Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparaciónGUÍA 1 - CIENCIAS 248 En este capítulo, el lector aprenderá a ordenar los electrones de acuerdo a la mecánica cuántica, en niveles de energía, subniveles de energía y en orbitales. Las mismas que serán de mucha utilidad para la comprensión de las propiedades químicas de los elementos, debido a que estas dependen fundamentalmente de los electrones de la capa externa de sus átomos. Se denomina nube electrónica a la región del átomo que rodea al núcleo, en esta se hallan los electrones ubicados específicamente en las regiones de máxima probabilidad denominada orbital o REEMPES NIVELES DE ENERGÍA (n) Son órbitas de forma circular que tienen energía cuantizada en donde se hallan los electrones girando a grandes velocidades para no ser atraídos por el núcleo; los niveles fueron descubiertos por Niels Bohr, y se pueden representar con letras (K,L,M,N,O,P,Q.) y con números enteros positivos (1,2,3,4,5,6,7.). El número máximo de electrones que tiene cada nivel de energía fue determinado por Ridberg empleando la siguiente fórmula: DONDE EJEMPLO 2 ) 1 ( 2 K = 2 electrones 2 ) 2 ( 2 K = 8 electrones 2 ) 3 ( 2 K =18 electrones 2 ) 4 ( 2 K = 32 electrones 2 ) 4 ( 2 K =32 electrones 2 ) 3 ( 2 K =18 electrones 2 ) 2 ( 2 K = 8 electrones SUBNIVELES DE ENERGÍA (l) Son pequeñas órbitas que nacen de la pequeña energía que los niveles emiten; fueron descubiertos por Arnold Sommerfield y se pueden representar de dos formas: A) Representación espectroscópica (Con letras): s, p, d , f, …º NOMBRE NOTACIÓN Sharp (nítido) Principal Diffusse (difuso) Fundamental s p d f B) Representación cuántica (Con números) : 0, 1, 2 , 3, … El número máximo de electrones que tiene cada subnivel fue determinado empleando la siguiente fórmula: EJEMPLO: ] 1 ) 0 ( 2 [ 2 s 2 electrones ] 1 ) 1 ( 2 [ 2 p 6 electrones ] 1 ) 2 ( 2 [ 2 d 10 electrones ] 1 ) 3 ( 2 [ 2 f 14 electrones OBSERVACIÓN: Los números de Ridberg también indican la cantidad de subniveles que tiene cada nivel de energía Ridberg K L M N O P Q 1 2 3 4 4 3 2 s s s s s s s p p p p p p d d d d f f CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Es el ordenamiento de los electrones en orden creciente a su energía; y fue hecho por Moller mediante la regla del serrucho Y se encontró el siguiente orden: 1s < 2s <2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p NIVEL K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 S U B N I V E L E S 1s 2 2s 2 3s 2 4s 2 5s 2 6s 2 7s 2 2p 6 3p 6 4p 6 5p 6 6p 6 7p 6 3d 10 4d 10 5d 10 6d 10 4f 14 5f 14 # de subniveles 1 2 3 4 4 3 2 # de orbitales 1 4 9 16 16 9 4 # e 2 8 18 32 32 18 8 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 249 GUÍA 1 - CIENCIAS OBSERVACIÓN: También para hallar este ordenamiento se puede emplear la siguiente regla práctica “ Su - so pa - so pa - se da pensión - se da pensión - se fue de paseo - se fue de paseo “ “ Su - so pa - so pa - se da pensión - se da pensión - se fue de paseo - se fue de paseo “ s - s p - s p - s d p - s d p - s f d p - s f d p 1s - 2s 2p - 3s 3p - 4s 3d 4p - 5s 4d 5p - 6s 4f 5d 6p - 7s 5f 6d 7p EJEMPLOS Hallar la configuración electrónica de los siguientes elementos: a) As 33 = s s p s p s d p 2 2 6 2 6 2 10 3 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p b) Zr 40 = s s p s p s d p s d 2 2 6 2 6 2 10 6 2 2 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA SIMPLIFICADA Se puede realizar con los gases nobles usando la configuración de un gas noble más cercano, la misma que se denota mediante su símbolo entre corchetes; de esta manera quedarán pocos electrones para distribuir: 2 10 18 36 54 86 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn EJEMPLOS Determinar las configuraciones electrónicas simplificadas de los elementos: Arsénico (Z=33) y Zirconio (Z=40) a) As 33 = 2 2 6 2 6 2 10 3 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p As 33 = [Ar] 3 10 2 p 4 d 3 s 4 b) Zr 40 = 2 2 6 2 6 2 10 6 2 2 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d Zr 40 = [Kr] 2 2 d 4 s 5 ELEMENTOS ANTISERRUCHOS Se caracterizan porque sus configuraciones electrónicas terminan inicialmente en: 4 d y 9 d ; sus configuraciones electrónicas se modifican porque se tiene que llevar a un electrón del máximo nivel, al subnivel del tipo “d” ; pero en el caso del Paladio (Z=46), se tiene que llevar a dos electrones EJEMPLOS Ar 18 Kr 36 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 250 ELECTRONES DE VALENCIA Son aquellos que intervienen en todas las reacciones químicas; son los que determinan las propiedades químicas de los elementos; se ubican en el último nivel de energía EJEMPLOS Hallar los electrones de valencia de los elementos: Arsénico (Z=33) y Plata (Z=47) ELECTRONES KERNELL Son aquellos que no intervienen en las reacciones químicas EJEMPLO DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA DE LOS IONES A) Iones positivos o cationes Son generados por los metales cuando pierden sus electrones de valencia EJEMPLOS: a) Na 11 - e 1 1 11 Na (10 e ) b) e 2 Ca 20 ) e 18 ( Ca 2 20 B) Iones negativos o aniones Son generados por los no metales cuando ganan electrones para cumplir con la regla del octeto EJEMPLOS: a) e 1 F 9 ) e 10 ( F 1 9 b) e 2 S 16 ) e 18 ( S 2 16 ESPECIES ISOELECTRÓNICAS: Son aquellas que tienen igual número de electrones EJEMPLOS a) Ne 10 ; 1 11 Na ; 1 9 F (Todas las especies tienen 10 electrones) b) 2 20 Ca ; 3 15 P ; 1 17 Cl (Todas las especies tienen 18 electrones) TEORÍA CUÁNTICA Se Basa a) Estados Estacionarios. BOHR b) Dualidad de la materia. DE BROGLIE c) Principio de Incertidumbre. HEISENBERG Postula a) Los electrones vibran tridimensionalmente en torno al núcleo. b) Cuando los electrones vibran en un determinado nivel no ganan ni pierden energía, esta es estacionaria. c) Los electrones son de naturaleza corpúsculo-onda. Partículas que se desplazan describiendo ondas. DUALIDAD. d) Es imposible determinar la velocidad y posición de un electrón en un mismo instante. Indeterminismo o Incertidumbre. e) ORBITAL (reempe o kernel). Región del espacio donde solo hay la probabilidad de encontrar un electrón. ORBITAL O REEMPE Es la pequeña región de espacio atómico, en donde existe la máxima probabilidad de poder encontrar un electrón; todo orbital puede contener como máximo 2 electrones que se ubican con los spin o sentidos contrarios y se le representa de la siguiente manera: TIPOS DE ORBITALES A) Orbitales tipo “s” Son aquellos que tienen forma esférica; pertenecen al subnivel “s” y se le representa con el cero (0) Orbital tipo “s” B) Orbitales tipo “p” Tienen forma elíptica, pertenecen al subnivel “p”, se clasifican en: x y z p , p , p , su representación cuántica es: -1 , 0 , +1 respectivamente C) Orbitales tipo “d” Tienen forma elíptica, pertenecen al subnivel “d”, presentan 5 orientaciones en el espacio tridimensional y se clasifican en: d , d , d , d , d 2 2 2 xy xz yz x y z , cuyas representaciones cuánticas son: -2 , -1 , 0 , +1 , +2 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 251 GUÍA 1 - CIENCIAS D) Orbitales tipo “f” Son complejos y corresponden al subnivel “f” (l=3), son complejos y tienen 7 orientaciones : 1 f , 2 f , 3 f , 4 f , 5 f , 6 f , 7 f y cuánticamente se les representa con: -3 , -2 , -1 , 0 , +1 , +2 , +3 DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA EN LOS ORBITALES Regla de Hund: Principio de máxima multiplicidad “Para distribuir electrones en los orbitales p, d y f; primero se llena cada orbital con un electrón y luego se empieza con el apareamiento” EJEMPLOS a) 2 8 s 1 O 2 s 2 4 p 2 b) 7 2 27 d 3 s 4 ] Ar [ Co Último electrón 27 Co=[Ar] 2 2 2 xy xz yz -y x z ↑↓ ↓↑↑↓↑↑↑ 4s 3d 3d 3d 3d 3d ELEMENTOS PARAMAGNÉTICOS Son aquellos que tienen propiedades magnéticas, porque tienen electrones desapareados EJEMPLO OBSERVACIÓN: Los elementos ferromagnéticos también tienen propiedades magnéticas y estos elementos son: Fe, Co, Ni. ELEMENTOS DIAMAGNÉTICOS Son aquellos que no tienen propiedades magnéticas porque presentan electrones apareados EJEMPLO ENERGÍA RELATIVA DE LOS ORBITALES Se obtiene sumando los valores numéricos relativos de los números cuánticos principal (n) más el secundario (l); si los sumandos resultan iguales se denominan orbitales degenerados; tendrán mayor energía relativa el orbital que presente mayor número cuántico principal. Er = Energía relativa n = nivel (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) l = subnivel (0, 1, 2, 3) EJEMPLO: Hallar la energía relativa de los siguientes orbitales: NÚMEROS CUÁNTICOS O PARÁMETROS Son los que determinan la ubicación exacta de los electrones en la envoltura del átomo; estos son: A) Número cuántico principal o energético(n): Éste determina el nivel energético principal del electrón; sirve para determinar el tamaño o volumen de un orbital; determina la distancia entre el núcleo y un electrón, sus valores son: B) Número cuántico secundario o de forma (l) : Indica el subnivel energético del electrón y está relacionado con la forma del orbital y con la elipticidad de la órbita, puede tomar valores desde cero hasta (n-1) C) Número cuántico magnético o por orientación (m): Éste determina las diferentes orientaciones en el espacio tridimensional de los orbitales y sus valores dependen del tipo de orbital Número cuántico de spin (s) o (m s ): Se refiere al sentido de rotación del electrón sobre su propio eje, si gira en sentido horario, su valor del spin es 2 1 y en sentido antihorario su valor es 2 1 Notación cuántica del spin PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI “Dos electrones en un mismo átomo no pueden tener los 4 números cuánticos iguales, al menos deben diferenciarse en el spin” EJEMPLO Er = n+l Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 252 CUESTIONARIO 1 1.- ¿Cuál es el mínimo y máximo número de electrones que puede tener un átomo cuya configuración electrónica llega hasta el nivel 4? a) 19 y 36 b) 20 y 37 c) 19 y 40 d) 20 y 36 e) 25 y 50 2.- Determine el número atómico de un elemento sabiendo que los números cuánticos del último electrón desapareado son: n=5 y l=0 a) 34 b) 35 c) 36 d) 37 e) 38 3.- La suma de los números de masa de dos isótopos es 146 y la suma de sus números de neutrones es 74. ¿Cuántos electrones tiene el elemento en su estado fundamental a) 18 b) 27 c) 36 d) 45 e) 54 4.- De las siguientes series de números cuánticos, indique las que no pueden ocurrir I. 2,2,+1,+1/2 II. 3,2,0,-1/2 III. 3,3,+2,+1/2 IV. 1,0,0,+1/2 V. 4,0,+1,+1/2 a) I, II, V b) I, II, III, IV c) I, III, V d) I y III e) IV 5.- Señale en cuál de los siguientes casos, al pasarle un electrón del nivel señalado por la flecha al otro nivel no emite energía. a) 3p 2s b) 3d 4s c) 4p 3d d) 5d 6s e) 3p 4d 6.- ¿Cuál de las siguientes especies no es isoelectrónica (H=1)(C=6)(N=7)(O=8)? a) OH -1 b) H 3 O +1 c) CH 4 d) N 2 +2 e) NH 4 +1 7.- ¿Cuál de las siguientes proposiciones es falsa? a) En un orbital es posible colocar hasta 2 electrones b) En un átomo 2 electrones pueden tener los 4 números cuánticos diferentes c) El número cuántico magnético está relacionado con la posible orientación de un orbital en el espacio con respecto a un campo magnético aplicado d) El número de neutrones para el isótopo del carbono es 7 e) Un orbital presenta 5 orientaciones 8.- Una forma modificada del átomo del cloro fue sometido a un campo eléctrico observándose su rápida desviación hacia el polo negativo, luego se puede afirmar: a) El átomo ganó protones b) El átomo perdió protones c) El átomo ganó electrones d) El átomo perdió electrones e) El átomo gano neutrones 9.- Se tienen 2 átomos con el mismo número de protones pero difieren porque el primer átomo tiene 2 neutrones mas que el segundo átomo, entonces podemos afirmar a) Pertenecen a elementos diferentes b) Tienen el mismo número de masa c) Tienen el mismo número de neutrones d) Tiene diferentes números atómicos e) Tienen diferentes propiedades físicas 10.- Si los siguientes iones: A +3 y B -2 tienen 10 electrones y 18 electrones respectivamente, determinar los números atómicos de cada ión respectivamente. a) 10, 18 b) 7, 20 c) 13, 16 d) 15, 2 e) 21, 8 11.- Un átomo tiene 2 electrones desapareados en el cuarto nivel de energía, calcular el número atómico del átomo a) 34 b) 33 c) 31 d) 30 e) 20 12.- Clasificar en orden creciente de energía los siguientes subniveles 1s, 2p, 2s, 3d, 3p, 3s, 4d, 4f, 4p, 4s, 5s a) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 4d, 5s, 4f b) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 5s, 4f c) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 4f d) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s e) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 4d, 5s, 4f 13.- Un cierto elemento A está constituido por átomos que presentan 5 niveles de energía, presentando 4 electrones en su última capa y además presenta 68 neutrones . ¿Cuántos electrones presentará un átomo de un elemento B que es isóbaro de A en su penúltimo nivel si consideramos que en su núcleo existen 64 neutrones? a) 16 b) 18 c) 20 d) 17 e) 15 14.- ¿Cuál de las siguientes series cuánticas identifica a un electrón en el subnivel 3d? a) 2,1,+1,+1/2 b) 3,0,0,-1/2 c) 4,2,0,+1/2 d) 3,1,-1,+1/2 e) 3,2,0,+1/2 15.- ¿Cuántos orbitales desapareados tiene el vanadio (Z=23)? a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 6 16.- El principio de exclusión de Pauli establece que a) Es imposible determinar simultáneamente el momento y la posición de un electrón b) b) Al llenar orbitales de una misma energía los electrones se disponen ocupando preferentemente orbitales vacíos y con los spines paralelos, antes de formar apareamiento c) El último nivel de un átomo cualquiera tiene como máximo 8 electrones d) Los electrones van llenando preferentemente los niveles de más baja energía e) Dos electrones de un átomo no pueden tener los mismos 4 números cuánticos 17.- Si el anión X -3 posee 18 electrones, indique cuál sería la configuración electrónica del elemento X en su estado basal Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 253 GUÍA 1 - CIENCIAS a) [He]3s 2 b) [Ne]3s 2 3p 5 c) [Ne]3s 2 3p 4 d) [Ne]3s 2 3p 3 e) [Ar]4s 2 18.- Cierto átomo tiene 5 electrones en el cuarto nivel de energía, hallar su número de masa sabiendo que la cantidad de protones es 2 unidades mayor que la cantidad de neutrones a) 33 b) 31 c) 65 d) 64 e) 66 19.- ¿Qué relación de números cuánticos para un electrón, que se encuentra en el quinto nivel y subnivel p es la correcta. a) 5, 1, +3, +1/2 b) 4, 1, +2, -1/2 c) 3, 0, +1, -1/2 d) 5, 2, -4, +1/2 e) 5, 1, -1, +1/2 20.- Determine qué especie es diamagnética: a) 26 Fe b) 26 Fe +2 c) 26 Fe +3 d) 30 Zn e) 11 Na La química orgánica ha pasado a ser en la actualidad una de las más interesantes y enigmáticas disciplinas de la química, debido al papel preponderante que cumple en las diferentes actividades del hombre. Existen más de tres millones de compuestos orgánicos de gran utilidad para el hombre, tales como antibióticos, anestésicos, azúcares, aceites, vitaminas, proteínas, grasas, aminoácidos, combustibles, fibras sintéticas, plásticos, detergentes, jabones, perfumes, fertilizantes, insecticidas, hormonas vegetales, etc. 1. DEFINICIÓN & ANTECEDENTES DE LA QUÍMICA ORGÁNICA La Química Orgánica o Química del carbono es la rama de la Química Descriptiva que estudia una clase numerosa de moléculas que contienen carbono formando enlaces covalentes carbono – carbono o carbono – hidrógeno, también conocidos como compuestos orgánicos. Friedrich Wöhler y Archibald Scott Couper son conocidos como los "padres" de la Química Orgánica. La aparición de la Química Orgánica se asocia a menudo al descubrimiento, en 1828, por el químico alemán Friedrich Wöhler, de que la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en urea, una sustancia orgánica que se encuentra en la orina de muchos animales. NH 4 OCN calor (NH 2 ) 2 CO Otras fuentes citan la reacción entre el cianato plumboso y amoniaco acuoso (R. Chang): Pb(OCN) 2 + 2NH 3 + 2H 2 O 2(NH 2 ) 2 CO + Pb(OH) 2 Antes de este descubrimiento, los químicos creían que para sintetizar sustancias orgánicas, era necesaria la intervención de lo que llamaban “la fuerza vital”, por lo que solo los organismos vivos podían producirlas. El experimento de Wöhler rompió la barrera entre sustancias orgánicas e inorgánicas. Los químicos modernos consideran compuestos orgánicos a aquellos que contienen carbono y otros elementos (que pueden ser uno o más), siendo los más comunes: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y los halógenos. Por ello, en la actualidad, la química orgánica tiende a denominarse química del carbono. Se excluye de este grupo a los óxidos del carbono, carbonato y bicarbonatos, los que se consideran sustancias inorgánicas. A los elementos C, H, O, N, se lês denomina organógenos. Entre los elementos secundarios tenemos: S, P, Na, Ca, Fe y Halógenos F 2 , Cl 2 , Br 2 y I 2 2. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Tiene como átomo principal al carbono. La mayoría de compuestos orgánicos son combustibles (excepto: CCl 4 ) Los compuestos orgánicos son gases, líquidos y sólidos con bajo punto de fusión Los compuestos orgánicos son generalmente insolubles en agua. La mayoría son malos conductores del calor y la electricidad. Reaccionan lentamente, debido al enlace covalente que presentan. Presentan al fenómeno de isomería, es decir que una misma fórmula global, sirve para representar 2 o más compuestos orgánicos. Ejemplo: CH 3 – CH 2 – OH CH 3 – O – CH 3 Alcohol Éter C 2 H 6 O Fórmula Global Ejemplos de isomería 3. EL CARBONO Información General Nombre, símbolo, número Carbono, C, 6 Serie química No metal Grupo, periodo, bloque 14, 2, p Densidad, dureza Mohs 2260 kg/m 3 , 0,5 (grafito) 3515 kg/m 3 , 10,0 (diamante) Propiedades atómicas Masa atómica 12,0107(8) u Radio atómico calculado 67 pm Radio covalente 77 pm Configuración electrónica [He]2s 2 2p 2 Estados de oxidación (óxido) 4, 2 (levemente ácido) Estructura cristalina Cúbica o hexagonal (diamante) hexagonal o romboédrica (grafito) 193 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 254 Propiedades físicas Estado de la materia Sólido (no magnético) Punto de fusión 3823 K (diamante) 3800 K (grafito) Punto de ebullición 5100 K (grafito) Entalpía de vaporización 711 kJ/mol (grafito; sublima) Entalpía de fusión 105 kJ/mol (grafito) (sublima) Información diversa Electronegatividad 2,55 (Pauling) Calor específico 710,6 J/(kg × K) (grafito) 518,3 J/(kg × K) (diamante) 1er potencial de ionización 1086,5 kJ/mol 2do potencial de ionización 2352,6 kJ/mol Isótopos más estables Isótopos Abundancia Periodo de semidesintegración 12 C 98,90% C es estable con 6 neutrones 13 C 1,10% C es estable con 7 neutrones 14 C traza 5730 a: 14 C 14 N + β – Valores en el SI y en C.N. salvo que se indique lo contrario 4. EL CARBONO EN LA NATURALEZA A. Carbono Cristalizado Grafito: Cristaliza en el sistema hexagonal; es una mina de lápiz combinado con arcilla. Estructura del Grafito Diamante: Cristaliza en el sistema cúbico; es el más puro de los carbonos, generalmente es incoloro. Estructura del Diamante Los fullerenos: Con estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos), lo que curva los planos y permite la aparición de estructuras de forma esférica (buckybolas), elipsoidal o cilíndrica (buckytubos). Buckybola Bukytubo B. Carbono No Cristalizado (Amorfo) Hulla: Es el carbón mineral más beneficiado, se le usa para hornos de gas. Turba: Es el carbón de menor costo como combustible, tiene el poder calorífico muy pobre. Se le usa para fabricar cartones. Lignito: Es muy flojo como combustible. Se le emplea como combustible. Antracita: Procede de la fermentación de vegetales que han sido sepultados en terrenos pantanosos, etc. C. El Carbón Artificial Negro Humo: Es un carbón ligero; se le utiliza para fabricar la tinta china. Carbón Animal: Resulta de la combustión de huesos. Carbón Vegetal: Resulta de la combustión de la madera. Carbón Retorta: Conduce electricidad, es muy denso. Coke: Se le usa en metalurgia, en el tratamiento de minerales de hierro. 5. PROPIEDADES DEL CARBONO A. Tetravalencia. Presenta cuatro electrones de valencia, que utiliza en todas las reacciones químicas. Ejemplo: 1s 2 2s 2 2p 2 4 e - de valencia capa de valencia C Diagrama de Lewis Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 255 GUÍA 1 - CIENCIAS B. Covalencia. Al unirse consigo mismo comparte electrones C. Autosaturación. Puede combinarse consigo mismo, generando de esta manera largas cadenas carbonadas que se unen a través de los enlaces: simple, doble y triple. Ejemplos: C C C C enlace simple C C C C enlace doble C C C C enlace triple 6. TEORÍA TETRAÉDRICA DEL CARBONO Fue creada por Lebel y Van´t Hoff. El carbono se representa a través de un tetraedro con sus cuatro enlaces dirigidos hacia los vértices del tetraedro. C Representación Tetraédrica H H H H H H Enlace Simple C C H H H H H H Enlace Simple H H H H Enlace Doble C H H H C H Enlace Doble C H H C EnlaceTriple Enlace Triple 7. HIBRIDACIONES DEL CARBONO La hibridación es la mezcla de 2 o más orbitales puros que generan un número equivalente de orbitales híbridos con propiedades diferentes. El carbono presenta 3 hibridaciones: Estado basal: 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0 Estado excitado: 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 A. Hibridación sp 3 o tetragonal: Resulta de la mezcla de un orbital “s” con 3 orbitales “p”, que generan 4 orbitales híbridos esta hibridación se presenta con el carbono, utiliza al enlace simple. 1s 2 (2sp 3 ) 1 (2sp 3 ) 1 (2sp 3 ) 1 (2sp 3 ) 1 B. Hibridación sp 2 o Trigonal: Resulta de la mezcla de 1 orbital “s” con 2 orbitales “p”, que generan 3 orbitales híbridos; esta hibridación la presenta el carbono cuando utiliza al enlace doble. 1s 2 (2sp 2 ) 1 (2sp 2 ) 1 (2sp 2 ) 1 2pz 1 C. Hibridación sp o lineal: Resulta de la mezcla de 1 orbital “s” con un orbital “p” que generan 2 orbitales híbridos, esta hibridación la genera el carbono cuando utiliza al enlace triple. Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 256 1s 2 2(sp) 1 2(sp) 1 2py 1 2pz 1 8. TIPOS DE CARBONO E HIDRÓGENOS UNIDOS A ÉL 8.1. Tipos de Carbono A. Carbono Primario. Es aquel que está unido a un solo carbono adicional. C C C B. Carbono Secundario. Este carbono utiliza a 2 de sus enlaces para unirse con uno o dos carbonos adicionales. C C C C C. Carbono Terciario. Este carbono utiliza a 3 de sus enlaces para unirse con uno o más carbonos. C C C C C D. Carbono Cuaternario: Este carbono está completamente saturado de otros átomos de carbono. C C C C C C C E. Carbono Asimétrico o Quiral Tiene todos sus enlaces unidos a diferentes especies químicas. C CH 3 Cl HOOC NH 2 8.2. Tipos de Hidrógeno unidos al Carbono A. Hidrógeno Primario. Hidrógeno que se halla unido a un carbono primario. B. Hidrógeno Secundario. Hidrógeno que se halla unido a un carbono secundario. C. Hidrógeno Terciario. Hidrógeno que se halla unido a un carbono terciario. D. Carbono Cuaternario: No existe. Ejemplo: En la siguiente fórmula determina los tipos de carbono e hidrógeno (la numeración se ha hecho en forma arbitraria) CH 3 - CH 2 - CH - C - CH = CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 1 2 3 7 9 4 5 6 8 Carbonos Primarios: 6, 7, 8 y 9 Carbonos Secundarios: 1 y 5 Carbonos Terciarios: 2 y 4 Carbonos Cuaternarios: 3 Hidrógenos primarios: 12 Hidrógenos secundarios: 4 Hidrógenos terciarios: 2 Observación: En todos los hidrocarburos se cumple que: Carbono Primario: Se halla unido a 3 átomos de H. Carbono Secundario: Se halla unido a 2 átomos de H. Carbono Terciario: Se halla unido a 1 átomo de H. Carbono Cuaternario: No contiene ningún átomo de H. 9. TIPOS DE CADENAS CARBONADAS 9.1. Acíclicas Cadenas carbonadas abiertas. Pueden ser: A. Lineales CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 3 B. Ramificadas CH 3 -CH-CH 3 CH 3 9.2. Cíclicas Cadenas carbonadas cerradas. Pueden ser: A. Isocíclicas: Presentan exclusivamente carbono (C) e hidrógeno (H) CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 B. Heterocíclicas: Presentan átomos de otros elementos además de carbono e hidrogeno. CH CH CH CH N CH 10. TIPOS DE FÓRMULAS 10.1. Fórmula Global C 5 H 12 ISOMERIA: *Pentano *2-Metil-Butano *2,2-Dimetil-Propano Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 257 GUÍA 1 - CIENCIAS 10.2. Fórmula Desarrollada C C C C C H H H H H H H H H H H H Pentano 10.3. Fórmula Semi – desarrollada CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 Pentano 10.4. Fórmula Condensada CH 3 -(CH 2 ) 3 -CH 3 Pentano 10.5. Fórmula Zig-Zag 1 2 3 5 4 11. NOMENCLATURA IUPAC DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) establece meridianamente cuáles son las reglas a seguir para nombrar las distintas formas de cadenas carbonadas. El nombre de una cadena carbonada tiene generalmente 3 partes: Prefijo: Indica el nombre y la ubicación de las ramificaciones. Raíz: Indica el número de los átomos de carbono de la cadena principal; estas raíces son: Número de carbonos Raíz 1 Met 2 Et 3 Prop 4 But 5 Pent 6 Hex 7 Hept 8 Oct 9 Non 10 Dec 11 Undec 12 Dodec 13 Tridec 14 Tetradec 15 Pentadec 16 Hexadec 17 Heptadec 18 Octadec 19 Nonadec 20 Eicos 21 Heneicos 22 Docos 30 Triacont 31 Hentriacont 40 Tetracont 43 Tritetracont 50 Pentacont 55 Pentapentacont 60 Hexacont 70 Heptacont 80 Octacont 90 Nonacont 98 Octanonacont 100 Hect 115 Pentadecahect 134 Tetratriacontahect Sufijo: Es la terminación que se da a cada una de las funciones orgánicas. Función Sufijo Alcano Ano Alqueno Eno Alquino Ino Alcohol Ol Aldehído Al Cetona Ona Ácido oico Ejemplos: CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 2 1 3 4 2- metil - but ano Prefijo Raíz Sufijo CUESTIONARIO 2 1. ¿Qué valor puede esperarse para los ángulos de enlace que se denota por α y β? C≡C-CH 2 -C=CH 2 H | H | α β A) α= 90º y β=90º B) α= 120º y β=109º C) α= 180º y β=109º D) α= 180º y β=120º E) α= 109º y β=120º 2. ¿En cuál de los siguientes compuestos existe más de una clase (sp, sp 2 , sp 3 ) de hibridación del átomo de carbono? I. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 II. CH 3 -CH=CH-CH 3 III. HC≡CH IV. CH3-C≡C-CH3 A) II y III B) II y IV C) II D) III E) III y IV 3. Dada la siguiente estructura: (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH(CH 3 )-CH 2 C(CH 3 ) 2 -CH 2 -CH(CH 3 ) 2 Determine cuántos carbonos secundarios están presentes. A) 0 B) 1 C) 2 D) 3 E) 4 4. Determine que estructura presenta átomo de carbono con hibridación sp A) CH 3 -CO-CH 3 B) CH 3 -CH=CH-CH 3 C) (CH 3 ) 2 CHCHO D) CH 3 -CH=C=CHCH 3 E) CH 4 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 258 5. ¿Cuántos carbonos terciarios están presentes en la siguiente estructura? (CH 3 ) 2 CHCH 2 CHClCH 2 C(CH 3 ) 2 CH 2 C(CH 3 ) 3 A) 2 B) 3 C) 4 D) 5 E) 1 6. Indique la hibridación del átomo de carbono marcado con una flecha H-C≡C-CH-NH 2 NH 2 | A) sp B) sp 2 C) sp 3 D) s 2 p E) s 3 p 7. Determine que estructura tiene 5 carbonos primarios A) CH 3 (CH 2 ) 3 CH 3 B) (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH(CH 3 )CH 2 CH 2 CH 3 C) CH 3 CHOHCHOHCH 2 C(CH 3 ) 2 CH 2 CH 3 D) CH 2 ClCH 2 CH 2 C(CH 3 ) 2 CH(CH 3 ) 2 E) CH 3 (CH 2 ) 5 CH 3 8. ¿Cuántos carbonos presentan hibridación sp 3 CH 3 -CH=CH-CH 2 -C≡CH A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 9. ¿Qué propiedad del átomo de carbono justifica la existencia de una diversidad de compuestos orgánicos? A) Covalencia B) Tetravalencia C) Autosaturación D) Hibridación E) Isotopía 10. Respecto a las siguientes proposiciones son correctas I. El grafito y el diamante son formas isotópicas del carbono II. El carbono tiene mayor carácter no metálico que el oxígeno III. El diamante es el mineral de mayor dureza en la escala de Mohs IV. Los compuestos orgánicos de bajo peso molecular en general son inflamables. A) Solo I B) Solo II C) III y IV D) Solo IV E) II, III, IV 11. Dada la siguiente estructura: || O C | | | O H Determine qué afirmación es correcta A) Existen 6 enlaces sigma B) Existen 4 enlaces pi C) Existen 4 átomos con hibridación sp 2 D) Existe un átomo cuaternario E) No existen enlaces múltiples 12. Determine el número de carbonos con hibridación sp, sp 2 y sp 3 respectivamente en la siguiente estructura CH 3 -CH-CH 2 -CH 2 -CH-CH=C=CH-C 2 H 3 C 2 H 5 | | CCH A) 3,5,12 B) 2,4,6 C) 4,5,6 D) 2,5,9 E) 3,4,7 13. En las siguientes afirmaciones (_) La hibridación sp adopta geometría lineal (_) La hibridación sp 2 adopta geometría trigonal (_) La hibridación sp 3 adopta geometría tetraédrica (_) La hibridación sp adopta geometría piramidal (_) La hibridación sp 2 adopta geometría tetraédrica A) VFFFF B) VFFVV C) VVVFF D) VVFFV E) VVVFV 14. Una de las siguientes relaciones no corresponde: A) El diamante: es incoloro B) La antracita: carbono amorfo C) Coque: Carbono artificial D) Grafito: cristaliza en el sistema hexagonal. E) Carbón vegetal: Carbón natural 15. ¿Qué tipo de hibridación tiene el carbono en el grupo funcional carbonilo? (-CO-) A) sp 3 B) sp C) sp 2 D) s 2 p E) s 3 p 16. Señale la estructura en la que todos los átomos de carbono tengan hibridación sp 2 A) CH 2 =CH-CH=CH 2 B) CH 3 -CH=CH 2 C) CH 3 -CH2-CH 3 D) CH 2 =C=CH 2 E) CH 2 =CH-C≡N Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 259 GUÍA 1 - CIENCIAS 1. CONCEPTO Son compuestos orgánicos binarios, constituidos solamente por carbono e hidrógeno; su fórmula general es: C n H m 2. CLASIFICACIÓN H I D R O C A R B U R O S A L I F Á T I C O S A R O M Á T I C O S S A T U R A D O S I N S A T U R A D O S A L I C Í C L I C O S M O N O C Í C L I C O S P O L I C Í C L I C O S A L Q U E N O S A L Q U I N O S C I C L O A L C A N O S C I C L O A L Q U I N O S C I C L O A L Q U E N O S 3. HIDROCARBUROS SATURADOS: ALCANOS 3.1. Concepto Son hidrocarburos saturados, lo que significa que los átomos de carbono de la cadena están unidos entre si por enlaces covalentes sencillos o simples. Se les conoce también con el nombre de parafinas. Su composición o fórmula general es: C n H 2n+2 n= Número de átomos de carbono Ejemplos: CH 4 ; C 2 H 6 ; C 8 H 18; CH 4 ; C 3 H 8 ; C 10 H 12 3.2. Nomenclatura La nomenclatura en química orgánica, comprende un conjunto de reglas aceptadas universalmente y permite asignar un nombre a cada compuesto. El sistema consta de tres partes: Prefijo Parte Principal Sufijo o Terminación ¿Dónde están los sustituyentes ¿Cuántos carbonos hay? ¿A qué familia pertenece o función orgánica? Las reglas más importantes son: 1. Los cuatro primeros hidrocarburos acíclicos, no ramificados, conservan sus nombres comunes, seguidos de la terminación o sufijo ano. metano; etano; propano; butano 2. Los nombres más altos de esta misma serie se nombran anteponiendo prefijos de cantidad que nos indican el número de átomos de carbono presentes, seguidos de la terminación o sufijo ano. pentano; octano; decano. 3. Si se forma un radical univalente del alcano, como consecuencia de la pérdida de un átomo de hidrógeno de un carbono terminal, éste se nombra remplazando la terminación ano por il o ilo. CH 3 – : metil CH 3 – CH 2 – : etil CH 3 – CH 2 – CH 2 – : propil 4. Para designar a los hidrocarburos acíclicos ramificados, se escoge la cadena carbonada más larga (ella corresponde al alcano principal) se enumera con números arábigos, empezando por el extremo más cercano a las ramificaciones, se identifican los sustituyentes o ramificaciones y se nombran como radicales: De existir dos ramificaciones iguales se anteponen prefijos como: di-, tri- tetra, etc. De existir dos ramificaciones en el mismo carbono, se repite el número y finalmente para dar el nombre, los radicales se nombran por orden alfabético, los números van separados por comas y los números del radical por guiones, seguido del nombre del alcano principal. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH-CH 3 CH 2 -CH 3 3-metilhexano Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 260 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 3 – etil – 6,9 – dimetil undecano 3.3. Obtención La principal fuente de alcanos es el petróleo y el gas natural, por destilación fraccionada, se obtienen alcanos hasta de cuarenta átomos de carbono. Otra fuente es el carbón mineral, por hidrogenación puede ser convertido en gasolina. En el laboratorio los métodos para preparar alcanos son: A. Hidrogenación de Alquenos o Alquinos 3 CH 2 CH 3 CH Ni 2 H 2 CH CH 3 CH Propano B. Síntesis de Grignard CH3 – Cl + Mg CH3 – Mg – Cl Clorometano CH3 – Mg – Cl + H2O CH4 + MgOHCl Clorometano metano 3.4. Propiedades Físicas Las propiedades dependen de la estructura, sus moléculas presentan enlaces covalentes puros y son moléculas no polares; la longitud del enlace C-C es 1,54 A, todos los carbonos tienen hibridación sp 3 Estado Físico. Del metano hasta el butano son gaseosos, del pentano hasta el heptadecano son líquidos, a partir del octadecano son sólidos. Densidad. Son menos que el agua, porque el agua contiene átomos de H + O = 17; los alcanos: C + H = 13; mayor masa tiene el agua. Solubilidad. Como son moléculas no polares, se disuelven en solventes no polares, como: cloroformo, eter etílico, benceno, CCl 4 Forman series homologas, porque al aumentar un metileno - 2 CH inmediatamente estamos en el alcano superior, de igual forma aumenta el punto de ebullición en 30 °C: Hexano 68 °C; Heptano 98 °C; Octano 126 °C. 3.5. Propiedades Químicas Los alcanos son moléculas inertes, bajo condiciones especiales presentan las siguientes reacciones: Combustión. Los alcanos arden al contacto con una llama; produciendo CO 2 y H 2 O y gran cantidad de calor. energía O 2 4H 2 3CO l l ama 2 5O 3 CH 2 CH 3 CH El gas natural, el propano, la gasolina y aceites combustibles, se emplean como combustibles porque desprenden gran cantidad de calor. Halogenación. Es una reacción de sustitución no polar, fotoquímica, en presencia de la luz solar. HBr Br 2 CH 3 CH UV 2 Br 3 CH 3 CH etano bromoetano Pirolisis. A partir de alcanos de alto peso molecular (muchos carbonos) por acción del calor se obtiene alcanos y alquenos de bajo peso molecular. 4 2 C 600 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 CH Propano eteno metano 4. PETRÓLEO Se ha formado por la descomposición aeróbica de plantas y animales de origen marino, es una mezcla compleja de hidrocarburos alifáticos y aromáticos; el petróleo bruto no es de gran utilidad, para ello se refina, siendo el primer paso la destilación fraccionada. Los destilados son: Fracción Carbonos Aplicación Gas C 1 – C 4 Combustible Gas de cocina Calefacción Éter de petróleo C 5 – C 6 Disolvente de grasas Ligroina C 7 Disolvente de compuestos orgánicos Gasolina C 6 – C 12 Combustible de automóviles Kerosene C 11 – C 16 Combustible de aviones jet y cohetes Calefacción doméstica Gasoleo C 10 – C 15 Motores Diesel Aceites lubricantes C 15 – C 24 Lubricación de partes de automóviles y máquinas Asfalto Estructuras complejas Pavimentación – impermeabilizantes 5. GASOLINA Es una mezcla de alcanos de C 6 – C 12 o C 7 – C 10 dicen otras fuentes. El octanaje o índice de octano de una gasolina indica el grado de uniformidad con que combustiona un motor a explosión interna. El heptano detona fuertemente y se le asigna un octanaje de “cero”, el 2,2,4 – trimetilpentano (iso octano) arde suavemente asignándole “cien” de octanaje. Una gasolina de 84 octanos contiene 84% de isooctanos y 16% de heptanos Para mejorar el octanaje de un combustible, se añade pequeñas cantidades de tetraetilo de plomo Pb(C 2 H 5 ) 4 , que tiene como inconveniente ser uno de los grandes contaminantes de la atmósfera. La gasolina ecológica está libre de plomo. Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 261 GUÍA 1 - CIENCIAS CUESTIONARIO 3 1. ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde a un hidrocarburo saturado? A) C 2 H 4 B) C 3 H 6 C) C 6 H 10 D) C 5 H 12 E) C 4 H 6 2. ¿Cuántos carbonos posee en total el 3-etil-2-metil-pentano? A) 5 B) 6 C) 7 D) 8 E) 9 3. La fórmula global de un hidrocarburo saturado de 7 C es A) C 7 H 16 B) C 7 H 12 C) C 7 H 14 D) C 7 H 10 E) C 7 H 8 4. El siguiente nombre es incorrecto: 2,2-dietil-4,4-dimetil-pentano ¿Cuál es el nombre correcto de acuerdo con la IUPAC? A) 3,5,5-trimetil-3-etil-hexano B) 4,4-dietil-2,2-dimetil-pentano C) 3-etil-3,5,5-trimetil-hexano D) 2,2,4-trimetil-4-etil-hexano E) 4-etil-2,2,4-trimetil-hexano 5. El peso molecular del 3,4-dimetil-hexano es: A) 104 B) 114 C) 108 D) 116 E) 115 6. El 2,3-dimetil-butano es un isómero del: A) C 4 H 10 B) C 5 H 12 C) C 6 H 14 D) C 4 H 8 E) C 6 H 12 7. ¿Cuál de los siguientes ejemplos corresponde a un hidrocarburo halogenado terciario? A) CH 2 Br-CHBr-CH 2 Br B) CHCl 3 C) CH 3 -CHO-CH 3 D) CH 3 -CH-CH 2 I CH 3 E) CH 3 -CCl-CH 3 CH 3 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 262 8. La fórmula empírica de un compuesto es C 2 H 3 y la masa molecular es 54. ¿Cuál es la fórmula del compuesto? A) C 2 H 4 B) C 2 H 6 C) C 4 H 8 D) C 6 H 10 E) C 5 H 10 9. ¿Cuál es el alcano de seis carbonos que solo presenta hidrógenos primarios y terciarios? A) N-hexano B) 2-metil-pentano C) 2,2-dimetil-butano D) 2,3 dimetil-butano E) 3-metil-pentano 10. ¿Cuál es el octano que solo presenta hidrógenos primarios? A) N-octano B) 2,2-dimetil-hexano C) 2-metil-heptano D) 2,3-dimetil-hexano E) 2,2,3,3-tetrametil-butano 11. Indique la proposición falsa en lo que respecta a una gasolina A) El tetraetil plomo es un antidetonante B) Los compuestos de plomo en la gasolina son contaminantes del aire C) Las gasolinas también se obtienen por craqueo catalítico D) Los hidrocarburos de la gasolina tienen punto de ebullición suficientemente bajos como para que pueda transformarse. E) Las gasolinas contienen solamente octano y heptano normales en proporciones definidas. 12. ¿Qué alcano presenta menor punto de ebullición? A) N-heptano B) 2-metil-hexano C) 3-metil-hexano D) 2,2-dimetil-pentano E) 2,2,3-trimetil-butano 13. ¿Cuál de los siguientes nombres es correcto? A) 4-metil-hexano B) 1-metil-pentano C) 2,2,4-trimetil-pentano D) 2-metil-hexano E) 3-isopropil-hexano 14. ¿Qué alcano presenta mayor punto de ebullición? A) 2,2,3,3-tetrametil-butano B) 2,2,3-trimetil-pentano C) 3-metil-heptano D) 2,4-dimetil-hexano E) 3-etil-hexano 15. ¿Qué estructura presenta un carbono secundario? A) N-decano B) 2,2,4- trimetil-pentano C) 2,2-dimetil-hexano D) 3-etil-pentano E) 2,2,3,3-tetrametil-butano 16. Las principales fracciones obtenidas del petróleo a bajas temperaturas (menores de 150ºC) son: A) Gas oil, kerosene B) Eter de petróleo, gasolina C) Asfalto, gasolina D) Aceites lubricantes, éter de petróleo E) Alquitrán e impermeabilizantes 17. El proceso de cracking del petróleo consiste en: A) La polimerización de las fracciones ligeras del petróleo B) La pirolisis de hidrocarburos de elevada masa molecular C) La separación del gas natural disuelto en el petróleo. D) La destilación fraccionada de los hidrocarburos livianos E) La eliminación de compuestos 18. ¿Cuál de las siguientes reacciones se produce con los alcanos? A) Oxidación permanganato de potasio B) Hidratación con agua y ácido C) Cloración, con cloro en presencia de luz D) Reducción con hidrógeno y níquel E) Bromación con agua de bromo 19. Marca la respuesta correcta. Los diferentes tipos de craqueo a que se somete alguna fracción de la destilación del petróleo es con el objeto de obtener: A) Kerosene y asfalto B) Gas combustible y gasolina C) Proteínas y gasolina de alto octanaje D) Grasas lubricantes y gasolina E) Gasolina de alto octanaje y alquenos para elaborar polímeros. 20. La geometría de la molécula del átomo puede explicare por la hibridación …………………. Estos orbitales forman los enlaces ………………… entre 2 átomos de carbono A) sp 3 , θ B) sp 2 , π C) sp, θ D) sp 3 , π E) sp 2 , θ NOMENCLATURA DE ALCANOS NIVEL A 1. C-C-C-C-C-C-C || C C 2. C-C-C-C-C-C-C-C || C C | C | C 3. CH 3 CH 2 CH 2 CHCH 3 | CH 2 -CH 3 4. CH 3 -C-CHCH 2 CH 3 | | CH 2 CH 3 | CH 2 CH 2 CH 3 5. CH 3 -CHCH 2 CH 2 CH-CH-CH 2 CH 3 || | CH 2 -CH 3 CH 3 CH 3 -CH 2 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 263 GUÍA 1 - CIENCIAS 6. CH 3 CH 2 -C-CH 2 CHCH 3 | | CH 2 CH 3 | CH 3 | CH 3 7. | CH 3 -CH 2 -CH-CH 2 -CH 2 -CH-CH 2 -CH 3 CH 3 | CH 2 | CH 3 NIVEL B 1. 2. 3. 4. CH 3 -CHCHCH 2 CH 2 CHCH 2 CHCH 3 | CH 3 | CH 3 | CH 3 | CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 5. 6. 7. NIVEL C 1. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH-CH(CH 3 )-C-C 2 H 5 | | C 2 H 5 C(CH 3 ) 2 | CH(CH 3 ) 2 2. (CH 3 ) 2 CH-C-C 3 H 7 | | CH 2 -CH 2 -CH-CH 3 CH 2 -CH-CH 3 | CH 3 | CH 3 3. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHCHCHCH 3 | CH 2 -CH 2 -CH-CH 3 | CH 3 | CH 3 | H 3 C 4. 5. CH 3 CHCHCHCH 2 CH CH-CH 2 -CH 3 | |||| CH(CH 3 ) 2 C 2 H 5 CH 3 CH 3 CH 2 | CH 3 6. CH 3 -(CH 2 ) 3 -CHCHCHCH 3 | CH(CH 3 ) 2 | | CH 3 CH 2 CH 2 C 2 H 5 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 264 Pertenece a la serie de los hidrocarburos insaturados, porque los átomos de carbono poseen un doble enlace carbono – carbono y tienen hibridación sp 2 , se les llama también oleofínico. El enlace C = C mide 1,35 A. Su composición o fórmula general es: n 2n 2 4 4 8 10 20 C H : C H ; C H ; C H Su constitución o estructura es: C = C Observación: Los polialquenos presentan 2 o más enlaces dobles; y su fórmula general es: C n H 2n+2-2d Donde: n = número de carbonos d= número de enlaces dobles Esta fórmula sirve para formular globalmente a los alquenos. Ejemplo: Formular al propil-dodeca-trieno C 15 H 2(15)+2-2(3) = C 15 H 26 Los polialquenos de acuerdo a la cantidad de enlaces dobles pueden ser dienos, trienos, tetraenos, etc. Ejemplos: CH 2 =CH-CH=CH 2 (dieno) CH 2 =C=C=CH 2 (trieno) Los polialquenos de acuerdo a la ubicación de los enlaces dobles pueden ser: conjugados, aislados, acumulados. i. Conjugados o alternados.- Tienen a sus enlaces dobles separados por un simple enlace Ejemplo: CH 2 = CH – CH = CH 2 Aislados.- tienen a sus enlaces dobles separados por dos o más enlaces simples Ejemplo: CH2 = CH - CH2 - CH2 – CH = CH2 ii. Acumulados o alenos.- Tienen a sus enlaces dobles ubicados en forma consecutiva Ejemplo: CH 2 = C = C = C = CH 2 Nomenclatura Los alquenos se nombran utilizando raíces que van acompañadas por los sufijos: eno, dieno, trieno, etc. Para los alquenos ramificados, se enumera la cadena carbonada, empezando por el extremo más cerca al doble enlace, los sustituyentes, o radicales se nombran al igual que los alcanos. Se escoge la cadena carbonada más larga y continua, que es aquella que contiene los dobles enlaces. CH 2 =CH 2 CH 2 =CH-CH 3 CH 2 =CH-CH=CH 2 1 2 3 4 CH 2 =C=CH 2 1 2 3 eteno propeno Buta-1, 3-dieno Propa-1, 2-dieno CH 3 -CH=CH-CH 3 CH 2 = C - CH=CH 2 CH 3 CH 3 -CH 2 - C - CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 2 But-2-eno 2-etilpent-1-eno 2-metilbuta-1, 3-dieno 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 CH 2 =CH 2 CH 2 =CH-CH 3 CH 2 =CH-CH=CH 2 1 2 3 4 CH 2 =C=CH 2 1 2 3 eteno propeno Buta-1, 3-dieno Propa-1, 2-dieno CH 3 -CH=CH-CH 3 CH 2 = C - CH=CH 2 CH 3 CH 3 -CH 2 - C - CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 2 But-2-eno 2-etilpent-1-eno 2-metilbuta-1, 3-dieno 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 Los radicales alquenilos se forman por la pérdida de un hidrógeno y se nombran con la terminación enil. Ejemplo: ETENO: H 2 C = CH 2 Etenil (vinil): H 2 C = CH - PROPENO: CH3CH = CH2 Prop-1-enil: CH3CH = CH - Prop-2-enil (alil): H2C = CHCH2 - BUT-2-ENO: CH 3 CH = CHCH 3 But-2-enil (crotil) CH 3 CH=CHCH 2 - El enlace pi impide la libre rotación de los grupos alrededor de un doble enlace: consecuentemente, los alquenos pueden exhibir isomería geométrica, y se les nombra con los prefijos “cis” que se representa con la letra “Z” y “trans” que se representa con la letra “E”. El prefijo “cis” significa un mismo lado, y el prefijo “trans” significa lados opuestos Ejemplos: a) trans – But-2-eno b) cis-But-2-eno c) H 3 C C = C H H C = C H C = C H H H CH 2 – CH 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2Z-4E-6Z-Nona-2,4,6 Trieno d) 2Z-4E-5 metil – hepta – 2,4 - dieno Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 265 GUÍA 1 - CIENCIAS OBTENCIÓN 1. Deshidratación de Alcoholes Deshidratando alcoholes en presencia de catalizadores como: H 2 SO 4 ,H 3 PO 4 o Al 2 O 3 a 400°C se obtiene alquenos. CH 3 -CH 2 -OH CH 2 =CH 2 + H 2 O H + Etanol eteno 2. Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo La pérdida de un hidrógeno y halógeno de carbonos vecinales en un halogenuro de alquilo en presencia de KOH, se obtiene alquenos. CH 3 -CH 2 -CH 2 Cl + KOH CH 3 -CH=CH 2 + KCl + H 2 O 1-cloropropano propeno También se puede obtener del petróleo por deshidrogenación catalítica de alcanos. 3 2 3 3 2 2 CH CH CH CH CH CH H PROPIEDADES FÍSICAS Los alquenos del C 2 al C 4 son gaseosos, del C 5 al C 18 son líquidos y C 19 hacia delante son sólidos amorfos. Son insolubles en el agua, por que son moléculas no polares, solubles en solventes no polares, como: hexano, cloroformo; tienen menor densidad que el agua o sea sobrenadan, también forman series homólogas (–CH 2 )-. QUÍMICAS Los alquenos son más reactivos que los alcanos debido a la presencia del enlace pi ( ), dan reacciones de adición. 1. Adición con hidrógeno Los alquenos en presencia de catalizadores (Pt, Ni) adicionan átomos de hidrógeno para dar alcanos. CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 -CH 3 Eteno Etano Ni 2. Adición con Halógenos Los alquenos reaccionan con los halógenos dando halogenuros de alquilo vecinales. CH 3 -CH=CH-CH 3 + Br 2 CH 3 -CH-CH-CH 3 But-2-eno 2, 3-dibromobutano Br Br 3. Hidrohalogenación Al alqueno se le puede combinar con los ácidos: H F, HCl, HBr, HI, generando de esta manera un derivado halogenado. 4. Hidratación Al alqueno se combina con el agua y genera un alcohol 2 2 2 2 2 H C CH H O H C CH H OH etanol eteno 5. Polimerización Un alqueno, bajo condiciones apropiadas, puede reaccionar con moléculas similares (monómeros) para dar moléculas grandes llamadas polímeros. a) Eteno o etileno (CH2=CH2) : Genera al polímero polietileno CH 2 =CH 2 (-- CH 2 -CH 2 --) Eteno o Etileno Polietileno (Bolsas de plástico) O 2 presión n n b) Propeno o propileno (CH2=CH-CH 3 ): Genera al polímero polipropileno, que sirve para fabricar alfombras. c) CH 2 =CH-CH 3 (-- CH-CH 2 --) Propeno o propileno Polipropileno (Alfombras) O 2 presión n n CH 3 d) Cloruro de Vinilo.- (CH2 = CH – Cl): Sirve para elaborar al polímero denominado policloruro de vinilo (P.V.C.) que es más resistente que el plástico, sirve para fabricar tuberías, envases, tarjetas de crédito, etc. n CH 2 = CH – Cl Polimerización – CH 2 – CH – | Cl n P.V.C. (Polimero) e) Tetrafluor Eteno.- (CF2 = CF2): Sirve para elaborar al polímero denominado teflón, que sirve para fabricar planchas eléctricas y sartenes n F 2 C = CF 2 Polimerización – C – C – | | F F | | F F n Teflón (Polímero) CAUCHO Es un polímero del isopreno (2 metil buta 1,3 dieno); mientras que el caucho sintético es un polímero del butadieno y el jebe es un polímero del cloropreno (2 cloro buta 1,3 dieno) ; para darle mayor resistencia al caucho se le adiciona Azufre, este proceso se denomina vuilcanización y fue creado por Good Year Reacciones de oxidación Los alquenos se oxidan con el permanganato de potasio (KMnO4), en frío y en caliente. La oxidación en frío se produce sin ruptura y genera dioles. 2 2 4 2 2 H C CH KMnO H C CH HO OH etanodiol eteno frio Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 266 La oxidación en caliente y con ruptura genera ácidos carboxílicos CUESTIONARIO 4 1. Indique ¿Cuál de los siguientes hidrocarburos alifáticos es un dieno conjugado? A) CH 2 =CH-CH=CH-CH 3 B) CH 2 =C=CH-CH 3 C) CH 3 -CH-CH-CH 3 D) CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 E) (CH 3 ) 3 -CH 2 -CH 3 2. El butadieno es un compuesto que tiene: A) 3 enlaces simples B) Dos enlaces simples y uno doble C) Dos enlaces dobles y siete enlaces simples D) Tres enlaces dobles E) Dos enlaces dobles y uno simple 3. ¿Qué alqueno es más volátil? A) 1-hexeno B) Cis-2-hexeno C) 2-metil-1-penteno D) 2-metil-2-penteno E) 2,3-dimetil-2-buteno 4. Señale verdadero (V) o falso (F) según corresponda: El 3-metil-3-hepteno presenta isomería geométrica La fórmula global del 5-etil-3,6-dimetil-1,4-octadieno es C 12 H 22 La masa molar del 2,4-dimetil-2-penteno es 84 g/mol A) VVV B) VVF C) VFF D) VFV E) FVF 5. Señale verdadero (V) o falso (F) según corresponda, respecto a los alquenos Los alquenos son solubles en solventes apolares Generalmente el punto de ebullición del isómero cis es mayor que el isómero trans El punto de ebullición de los alquenos se incrementa con el aumento de la cadena carbonada A) FVF B) FFV C) VFF D) VFV E) VVV 6. Dados los nombres de los siguientes compuestos: I. But-3-eno II. 2-etil-pent-2-eno III. 2,4-dimetil-pent-2-eno A) I y II B) Solo I C) Solo III D) Solo II E) II y III 7. Señale el nombre del siguiente compuesto CH 3 C=C CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 A) Cis-2,3-dietil-but-2-eno B) Cis-3,4-dimetil-hex-3-eno C) Trans-3,4-dimetil-hex-3-eno D) Trans-2,3-dietil-but-2-eno E) Trans-2-etil-3-metil-pent-2-eno 8. ¿Qué molécula presenta 12 hidrógenos por molécula? A) Hexa-2,4-dieno B) Penta-1,3-dieno C) Hexa-1,3-dieno D) 2-metil-buta-1,3-dieno E) 3-metil-hexa-2,4-dieno 9. El cloruro de vinilo se utiliza para la fabricación de tubos de PVC (Policloruro de vinilo) se obtiene por la reacción del ácido clorhídrico con: A) Benceno B) Etano C) Etino D) Eteno E) Vinilo 10. ¿Cuál es la propiedad química que no corresponde a los alquenos? A) Polimerización B) Hidrogenación C) Oxidación D) Hidrólisis E) Halogenación 11. El etileno es un compuesto que genera al polímero polietileno ; este se debe clasificar como hidrocarburo: A) No saturado B) Saturado C) Alifático D) Aromático E) Alicíclico 12. Señale la estructura que presenta a un aleno A) CH 2 =CH-CH=CH 2 B) CH 3 -CH=CH 2 C) CH 3 -CH 2 -CH 3 D) CH 2 =C=CH 2 E) CH 2 =CH-C≡N 13. ¿Cuál es el producto de la adición Markonikov de HCl, en la siguiente reacción CH 3 -CH=CH 2 + HCl … A) CH 3 -CH=CHCl B) ClCH 2 -CH=CH 2 C) CH 3 -CH 2 -CHCl 2 D) CH 3 -CHCl-CH 3 E) CH 3 -ClC=CH 2 14. Señale el compuesto que no se polimeriza: A) CH 3 -CH=CH 2 B) CH 2 =CH 2 C) CH 2 =CH-C≡N D) CH 2 =CHCl E) H-C≡C-H Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 267 GUÍA 1 - CIENCIAS NOMENCLATURA NIVEL A 1. C-C-C=C-C-C | | | C C C 2. C-C-C-C=C-C-C C C C | | | | C-C 3. C – C = C – C = C - C | | C C-C | C 4. CH 2 =CH-CH-CH-C 3 H 7 | | C 2 H 5 CH=CH-CH 3 5. 6. NIVEL B 1. CH 2 =CH-CH-CH=CH-C-CH 2 -CH-CH 3 | | | CH 2 | | CH 3 CH 3 CH 3 CH || CH 2 2. CH 3 CH 2 CHCH 2 CH-CH-CH=CH 2 | | | CH-CH 3 | CH 3 CH CH || || CH 2 CH | CH 3 3. 4. 5. C-C=C-C=C-C C | C | | C C | | C C C || | 6. 7. NIVEL C 1. 2. C-C-C=C | C | C-C-C(C)-C | C-C-C | C-C-C(C)-C=C 3. H 3 C C=C Cl H CH 2 C=C Br C 3 H 7 H 5 C 2 4. Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 268 5. C=C-C-C-C=C-C=C-C=C-C | C-C=C | | C-C=C-C C=C-C=C 6. C C=C C=C C=C Cl H C Br C-C C C-C-C Es de la serie de los hidrocarburos insaturados porque contiene un triple enlace carbono-carbono, tiene hibridación sp, se les llama también acetilénicos. Su composición o fórmula general es C n H 2n-2 Su constitución o estructura es: R – C C – H Observación: Los polialquinos presentan 2 o más enlaces triples y su fórmula general es: C n H 2n+2-4t n= número de carbonos t= número de enlaces triples Ejemplo Formular globalmente al etil-octadiino C 10 H 2(10)+2-4(2) = C 10 H 14 NOMENCLATURA Los alquinos se nombran usando raíces acompañadas acompañadas por los sufijos o terminaciones: ino, diino, triino, etc. Para alquinos ramificados, se enumera la cadena más larga, que es aquella que contiene los triples enlaces, la numeración empieza, por el extremo más cerca al triple enlace, los sustituyentes se nombran al igual que los alcanos. Si en una cadena carbonada hay dobles y triples enlaces, en caso de empate la prioridad para la numeración lo tiene el doble enlace, con la terminación –en, y el nombre final lo da el alquino, con terminación –ino. OBTENCIÓN 1. Deshidrohalogenación de dihalogenuros de alquilo Un alcano dihalogenado, donde los átomos de halógeno, están en carbonos vecinos o en el mismo carbono, en presencia de KOH alcohólico, se forma un alquino. CH 3 - C C - CH 3 +2KBr+H 2 O CH 3 - CH - CH - CH 3 +2KOH (etanol) Br Br El alquino más importante y el más sencillo es el etino o acetileno, se le utiliza como combustible en los sopletes oxiacetilénico, para soldar y cortar metales y se obtiene así: PROPIEDADES FÍSICAS Sus propiedades físicas son muy similares a los alcanos y alquenos; por su baja polaridad, son menos densos que el agua e insolubles en ella, solubles en solventes no polares como: ; Benceno, ; etc. Los tres primeros alquinos son gases a temperatura ambiente también forman series homologas. QUÍMICAS Son más reactivos que los alcanos y alquenos, debido al triple enlace, (tiene dos enlaces pi); hay dos tipos de reacciones de adición y acidez del hidrógeno del triple enlace. Reacciones de adición: Adición de hidrógenos y halógenos: Acidez de los hidrógenos o sustitución con metales: Adición de ácido cianhídrico (HCN): Los alquinos al combinarlos con el ácido cianhídrico generan cianoalquenos, de los cuales el cianoetileno es un importante producto químico Formación de acetiluros: Esta reacción es propia de los alquinos terminales; aquí pierde un hidrógeno el alquino, frente al amiduro de sodio, que es una base y el alquino se compotrta como un ácido Ejm: C-CH 3 HC Propino CH 3 -C C-CH 2 -CH 3 Pent-2-ino H-C C-C Buta-1,3 -diino C-H C-CH 2 -CH-CH-C H-C C-H C-CH 2 -CH H-C CH-CH 3 CH 3 CH 2 -CH 2 -CH 3 4-metil-3-Propil-hepta-1,6-diino Hex-4-en-1-ino = CaO + 3 C CaC 2 + CO; Carburo del Calcio CaC 2 +2H 2 O H-C C-H+Ca(OH) 2 4 CCl 3 CHCl H-C C-CH 2 -CH 3 +2H 2 Ni CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 ; But-1-ino Butano HC C + Br 2 HCBr 2 - CHBr 2 Etino 1,1,2,2-tetrabromoetano 2 HC CH + Ag Ag-C C-Ag Etino Etinuro de plata H - C C - CH 3 +Na Na - C C - CH Propino Propinuro de sodio 217 Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación 269 GUÍA 1 - CIENCIAS También se pueden obtener acetiluros de plata o de cobre, haciendo pasar acetileno gaseoso por una solución amoniacal de cloruro cuproso o de nitrato de plata. Los acetiluros de cobre y plata se diferencian de los de sodio en que aquellos son extremadamente sensibles al impacto, en estado seco son muy explosivos HC C H HC C Ag 3 4 CuCl / AgNO NH OH Acetiluro de plata CUESTIONARIO 5 1. Completar la siguiente reacción e indique que hidrocarburo se obtiene A) Alcano B) Alqueno C) Alquino D) Cicloalquino E) Aromático 2. ¿Cuál de las siguientes fórmulas corresponde a un alquino? A) C 2 H 6 B) C 6 H 14 C) C 3 H 8 D) C 7 H 14 E) C 10 H 18 3. La reacción característica de los acetilenos es: A) Adición B) Sustitución C) Síntesis D) Metátesis E) Oxidación 4. Identificar con una “V” o con una “F” según la proposición sea verdadera o falsa En los alquinos predomina el enlace etilénico El acetileno presenta 3 enlaces sigma y dos enlaces pi El pentino presenta 10 átomos de hidrógeno La fórmula general de los alquinos es: C n H 2n-2 A) VVVF B) FVFV C) VVFF D) FVVV E) VFVF 5. ¿Cuál de las siguientes proposiciones es verdadera con respecto a los alquinos? A) Son buenos conductores de la corriente eléctrica B) La combustión produce solamente CO 2 C) Son compuestos polares D) Se encuentran en estado líquido E) Los hidrocarburos líquidos son inmiscibles con el agua 6. ¿Cuál de las siguientes proposiciones es falsa? A) El etino se obtiene por hidratación del CaC 2 B) El acetileno presenta 3 pares de electrones compartidos C) La reacción de adición corresponde a los alquinos D) Los alquinos no reaccionan con los halógenos E) El but-2-ino se denomina dimetil acetileno 7. La fórmula molecular del etino es C 2 H 2 ¿Cuál es su fórmula empírica? A) CH 2 B) C 2 H 2 C) CH D) C 2 H 4 E) C 2 H 6 8. El compuesto que se utiliza para obtener al acetileno se denomina Carburo de Calcio y su fórmula es: A) CaC B) Ca 3 C 2 C) CaH 2 D) CaC 2 E) CaO 9. Cuando el etino o acetileno se combina con el ácido cianhídrico (HCN) genera al compuesto A) CH 3 -CH=CH 2 B) CH 2 =CH 2 C) CH 2 =CH-C≡N D) CH 2 =CHCl E) H-C≡C-H 10. ¿Cuál es el producto de la adición Markonikov de HCl, en la siguiente reacción? CH 3 -C≡CH + HCl … A) CH 3 -CH=CHCl B) ClCH 2 -CH=CH 2 C) CH 3 -CH 2 -CHCl 2 D) CH 3 -CHCl-CH 3 E) CH 3 -ClC=CH 2 NOMENCLATURA NIVEL A 1. C-C-C-C-C≡CH | | C C-C 2. C-C-C-C≡C-C-C-C | C | C C C 3. C≡C-C-C-C≡C-C-C | | | C C-C C-C-C 4. Alexander Fleming… 20 años insuperables en tu preparación GUÍA 1 - CIENCIAS 270 5. NIVEL B 1. CH 3 -C≡C-CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH-C≡CH | CH CH 3 CH 3 | CH 2 | CH 2 -CH 2 -CH 3 | CH 3 -C-CH 2 -CH 3 | CH 3 2. 3. 4. 5. ENINOS NIVEL A 1. CH 2 =CH-CH 2 -C≡C-CH 3 2. CH 3 -C≡C-CH=CH-CH 2 -CH 3 3. CH 2 =CH-CH 2 -C≡C-CH=CH 2 4. 5. NIVEL B 1. H 2 C=CHCH 2 CH 2 C≡C-C≡CH 2. CH 3 CH≡CHCH 2 CH=CHCH 2 C≡CCH 3 3. CH 3 C≡CCHCH 2 CH=CHCHCHCH 2 | CH=CH 2 | C 3 H 7 4. 5. NIVEL C 1. 2. | HC≡CCH=CCHCH=CH 2 | CH 3 CH 2 C≡CH 3. 4. 5.