

Otros de estructura regular utilizan prefijos de cantidad.

Tetraceno

Pentaceno

Los hidrocarburos aromticos tambin dan lugar a la formacin de radicales, a estos se les denominan radicales arlicos, por ejemplo:

CH2

CH3

benzopireno

benzantraceno

fenil

bencil

naftil

m-tolil

Los hidrocarburos formados por una parte aromtica y otra aliftica reciben el nombre de arenos, para nombrarlos se debe tener en cuenta el nmero de carbonos de cada parte, el que tenga el mayor nmero de carbonos tiene prioridad en la nomenclatura.

12.4.4. Propiedades qumicas. Debido a la estabilidad que se obtiene por resonancia, los hidrocarburos aromticos dan reacciones de sustitucin, pero en presencia de catalizadores cidos de Lewis. Las principales reacciones son: a. Halogenacin. La halogenacin se efecta tratando con un halgeno en presencia de una sal del mismo halgeno:

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Br + Br2 Bencenob. Nitracin La nitracin se consigue tratando benceno con una mezcla de cido ntrico concentrado y cido sulfrico concentradoFeBr3

+ Bromobenceno

HBr

ingiere. Entre los compuestos necesarios para el metabolismo animal pueden mencionarse los aminocidos Fenilalanina, Tirosina y Triptofano y ciertas vitaminas como la vitamina K, riboflavina y cido flico. 12.5. Ejercicios 1. Indique el nombre incorrecto del hidrocarburo, segn IUPAC: A. 2,2-dimetilbutano B. 2,2,3-trimetilbutano C. 3,3-dietil-5,5-dimetilheptano D. 2,4-dietilpentano E. 3-etil-4-metilhexano Cul de las siguientes relaciones, radical y nombre es incorrecto? A. CHC : etinil B. CH2=CH : etenil C. CH3-CH2 : etil D. C6H5 3. : fenil E. CH4 : metil

+ HNO 3 Bencenoc. Sulfonacin

H2SO 4

NO2

+ H2ONitrobenceno

2.

El benceno al ser tratado con cido sulfrico caliente, produce un derivado soluble en agua, el cido bencensulfnico.

+ H2SO4 Benceno12.4.5. Aplicaciones

f

SO3H

Qu hidrocarburo se obtiene por cracking cataltico del acetato de sodio con cal sodada? A. Na2CO3 B. CaCO3 C. CH4 D. CH3-CH3 E. CH2=CH2 A partir de qu hidrocarburo se obtiene un solo producto monoclorado por el proceso de cloracin fotocalaltico. A. Pentano B. Isopentano C. Neopentano D. Eteno E. Etino Cul es el hidrocarburo que por combustin completa da como producto dos moles de CO2 y un mol de H2O? A. Metano B. Etano C. Eteno D. Etino E. Propano Una mezcla de 15ml. de etano y metano dio por combustin completa, 20ml. de dixido de carbono. Cul es la composicin volumtrica de la mezcla? A. 5, 10 B. 7, 8 C. 10, 6 D. 5, 9 E. 4, 10

+ H2O4.

Acido bencensulfnico5.

En la industria el benceno se utiliza como solvente y como material de partida para la fabricacin de muchos otros productos. El tolueno se emplea como disolvente de lacas y en la fabricacin de colorantes, medicamentos y explosivos. Los xilenos son buenos disolventes de las grasas y aceites, se emplean en la limpieza platinas y lentes pticos de los microscopios. El nitrobenceno se utiliza mucho en la fabricacin de anilina un componente bsico de colorantes y medicamentos. El fenol es un antisptico y germicida Las sustancias que contienen el anillo bencnico se encuentran comnmente en los reinos animal y vegetal. No obstante son ms abundantes en el reino vegetal. Los vegetales tiene la capacidad de sintetizar el anillo bencnico a partir de dixido de carbono, agua y otros materiales inorgnicos. Los animales no pueden realizar esta sntesis y son dependientes de los compuestos bencenoides para su supervivencia. Por lo que el animal debe obtener estos compuestos a partir de los alimentos que

6.

7.

Los compuestos que son derivados de la sustitucin de los hidrgenos del acetileno por tomos de metal (Na, Cu, Ag, etc) se llaman: A. Acetiluros B. Hidruros C. Carburos D. Cianuros E. Sales

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El Carburo de calcio comercial es de 64% de pureza Qu volumen en litros de acetileno se puede obtener en condiciones normales a partir de un kilogramo de carburo? (Ca=40, C=12, H=1) A. 22,4 B. 22,4x102 C. 224 D. 22,4x103 E. 22,4x10-2

15. Un hidrocarburo tiene una masa molar de 114 g/mol; Cul es el nombre del hidrocarburo? a) Octano B. Octeno C. Octino D. Cicloocteno E. Ciclooctino 16. Dos hidrocarburos A y B tienen una masa molar de 84 g/mol cada uno. El hidrocarburo A no reacciona con el KMnO4 pero si reacciona con el bromo, mientras que el hidrocarburo B reacciona con KMnO4 y con el bromo. Los nombres de los hidrocarburos A y B son: A. Ciclohexano hexeno C. Ciclohexano y ciclohexeno E. Hexano y ciclohexeno B. Hexano y hexeno D. Ciclohexeno y ciclohexano

9.

A partir de que hidrocarburo, por oxidacin con permanganato de potasio se obtiene 2 moles de acido etanoico? A. CH3-CH=CH2 B. CH3-CH=CH-CH3 C. CH3-CH2-CH=CH2 D. CH3-CCH E. CH3-CH=CH-CH2-CH3

10. La composicin de un alcohol es C5H12O; que por deshidratacin con cido sulfrico concentrado da lugar a una mezcla de 2-metilbut-1-eno y 2-metilbut-2-eno. Indicar el nombre del alcohol. A. Pentan-1-ol D. 4-metilbutan-2-ol B. 2-metilbutan-1-ol E. 3-metilbutan-1-ol C. 2-metilbutan-2-ol

17. Qu producto se obtiene por reaccin de adicin del cloruro de hidrgeno sobre, 2-metilbut-2-eno? 18. Cul es la clasificacin del hidrocarburo que decolora una solucin de bromo en tetracloruro de carbono y permanganato de potasio? 19. Ordene en forma ascendente segn la temperatura de ebullicin de los siguientes compuestos: metano, propano, hexano, 2-metilpentano y 2,2dimetilbutano. 20. Sustancia de composicin C4H4, forma un precipitado al ser tratado con solucin de nitrato de plata amoniacal, adiciona tres moles de hidrgeno por cada mol y libera dixido de carbono por oxidacin con solucin de permanganato de potasio en medio cido. Cul es el nombre del compuesto? 21. D el nombre de los siguientes compuestos: a. b. c. d. (CH3)2CHCH2CH2CH(CH3)CH2CH3 CH3CH2CH2C(CH3)3 (CH3)2CHC(CH3)2C(C2H5)3 (CH3)2CHCH(C3H7)CH2CH(CH3)2

11. A partir de que alqueno se puede obtener, por hidratacin un alcohol terciario? A. Eteno D. 3-metilbut-1eno B. Propeno E. 3,3-dimetilbuteno. C. Metilpropeno

12. Qu sustancia Ud. Utilizara como reactivo para obtener propano-1,2-diol a partir del propeno? A. O3 B. KMnO4 C. H2O D. CaO E. H2SO4 13. Cul es el alqueno que por oxidacin con permanganato de sodio en medio cido y calor puede dar como producto una mezcla de propanona, dixido de carbono y agua? A. But-2-eno D. Pent-2-eno B. But-1-eno E. Eteno C. Metilpropeno

14. El compuesto que se presenta en la figura se denomina: a) 3-amino-5-clorofenol b) 1-hidroxi-3-Cloro-5-aminobenceno c) 1-hidroxi-4-Cloro-2-nitrobenceno d) Cloroaminobenzol e) Nitroclorobenzol

22. Cmo se obtiene industrialmente el acetileno?

OH

23. Un hidrocarburo de frmula molecular C4H6 reacciona con dos moles de cloro para dar C4H6Cl4.Cul es la estructura del compuesto original? 24. Un hidrocarburo de frmula molecular C5H8 se combina con dos moles de hidrgeno para dar el 2-Metilbutano. Cul es la frmula estructural del compuesto?

Cl

NH2

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25. Escriba las frmulas estructurales de los siguientes compuestos: a) Oct-4-ino b) 2-clorobuta-1,3-dieno c) 3,3-dimetilciclobuteno d) 4-etil-2-metilhex-1-eno e) Cicloocta-1,3,5,7-tetraeno 26. Escriba la frmula estructural de los siguientes compuestos. A. m-xileno B. p-dinitrobenceno C. 2-bromo-1,3-dimetilbenceno D. 3,4-Dimetiltolueno E. Fenilacetileno 27. Cul es el producto que se espera cuando dos moles de HCl se agregan sucesivamente al acetileno? 28. Nombrar las siguientes estructuras:d) b) c)

TEMA 13 COMPUESTOS ORGNICOS OXIGENADOS

13.1. Alcoholes Los alcoholes pueden considerarse como los derivados orgnicos del agua, donde uno de los hidrgenos es sustituido por un grupo orgnico: H - O - H pasa a ser R O H.

OH C OH OHUn fenol

C

C

Un alcohol

Un enol

h) g) e) f) i)

El etanol, por ejemplo, es una de las sustancias orgnicas ms simples y mejor conocidas, y se usa como aditivo de combustibles, como solvente industrial y en bebidas. 13.1.1. Clasificacin

j) k) l)

m)

Un alcohol puede clasificarse como primario (1), secundario (2) o terciario (3), dependiendo del nmero de sustituyentes de carbono unidos al tomo C que tiene el grupo hidroxilo.H H OH R C RUn alcohol secundario (2)

R OH R C RUn alcohol terciario (3)

n)

o)

p)

R

C H

OH

Un alcohol primario (1)

Por el nmero de oxidrilos los alcoholes pueden ser monoles y polioles:

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Monoles CH3OH CH3CH2OH OH

Polioles CH2 - CH2 OH OH un diol CH2 OH CH OH un triol CH2 OH

13.1.4. Propiedades fsicas. En la siguiente tabla se ven los puntos de ebullicin de algunos alcoholes: Alcohol CH3 - OH CH3CH2-OH CH3CH2CH2-OH CH3(CH2)10CH2-OH CH3OH-CHOH-CH2 -OH p. eb. (C) 64,5 78,3 97 Solubilidad Soluble Soluble parcialmente insoluble soluble

13.1.2. Nomenclatura Los alcoholes simples se nombran en el sistema IUPAC como derivados del alcano principal, usando el sufijo ol: CH3OH CH3CH2OH OH Ciclohexanol OH Fenol OH Naftol CH2 OH CH OH CH2 OH Metanol (alcohol metlico) Etanol (alcohol etlico) CH2 - CH2 OH OH

Etano 1-2 diol

Como se puede ver no existen alcoholes gaseosos, todos son lquidos y los de mayor masa molar son slidos. La causa de los puntos de ebullicin altos es que los alcoholes, como el agua, estn muy asociados en solucin debido a la formacin de los llamados puentes de hidrgeno.

R Od+ d-

R Od+ d-

R O Hd+ d-

H

H

Propano-1,2,3-triol (glicerina)

O

d-

d+

H

O

d-

H

d+

R

R

13.1.3. Obtencin Los alcoholes se obtienen por hidratacin de alquenos:

H2C

CH2 + H2O

H2C

CH2

Eteno

H OH Etanol2 CH3 CH2 OH + 2 CO 2

Los alcoholes son solubles en el agua debido a que se puede formar enlace puente de hidrgeno entre el alcohol y el agua, pero la solubilidad de los alcoholes disminuye a medida que se incrementa la cadena carbonada. Otro factor que se debe tener en cuenta para predecir la solubilidad es la presencia de uno o ms grupos OH, en el caso del propanol es parcialmente soluble, mientras que la glicerina (propanotriol) es soluble. 13.1.5. Propiedades qumicas Las propiedades qumicas de los alcoholes dependen del grupo - O H, aqu se puede ver que hay ruptura del enlace O H y ruptura del enlace C OH. a. Reaccin de acidez Los alcoholes se comportan como cidos cuando pierden el hidrgeno del O H, esto sucede solo cuando los alcoholes estn frente a los metales alcalinos.

Otro mtodo de obtencin de etanol es por fermentacin de carbohidratosC6 H 12 O6 Enzimas de la levadura

El metanol y el etanol son dos de los compuestos qumicos industriales ms importantes. En la actualidad se produce metanol por reduccin cataltica de CO con hidrgeno gaseoso.

CO

+

2H

400C

2

xido de cinc/cromo

CH OH 3

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un alcohol CH3CH2-O-H + Na etanol

un alcxido CH 3CH2-O-Na + 1/2 H2 etxido de sodio

alcohol 3 CH3 H3C C OH + [Ox] No hay reaccin CH3 2-metilpropan-2-ol (ter-butanol)13.1.6. Aplicaciones. El alcohol etlico comercial de 95% de pureza se emplea como disolvente, en la fabricacin de perfumes, pinturas, lacas barnices y goma laca, tambin se usa en la fabricacin de otros compuestos orgnicos. El propan-2-ol (alcohol isoproplico) no se absorbe por la piel y su uso principal es como frotacin. El etanodiol (etilenglicol), se usa como anticongelante en radiadores de los motores debido a su eficacia para bajar el punto de congelacin del agua. La glicerina es un lquido viscoso de sabor dulce, soluble en agua, se utiliza en la fabricacin de perfumes y cosmticos; en tintas y arcilla