Quimica Talentos

Plan de Nivelación AcadémicaTALENTOS Química Autor: Germania Micolta S. Coordinador: M.Sc. Germania Micolta S. MG. Lección 1 Cinética 1.1 Introducción Cuando en el laboratorio se realiza una reacción química, estamos interesados en conocer qué tan rápido ocurre la reacción. El área de la química relacionada con la velocidad de reacción, la secuencia de etapas en que ocurre la reacción se conoce como Cinética Química. La Cinética Química es muy importante desde el punto de vista ambiental y económico. En la atmósfera por ejemplo, el mantenimiento o la perdida de la capa de ozono, la cual nos protege de los peligrosa radiación ultravioleta del sol, depende de la velocidad de reacción que produce y destruye las moléculas de O3. En la industria química, el proceso de síntesis de amoníaco, usado como un fertilizante, depende de la velocidad a la cual el N2 y H2 pueden convertirse en NH3. En este capítulo, se describe la velocidad de reacción y se examina como ellas son afectadas por variables tales como la concentración y la temperatura. 1.2 Velocidad de reacción La velocidad de las reacciones químicas difiere considerablemente. Algunas, como por ejemplo la combinación del sodio y el bromo, ocurren instantáneamen- te, sin embargo otras, como por ejemplo la oxidación del hierro, son lentas. Para describir la velocidad de reacción cuantitativamente, se debe especificar, qué tan rápido cambia la concentración de un reactivo o un producto por unidad de tiempo R P Cambio de Concentración Velocidad = Cambio del tiempo Se define la velocidad de reacción como el cambio de la concentración de un reactante o un producto por unidad de tiempo (M/s). Gráficamente este fenómeno se puede representar como se muestra a conti- nuación Grafico 1. V . D[A] es negativo t B D[B] = Cambio de concentración en B(producto) respecto a un V periodo de tiempo ∆t. t Ejemplo 1 En la figura 1 se observa la transformación de las esferas negras en grises como un modelo representativo de la aparición de las moléculas representadas por las esferas grises a través del tiempo. Cambio de reactivos (esferas negras) a productos (esferas grises) con el tiempo. Cambio del número de moléculas vs tiempo. Porque [A] disminuye con el tiempo. .Alcaldía de Santiago de Cali D[A] = Cambio en la concentración de A (Reactivo) respecto a un A periodo de tiempo Dt. para una reacción general de la transformación de A en B. hasta que queda muy poco de las esferas negras al final de la reacción Figura 1.76 Convenio Universidad del Valle . 256 0.0229 0.0169 0. N2O5.0016 200 0.0040 400 0.0057 600 0.0197 0. En la descomposición del N2O5.0101 0.0200 0 0 100 0.0072 0. ∆t es el cambio del tiempo y representa ∆t ∆[O 2 ] ∆t .0064 700 0.0029 300 0.0063 0. Concentración como función del tiempo a 55 ºC para la reacción de descomposición del pentóxido de dinitrógeno.0142 0. produciendo el dióxido de nitrógeno gaseoso café y el oxígeno molecular: 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g) Incoloro Café Incoloro El cambio en concentración como función del tiempo puede determinarse midiendo el incremento en la presión como la conversión de 2 moléculas gaseosas en 5 moléculas gaseosas.0160 0. Concentración (M) Tiempo (s) N2O5 NO2 O2 0 0.0061 0.0120 0.0115 0.0049 500 0. La velocidad de reacción se define como el incremento en la concentración de uno de los productos por unidad de tiempo o como el decrecimiento en la concen- tración de un reactante por unidad de tiempo.0278 0.0086 0. La tabla 1 muestra los cambios en concentración de reactivos y productos como una función del tiempo a 55ºC. Otra alternativa es monitorear el cambio de la concen- tración midiendo la intensidad del color café debido al NO2.0070 Tabla 1.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 77 Ejemplo 2 La descomposición termal en fase gaseosa del pentóxido de dinitrógeno. la velocidad de formación del O2 está dada por la ecuación: Recuerde que O2 representa la concentración molar del O2 y O2 el cambio en ∆[O 2 ] la concentración molar de O2. Ejercicio 1 Con los datos de la tabla 1. Así por ejemplo la velocidad de formación de O2 en el periodo de tiempo entre 300 y 400 s tomado de la tabla 1 es: Las unidades de velocidad corresponden a Molar por segundo (M/s).Alcaldía de Santiago de Cali el cambio en la concentración molar del O2 durante el intervalo de tiempo entre t1 a t2. Ahora estudiemos lo que ocurre cuando se tiene la reacción química del tipo: A 2B Se observa que la velocidad de producción de B es dos veces la velocidad de desaparición de A. por cada mol que reacciona de A se producen 2 moles de B. Estequiométricamente de la ecuación presentada. La expresión matemática que representa esta variación corresponde a: Es así que para la ecuación general: aA + bB cC + dD La velocidad de reacción puede ser expresada como: Ejemplo 3 Escriba la relación de velocidad de desaparición de reactivos y aparición de productos. para la siguiente reacción hipotética. Conociendo los valores de concentración y de tiempo se puede calcular la velocidad de formación del O2. y esta variación de la concentración con el tiempo corresponde a la pendiente en un grafico de concentración vs tiempo. grafique las concentraciones dadas tanto para reactivo y productos y calcule la velocidad de formación del O2 y NO2 y desaparición del N2O5 en el intervalo de tiempo entre 200 y 300 s. 2A + 3B C .78 Convenio Universidad del Valle . Matemáticamente la desaparición de B se expresa en función de A como: De la misma ecuación química. la relación se puede escribir: . b). luego la velocidad de formación de C es menor que la velocidad de desaparición de B. Se produce por la fermen- tación de la glucosa según la ecuación balanceada: a). b). Ya que la velocidad de formación del etanol es y . se puede deducir la relación entre las velocidades de C y B. En otras palabras B desaparece más rápido que A en proporción de 3 a 2. De acuerdo a la ecuación balanceada. la velocidad de formación del etanol es dos veces la velocidad de la concentración de la glucosa. es un ingrediente activo en las bebidas alcohólicas y utilizado en las gasolinas como combustibles verdes. Por cada 3 moles de B desaparecidos se produce un mol de C. Entonces. 2 moles de etanol se producen por cada mol de glucosa que reacciona. Matemáticamente se expresa: En conclusión la velocidad para la ecuación del ejemplo sería: Ejemplo 4 El etanol (C2H50H).Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 79 La ecuación planteada indica la presencia de 2 moles de A reaccionando con 3 moles de B para producir un mol de C. Cuál es la velocidad de formación del etanol relativa a la velocidad de consumo de glucosa?. Escriba esta relación en términos de y Solución a). escriba la relación de velocidad para la desaparición de reactivos y aparición de los productos. la reacción es de primer orden y la ley de velocidad corresponde a: Si n = 2. 1.3 Ley de Velocidad y Orden de reacción En la mayoría de las reacciones químicas a temperatura constante. Si n= 0 se considera la reacción como de orden cero y la ley de velocidad será: Recuerde: cualquier término elevado al exponencial cero tiene como valor 1 por lo tanto cuando una reacción es de orden cero la velocidad de reacción no depende de la concentración del reactivo. .Alcaldía de Santiago de Cali Ejercicio 2 Para la reacción: . la velocidad es proporcional a las concentraciones de los reactivos elevadas a un exponente n. quedando finalmente la expresión de velocidad: Si n= 1.80 Convenio Universidad del Valle . la reacción es de segundo orden y la ley de velocidad será: Es posible tener un orden de reacción 2 cuando la velocidad dependa de dos reactivos. Para la reacción general A →Productos Se introduce una constante de proporcionalidad k Esta ecuación empírica se conoce como la Ley de Velocidad donde k es la constante de velocidad y n es el orden de la reacción. A + B → C En este caso la reacción es de primer orden con respecto a cada reactivo y la ley de velocidad será: Donde el orden total de la reacción es 2. La ley de velocidad tiene unidades de M/s. exprese la Ley de velocidad e indique el orden total de reacción.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 81 En resumen: Orden de reacción Ley de velocidad Unidades para k total Velocidad = k Orden cero M/s ó Ms-1 Velocidad = k [A] Primer orden 1/s ó s-1 Velocidad = k[A][B] Segundo orden 1/ (M* s) ó M-1 s-1 Velocidad = k[A][B]2 Tercer orden 1/ (M2* s) ó M-2 s-1 El orden de reacción es una magnitud estrictamente experimental y depende tan solo de la forma como la velocidad se relaciona con la concentración de los reactivos. Reacción Ley de velocidad (CH3)3CBr(ac) + H2O(ac) → (CH3)3COH(ac) Velocidad = + H+(ac) + Br-(ac) k[(CH3)3CBr] HCO2H(ac) + Br2(ac) → 2H+(ac) + 2Br-(ac) + Velocidad = k[Br2] CO2(g) BrO3-(ac) + 5Br-(ac) + 6H+ (ac) → 3Br2(ac) + Velocidad = k[BrO3-] 3H2O(l) [Br-][H+]2 H2(g) + I2(g) → 2HI(g) Velocidad = k[H2][I2] CH3CHO(g) → CH4(g) + CO(g) Velocidad = k[CH3CHO]3/2 Tabla 2. Ejemplo 5 Para la reacción: 2NO(g) + 2H2(g) ® 2H2O(l) + N2(g). por lo tanto la ley de velocidad será: . se encuentra experimentalmente que es de segundo orden respecto al NO y de orden cero respecto al H2. Ecuaciones químicas balanceadas y Ley de velocidad determinada experimentalmente para algunas reacciones. Solución De la información se establece que la velocidad no depende del H2. mientras que las unidades de k dependen del orden total de la reacción. 1. se puede cuantificar el aumento de la presión a medida que transcurre la reacción. La velocidad de este sistema se expresa como la variación de la presión del CO2(g) .Alcaldía de Santiago de Cali Como el orden total de la reacción es la suma de los exponentes de las concentraciones de las especies reaccionantes. CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Tanto el carbonato de calcio (II) como el óxido de calcio (II). se encuentra que el orden total es 2 porque el orden con respecto al H2 es cero. solo el dióxido de carbono es gaseoso. Se puede medir en vez de la concentración. indique cuál es el orden total de la reacción. por ejemplo en la descomposición del carbonato de calcio sólido. La propiedad física utilizada para el seguimiento. Cuál es el orden total de la reacción? c). son sólidos. Cuál es el orden de la reacción con respecto a cada reactivo? b). Ejercicio 3 De la tabla 2 escoja la reacción 2 y responda: a). Para todas las reacciones de la tabla 2. una propiedad física que sea directamente proporcional a la concentración y que cambie a medida que la reacción avanza. los cuales constituyen el mecanismo de reacción. depende del tipo de reacción en estudio. Esto significa que una reacción ocurre en varios pasos.4 Determinación experimental de la velocidad de reacción El estudio experimental de la velocidad de una reacción implica el conocimiento de las concentraciones de los reactivos o de los productos durante el trans- curso de la reacción. debido a que su concentración esta en aumento. El paso más lento de este mecanismo es el que determina la velocidad de reacción y por lo tanto define la Ley de velocidad. Recuerde: los coeficientes estequiométricos de la ecuación de reacción no son necesariamente los exponentes de la Ley de velocidad.82 Convenio Universidad del Valle . por lo tanto si se tiene un recipiente cerrado. En los primeros dos experimentos se mantiene constante la concentración del oxíge- no y se dobla la concentración de NO. Se observa en este caso un incremento en la velocidad inicial.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 83 Otro ejemplo es la oxidación del oxido nítrico por el aire. indicando que la velocidad depende de la concentración del O2 a una potencia de 1. Note: los datos experimentales se han diseñado para investigar el efecto sobre la velocidad inicial de un cambio en la concentración inicial de un reactivo. Velocidad inicial de Experimento Inicial [NO] Inicial [O2] formación del NO2 (M/s) 1 0.192 3 0. (la cual contribuye a la lluvia ácida). (experimentos 1 y 3).048 M/s a 0.192 M/s.015 0.048 2 0.015 0. indicando que la velocidad depende de la concentración del NO al cuadrado [NO]2.384 Tabla 3. en un factor de 4. De estos resultados se concluye que la ley de velocidad para la formación del NO2 es: Ejercicio 4 La oxidación del ion ioduro por el peróxido de hidrógeno en medio ácido se describe según la ecuación balanceada: . Cuando se mantiene la concentración de NO constante y se dobla la con- centración de oxígeno. va desde 0.015 0.015 0.030 0.030 0. la velocidad inicial de formación se dobla. Concentración y datos de velocidad para la reacción de oxidación del oxido nítrico.030 0. según la reacción: 2NO(g) + O2(g) ® 2NO2(g) Los datos de velocidad inicial obtenidos experimentalmente se observan en la tabla 3.030 0.096 4 0. 5 x 10-4 2 0. Cuál es el orden de reacción para A y B?. la ley de velocidad = utilizando el cálculo diferencial.100 2.84 Convenio Universidad del Valle . Para una reacción A Þ Productos.200 0. Cuál es el valor de la constante de velocidad?. a b c d a). cuál el orden de reacción total? b).30 x 10-4 3 0.100 1.Alcaldía de Santiago de Cali La velocidad de formación del ión triyoduro. se representa en los vasos de reacción de a hasta d. Las esferas negras representan a A y las grises a B.200 2. Ejercicio 5 Las velocidades de reacción para A + B Þ Productos.100 0. obteniéndose los datos registrados en la siguiente tabla: Velocidad inicial de Experimento Inicial [H2O2] Inicial [I-] formación del I3-(M/s) 1 0. Cuál es la ley de velocidad para la formación del I3-?.5 Ley de velocidad integrada para una reacción de primer orden y tiempo de vida media. b).200 0. se determina midiendo la velocidad de aparición del color del triyoduro.100 0. Escriba la ley de velocidad.60 x 10-4 a).30 x 10-4 4 0. 1. .200 4. se puede convertir esta expresión en otra forma conocida como la ley de velocidad integrada: . 5 b) Logaritmo natural de la concentración de reactivos versus tiempo para una reacción de primer orden. y arbitrariamente considerando este t=0. [A]0 señala la concen- tración de A al tiempo inicial. Tiempo que hace posible calcular la concentración de A a cualquier tiempo t o la fracción de A que permanece a cualquier tiempo t. y [A]t. corresponde a la fracción de A que permanece al tiempo t. Como ln([A]t/[A]0 = ln[A]t . La relación [A]t /[A]0. a) Concentración de reactivos versus tiempo.ln[A]0 La ecuación se puede transformar en ln[A]t = -kt + ln[A]0 . se obtiene una línea recta cuya pendiente m = -k y el intercepto b = ln[A]0. La ley de velocidad integrada es por tanto una ecuación de concentración vs. .la cual tiene la forma de la ecuación de una recta y = mx + b. Grafico 2.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 85 En esta ecuación. la concentración de A en cualquier tiempo t. ln corresponde al logaritmo natural. donde se observa la disminución del reactivo (izquierda) y línea recta al graficar ln[A] contra tiempo cuya pendiente corresponde al valor de la constante de velocidad (derecha). Curva de variación de la concentración de A contra tiempo. indicando que ln[A]t es una función lineal del tiempo Sí se grafica ln[A] contra tiempo. la constante de velocidad para el consumo del H2O2 a 20ºC es 1. y la concentración inicial del peróxido es 0. Cuál es la concentración del peróxido después de 4 h?. hay que convertir las horas a segundos: t = (4. Cuánto tiempo transcurre para que el peróxido alcance una concentración de 0.23M b). a).772 Despejando: [H2O2]t = 0.44X104 s) = -0.30M = e-0. Tiempo: ln[H2O2]t/ 0. Cuánto tiempo se toma en descomponerse el 90% del peróxido?.30M = (1.259 = 0.30M = 0.8X10-5 s-1)(1. Solución a).Alcaldía de Santiago de Cali Ejemplo 6 La descomposición del peróxido de hidrógeno en una solución de hidróxido de sodio se describe mediante la ecuación: 2H2O2(ac) Þ 2H2O(l) + O2(g) Se encuentra que la reacción es de primer orden con respecto al peróxido.772 x 0.12M?.8 x 10-5 s-1.00h)(60min/h)(60s/min) = 1. c). k y t en la ecuación de con- centración vs.259. .44 x 104 s Al sustituir los valores de concentración inicial.12M del peróxido se alcanza cuando han transcu- rrido 14 h.30 M. se obtiene la relación de concentración para despejar la incógnita: [H2O2]t/ 0. Para una reacción de primer orden: Despejando el tiempo: Reemplazando: Asi que la concentración 0. que corresponde a la función exponencial. Como las unidades de k estan en s-1.86 Convenio Universidad del Valle . b).259 Al tomar el antilogaritmo de -0. como el tiempo gastado para llevar a la mitad de la concentración inicial los reactivos. que la velocidad de una reacción usualmente depende de las concentraciones de los reactantes y del valor de la constante de velocidad. Una etapa simple en un mecanismo de reacción se conoce como reacción elemental o etapa elemental. . Como se descompone el 90% del peróxido. es decir la secuencia de eventos moleculares. las cuales definen la vía de reactivos a productos. por tanto: [H2O2]t/ [H2O2]0 = (0. Otro aspecto importante en cinética es tratar de explicar cómo puede ocurrir la reacción química. permanece sin desomponerse el 10%.30M)/0. o las etapas de reacción. En cinética se considera el tiempo de vida media. En una reacción de primer orden el tiempo se calcula mediante la ecuación: Si la reacción se lleva a la mitad de la concentración inicial entonces para una cinetica de primer orden el tiempo gastado en llevar la concentración inicial a la mitad es: Ejercicio 7 Considere la descomposición del peroxido de hidrógeno del ejemplo 6. Normalmente se presentan las reacciones totales más no las reacciones elementales por ejemplo.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 87 c). Ejercicio 6 Tomando los datos experimentales de concentración versus tiempo para la descomposición del pentoxido de dinitrógeno a 55ºC dados en la tabla 1 confirme que la descomposición del pentóxido es una reacción de primer orden.30M = 0. Se ha estudiado hasta aquí. Calcule la constante para la descomposición de N2O5. cuál es el tiempo de vida media (en horas) de la reacción a 20ºC?.10 x 0.6 Mecanismo de reacción. lo que se conoce como el mecanismo de la reacción.3x105 s equivalente a 36 h.10 El tiempo Por lo tanto el tiempo requerido para descomponer 90% del peróxido equivale a 1. 1. De otro lado. La ecuación química para una reacción elemental es una descripción de un evento molecular individual que involucra el rompimiento y la formación de enlaces químicos. Las reacciones elementales del ejemplo anterior corresponden a reacciones bimoleculares. para una reacción elemental. a este tipo de reactivo se le da el nombre de reactivo intermediario. . Etapas elementales en la reacción del NO2 con CO. Así. En contraste. La molecularidad corresponde para una reacción elemental el número de mo- léculas presentes en cada etapa. en ella no aparece el NO3 y en las reacciones elementales en la primera etapa aparece y en la segunda desaparece. NO2(g) + CO(g) ® NO(g) + CO2(g) Reacción Total Primera etapa: NO2(g) + NO2(g) NO(g) + NO3(g) Reac- ción elemental Segunda Etapa: NO3(g) + CO(g) NO2(g) + CO2(g) Reac- ción elemental Si se revisa la reacción total. y no proporciona información de cómo ocurre la reacción.88 Convenio Universidad del Valle . una reacción unimolecular corresponde a la descomposición de una molécula en otras.Alcaldía de Santiago de Cali Figura 2. una reacción bimolecular. corresponde a la presencia de 2 moléculas reaccionantes. la ecuación balanceada para una reacción total describe sola- mente la estequiometría del proceso total. c). Ejercicio 8 Se propone el siguiente mecanismo en 2 etapas para la descomposición en fase gaseosa del oxido nitroso (N2O): Etapa 1 N2O (g) Þ N2(g) + O(g) Etapa 2 N2O(g) + O(g) Þ N2(g) + O2(g) a). porque la reacción total no describe un evento molecular individual. Cuál es la molecularidad de la reacción total?. de la secuencia de etapas elementales y sus velocidades relativas. Un ejemplo de esto es la conversión del bromometano en metanol en solución básica: CH3Br(ac) + OH-(ac) Þ Br-(ac) + CH3OH(ac) La reacción ocurre en una simple etapa bimolecular por lo tanto la ley de velocidad será: En el caso de la reacción entre el NO2 y el CO dada arriba la cual ocurre en 2 etapas: k1 La primera etapa NO2(g) + NO2(g) Þ NO(g) + NO3(g) Etapa lenta. d).Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 89 No se puede utilizar la palabra molecularidad conectado con una reacción total. Escriba la ecuación química para la reacción total. Cuál es la molecularidad de cada una de las reacciones elementales?. b). determinante de la velocidad k2 La segunda etapa NO3(g) + CO(g) Þ NO2(g) + CO2(g) Etapa rápida . Experimentalmente se ha observado que la cinética de una reacción total depende del mecanismo de la reacción. Si una reacción total ocurre en una etapa elemental simple. la ley de velocidad es igual a la ley de velocidad para la etapa elemental. esto es. Única- mente para reacciones elementales se puede hablar de molecularidad. Identifique los intermediarios de la reacción. Para que los reactivos se conviertan en productos. Es así como solo las moléculas que alcanzan un estado energético alto. serán las que reacciones y a este estado energético se le conoce como complejo activa- do o estado de transición.90 Convenio Universidad del Valle . un diagrama de flujo para de- terminar la ley se da a continuación: 1. es necesario que las coli- siones entre las moléculas alcancen una energía mínima suficiente para lograr la transformación. esta energía se conoce como energía de activación.Alcaldía de Santiago de Cali NO2(g) + CO(g) Þ NO(g) + CO2(g) La reacción total La ley de velocidad la determina la etapa lenta. Perfil de Energía potencial vs. progreso de la reacción de A + B® C + D .7 Energía de activación y estado de transición. Grafico3. sino por la presencia de catalizadores. 2KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g) Calor En ausencia de catalizador el KClO3. Un catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad de una reacción sin ser consumido en la misma. la energía de los productos está por encima de la energía de los reactivos.8 Catálisis. . en el caso a se observa la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos. pero cuando se añade pequeñas cantidades de MnO2 y se mezcla con el KClO3. y a este tipo de reacciones se les conoce como reacciones endotérmicas. aunque se caliente. 1. este proceso requiere energía. se descompone muy lentamente. con rapidez se observa la evolución del oxígeno gaseoso. La velocidad de reacción se ve afectada. un polvo blanco que agiliza la descomposición termal del clorato de potasio. En el caso b.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 91 Sí tenemos la reacción general: A + B → AB¹ → C + D a) Reacción Exotérmica b) Reacción Endotérmica Grafico 4: Variación de la energía potencial cuando A + B se transforma en C + D En el grafico 4. cuando esto ocurre el sistema produce calor y se conoce como reacción exotérmica. Un ejemplo es el dióxido de manganeso. no solo por la concentración de los reactivos y la temperatura. los catalizadores.Alcaldía de Santiago de Cali a b Grafico 5. En el grafico 5 se observa el efecto de la adición de un catalizador a una mezcla de reaccionantes. donde claramente se aprecia una disminución de la Energía de activación para una reacción catalizada. son armas potentes en la batalla para el control de la polución del aire. El trabajo de un catalizador es permitirle a la reacción utilizar otro camino de menor energía de activación para llegar a los productos. Casi todos los procesos industriales para la manufactura de químicos esenciales usan catálisis para favorecer la formación de un producto específico y bajar la temperatura de reacción. por ejemplo el óxido nítrico. lo que le permitirá llegar a productos mucho más rápidamente. juega un importante papel en la formación de polutantes del aire. Los catalizadores son muy importantes. como el platino en convertidores catalíticos de los autos. En química ambiental. . tanto en la industria química como en los organismos vivos.92 Convenio Universidad del Valle . mientras que otros catalizadores. que una reacción sin catalizador. Curvas de reacción para reacciones sin catalizador (a) y con catalizador (b). efecto que les permite reducir los costos de energía. una enzima presente en las bacterias en la raíz nódulos de las leguminosas como los guisantes y frijoles. �[P] V= �t V=k [ES] . Mecanismo de acción de las enzimas. cataliza la conversión de nitrógeno atmosférico en amoníaco. Un modelo explicativo del proceso se observa a continuación: Grafico 6. que facilitan las reacciones específicas de importancia biológica esencial. la nitrogenasa. las reacciones químicas son catalizadas por las mo- léculas grandes llamadas enzimas.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 93 En los organismos vivos. Por ejemplo. 94 Convenio Universidad del Valle .Alcaldía de Santiago de Cali . Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 95 . . Dada la cantidad de compuestos desarrollados a base de carbono. notaron que los componentes de las plantas y los animales eran más difíciles de purificar y trabajar con ellas que las extraídas de los minerales. se acuña el término química orgánica. se sigue realizando su estudio como un capítulo aparte del resto de elementos de la tabla periódica. En la química orgánica. . los dedicados a la ciencia de la época. pero es más por conveniencia. mientras que la química inorgánica se utilizaba para el estudio de los compuestos provenientes de fuentes minerales. Para expresar esta diferencia. formando grandes cadenas (cate nación) y anillos. Toda la química del carbono se basa en la habilidad del carbono para enlazarse con otros átomos de carbono. Para representar las cadenas o anillos es bueno tener en cuenta los esqueletos carbonados y los tipos de carbono como fundamentos para escribir las moléculas orgánicas.1 Introducción A mediados del siglo XVIII. Lección 2 Química orgánica 2. el cual significa el estudio de los compuestos de los organismos vivos. Hoy se conoce que no hay una diferencia como se pretendía en esta época. no se consideran moléculas pequeñas del carbono como el dióxido y el monóxido de carbono. dado que los mismos principios se aplican para ambos. el teflón. como son los polímeros orgánicos: los polietilenos. como parte de la química orgánica. los poli-cloroetano. poli-estireno. .98 Convenio Universidad del Valle . etc. sin embargo dados los avances en la investigación en química orgánica.Alcaldía de Santiago de Cali Esqueletos carbonados C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C Lineal Cíclicos Ramificados Tipos de carbonos Aquel que está unido Carbono primario C-C a un solo carbono Aquel que está unido Carbono secundario C-C-C a dos carbonos C C Aquel que está unido C Carbono terciario a tres carbonos C C C C Aquel que está unido Carbono cuaternario C a cuatro carbonos C Los seres vivos están hechos de moléculas muy grandes las cuales constituyen el campo de la Bioquímica. otra serie de moléculas grandes se han desarrollado a partir del carbono de mucho uso industrial. Figura 2. . sin embargo no siempre el carbono se puede unir a un átomo más electronegativo. En los ejemplos mostrados (esquema 3). se ve al carbono como electropositivo en el clorometano y a su vez en el metil-litio. se une de manera covalente con 4 átomos de H. Estructura del Metano. Estructura del Etano. se puede tener un enlace covalente polar como el que se presenta en el clorometano. Figura 1. produce la primera molécula. La unión de dos átomos de carbono a través de enlace covalente.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 99 2. cuya representación se puede observar en el siguiente esquema. al ser el litio muy electropositivo. No solo se presenta un enlace covalente simple en las especies orgánicas. el etano. cuya geometría es tetrahedral con hibridización sp3.2 Naturaleza de las moléculas orgánicas Como se estudio en el capítulo 4 de enlace. el carbono en la molécula de CH4. Cuando se enlaza al carbono un átomo más electronegativo. utilizando los 4 electrones de su capa de valencia (1s2 2s2 2p2). el carbono actúa como una especie más electronegativa. formado entre átomos de carbono y de hidrógeno. también lo puede hacer con un átomo menos electronegativo. Alcaldía de Santiago de Cali Figura 3. Esto constituye un enlace triple (Figura 4). El etileno se enlaza mediante un enlace σ y un enlace π. lo cual constituye el doble enlace. . Los dos átomos de carbono en el etino o acetileno. se encuentran enlazados triplemente. estos compuestos conforman la familia de los hidrocarburos saturados o alcanos. El carbono no solo forma enlaces simples σ. Figura 4. donde el carbono esta compartien- do 4 electrones con el otro carbono. Polaridad del enlace en compuestos del Carbono. Representación del Eteno y Etino. donde se presentan 1 enlace σ y 2 π.100 Convenio Universidad del Valle . Alcanos y sus isómeros 2. o etileno. Si están unidos solo por enlaces simples σ.3 Alcanos y sus isómeros Todas las moléculas formadas por átomos de carbono e hidrógeno se conocen como hidrocarburos. identificados por la fórmula CnH(2n+2). sino que puede producir enlaces dobles en moléculas como el eteno. poseen propiedades químicas y físicas diferentes. aumenta el número de isómeros. Isómeros del C4H10. A medida que aumenta el número de carbonos. . Por ejemplo cuando se tiene 4 o 5 carbonos se pueden arreglar en forma lineal o en forma ramificada. Figura 7. Cuando ambas especies tienen la misma fórmula molecular pero difieren en su estructura. más de una estructura puede resultar a partir de la misma fórmula molecular. Es importante resaltar que los isómeros a pesar de tener la misma formula molecular.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 101 Figura 5. (Figura 7). se conocen como isómeros estructurales. (Figura 6). Figura 6. Ejemplo de algunos alcanos. Isómeros del C5H12. Cuando se combinan más de 3 carbonos e hidrógenos. eb. p. 2. prefijos y sufijos que indican los grupos funcionales y los números (localizaciones) que definen la posición.5 ºC Gas.4 Nomenclatura Aunque se conocen nombres comunes para ciertos compuestos. eb. Solución El alcohol etílico y el éter dimetílico tienen la fórmula empírica propuesta: Etanol C2H5OH Dimetileter Líquido. la necesidad de identificar correctamente los mismos ha requerido de un método sistemático para nombrarlos y ha sido la International Union of Pure and Applied Chemistry. Los prefijos se pueden adicionar para indicar modificaciones al esqueleto carbonado y definir la estereoquímica. quien ha realizado la sistematización de los compuestos orgá- nicos para darles su nombre. Consulte sus propiedades físicas. .102 Convenio Universidad del Valle . abreviado IUPAC. 78.Alcaldía de Santiago de Cali Ejemplo 1 Dibuje todos los isómeros que poseen la formula molecular C2H6O. = -23 ºC Ejercicio 1 Dibuje todos los isómeros con fórmula C7H16. p. El nombre sistemático para un compuesto tiene un tronco que describe el esqueleto carbonado. para el caso anterior: . Se nombra como Hexano. etano. no como pentano. con excepción de los 4 primeros compuestos. propano y butano). Los alcanos de cadena ramificada se nombran siguiendo estas 4 etapas: 1. el resto se nombra usando los prefijos de los nú- meros griegos de acuerdo al número de carbonos presentes. identificar la cadena lineal. (metano. 2. porque la cadena más larga tiene 6 carbonos. La cadena más larga no siempre es la más obvia en la forma escrita. (nombres comunes). las cadenas lineales se nombran contando el número de carbonos en la cadena y adicionando el sufijo ano. debe analizarla para encontrarla. Encuentre la cadena continua más larga de carbonos en la molécula y use el nombre de esa cadena como el nombre del tronco principal.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 103 En los alcanos. Se inicia la numeración buscando el extremo más cercano al punto donde está la ramifica- ción. así por ejemplo un alcano de 5 carbonos se nombra pentano. Esta estructura es igual a de esta manera puede Ud. Numeración de los átomos de carbono en la cadena principal. Nombre de los alcanos de cadena lineal. cuyos nombres tienen origen histórico. Tabla 1. Nombre de la cadena principal. Alcaldía de Santiago de Cali La única ramificación ocurre en el carbono 3. lo cual es erróneo. no existen más posibilidades en su nombre. dado que todos los hidrógenos de las 2 especies mencionadas son equivalentes. así el derivado del metano al perder un hidroge- no y estar como sustituyente se denomina grupo metilo. el derivado del etano se denomina etilo. C4. Asignar un número a cada grupo sustituyente ramificado sobre la cadena base de acuerdo a su punto de unión. Los grupos sustituyentes se nombran derivados de su tronco patrón. C3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2 y CH3CHCH3 Propano Propil Isopropil . Sin embargo esto no es igual cuando se tienen hidrógenos no equivalentes en el grupo sustituyente. C3. 3 Identificar y numerar el sustituyente ramificado.104 Convenio Universidad del Valle . si se inicia la numeración por el otro extremo la ramificación queda ubicada en el carbono 4. normalmente pierden un hidrógeno. Solución Aplicando los pasos vistos arriba. Si un grupo sustituyente se encuentra repetido se utilizan los prefijos di (dos). tetra (cuatro). Su nombre: 2. etc.6-Dimetiloctano. Los nombres se separan por comas y las letras de los números por guiones. Ejemplo 3 Dibuje la estructura del 3-isopropil-2-metilhexano. Solución . la numeración buscando la cadena más larga iniciando por el terminal donde se encuentre la sustitución más cercana nos produce: La molécula tiene 8 carbonos en su cadena principal con dos sustituyentes metilos en las posiciones de C2 y C6. tri (tres). Así podemos nombrar los siguientes ejemplos: Ejemplo2 Cuál es el nombre IUPAC del siguiente alcano?.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 105 Los sustituyentes se nombran en orden alfabético. Alcaldía de Santiago de Cali Siguiendo los pasos. Ejercicio 3 Dibuje las estructuras correspondientes a los siguientes compuestos: a).2-Dimetil-4-propiloctano d). se dibuja inicialmente la cadena lineal de 6 carbonos y se numeran del 1 al 6. lo cual les otorga mas reactividad a estos dos anillos. Cada una de las esquinas de los anillos representa un átomo de carbono en forma de CH2. colocando en los carbonos 2 y 3 los respectivos sustituyentes. Al- gunos de ellos han sido sintetizados. (ángulos menores a 109. 3-Etil-4.4-dimetilheptano c).5º). Debe adicionar tantos hidrógenos a cada átomo de carbono de la cadena lineal de tal manera que todos ellos tengan 4 átomos enlazados. Los tres isómeros del C5H12 b).106 Convenio Universidad del Valle . 2. con hibridización sp3.4-Dimetilnonano b). Ejercicio 2 Nombre según la IUPAC: a). 3. aunque éste se encuentra distorsionado en el ciclo propano y el ciclo butano. 2.5 Ciclo alcanos En la naturaleza no solo hay alcanos de cadena abierta. generando anillos con enlaces más débiles de lo normal. sino también átomos de carbono formando anillos que unen desde 3 átomos de carbonos hasta 30. .4-trimetilpentano 2.2. comparados con los otros ejemplos de anillos mostrados. Los sustituyentes son etil y metil. por orden alfabético la posición 1 será para el etil. le correspondería la posición 5 que es más alta que la posición 3. por lo tanto el nombre del cicloalcano es 1-Isopropil-3-metilciclopentano. porque el metilo. la cual es la correcta. Ejercicio 4 Escriba los nombres IUPAC de los siguientes cicloalcanos: . alfabéticamente la posición 1 corresponde al isopropil y la 3 al metil. las dos sustitu- ciones corresponden a un metil y un isopropilo. se sigue la numeración de tal manera que el siguiente sustituyente tenga la numeración más baja. es decir. Ejemplo 4 Cuál es el nombre IUPAC del siguiente cicloalcano? Solución El cicloalcano tiene 5 carbonos luego será un ciclopentano.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 107 Para nombrar cicloalcanos sustituidos se sigue utilizando el tronco básico. el nombre de ciclo respectivo e identificando como primera posición sobre el anillo donde se encuentra el sustituyente teniendo presente el orden alfabético. Es por eso que no se puede numerar siguiendo las manecillas del reloj. 7 Grupos funcionales Los compuestos orgánicos pueden clasificarse en familias de acuerdo a su estructura y al comportamiento químico que presentan.3. bases y a la mayoría de los reactivos comunes de laboratorio. el kerosene (una mezcla de alcanos de C11. 1. . 1. Para la reacción de alcanos con Br2 ó Cl2. El alcano más usado es el metano y su reacción es: El propano. la primera se conoce como reacción de combustión.C14) y otros alcanos hacen combustión de manera similar.Alcaldía de Santiago de Cali Ejercicio 5 Dibuje las estructuras correspondientes a los siguientes nombres IUPAC: a). 2. se mezclan los reactivos y se irradia con luz ultravioleta. En este proceso ocurre la sustitución de átomos de hidróge- nos del alcano por átomos de halógeno.1-Dimetilciclobutano b).6 Reacciones de los alcanos Los alcanos tienen una baja reactividad química y son inertes a los ácidos. 1-ter-Butil-2-metilciclopentano c). y la segunda como reacción de halogenación.108 Convenio Universidad del Valle . se conoce como grupo funcional. Los hechos estructurales que hacen posible la ubicación de un grupo de compuestos en una misma familia. Bajo condiciones apropiadas reaccionan con oxígeno y con halógenos. la gasolina (una mezcla de alcanos entre C5-C11).5-Trimetilcicloheptano 2. y por eso se utilizan en máquinas y hornos como combustibles. La reac- ción de combustión produce energía. . En la tabla se identifican principales grupos funcionales. Los compuestos que poseen el mismo grupo funcional tienden a presentar la misma clase de reacciones.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 109 Un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos dentro de una molécula que tiene un comportamiento químico característico. Familias de moléculas en química orgánica.110 Convenio Universidad del Valle . Cl2. Por ejemplo propeno. dependiendo de la posi- ción del doble enlace en la cadena lineal. Los alquenos superiores pueden producir isómeros. Alquenos y alquinos 2. etc. Reacciones de alquenos y alquinos Reacciones de adición Los alquenos reaccionan con moléculas tipo XY. donde el doble enlace se transforma en un enlace sencillo. H-OH. el cual se especifica con prefijos numé- ricos.8 Alquenos y alquinos Estos compuestos se caracterizan por presentar un doble enlace (alquenos) o un triple enlace (los alquinos). Se nombran teniendo en cuenta la cadena carbo- nada más larga que contenga el enlace doble enlace añadiéndole el sufijo eno o ino respectivamente.Alcaldía de Santiago de Cali Tabla 2. Br2. 2-Metil-3-hexeno Alrededor de la posición del doble enlace se pueden considerar isómeros geométricos del tipo conocidos como cis y trans. . donde XY puede ser H2. 3-Hexeno Hexano b.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 111 a. Pd o Pt para producir el correspondiente alcano. una reacción de hidratación ocurre para producir alcoholes.2-Dibromoetano c. Eteno Etanol 2. halogenación. Adición de agua: Los alquenos no reaccionan con agua pura. meta y para. pero en presencia de un catalizar acido fuerte como el ácido sulfúrico. Se puede distinguir 3 posiciones en el anillo: orto. sulfonación así: . lo que permite identificar en su nomenclatura. Adición de halógeno: Eteno 1.9 Reacciones de los compuestos aromáticos El más conocido es el benceno. por ejemplo: El anillo puede sufrir reacciones de sustitución electrofílica aromática: nitra- ción. se caracteriza por tener un anillo con 3 dobles enlaces delocalizados. Adición de hidrógeno: Los alquenos reaccionan con hidrógeno gaseoso en presencia de un catalizador de Ni. característica que lo hace energéticamente más estable que moléculas similares con enlaces alternos simples y dobles. hasta 6 carbonos. la mayoría son solubles en agua. señalando la posición del grupo funcional con el sufijo ol. por tener un átomo de oxígeno muy electronegativo unido a un átomo de hidrógeno. FeBr3 b). SO3. forma enlaces puente de hidrógeno. HNO3. el cual afecta muchas de sus propiedades físicas y químicas. p-Cloronitrobenceno c).112 Convenio Universidad del Valle . Los alcoholes tienen puntos de ebullición más altos que los alcanos de tamaño similar. H2SO4 2. y aminas Alcoholes Los alcoholes. por su habilidad de formar puentes de hidró- geno. al igual que el agua.Alcaldía de Santiago de Cali Ejercicio 6 Dibuje las estructuras correspondientes a los siguientes nombres: a). eteres. Se nombran a partir de la cadena principal. o-Dibromobenceno b). m-Dietilbenceno Ejercicio 7 Escriba los productos de reacción de los siguientes reactivos con benceno: a). H2SO4 c).10 Alcoholes. . Br2. fenoles. por ejemplo: En el esquema se observan los sitios por donde puede reaccionar un alcohol. se produce por procesos de fermentación de cereales. secundarios o terciarios. Reacciones del grupo alcohol. El etanol es uno de los conocidos más antiguos. siendo purificado por procesos de destilación fraccionada. .Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 113 C 3C H H 2C H 2O H 3 2 1 1-Propanol El más sencillo es el metanol y se produce por la reacción catalizada del CO con hidrógeno. Industrialmente es importante porque es la materia prima para la obtención de formaldehido. o de azúcar de caña o remolacha. ácido fórmico (HCOOH). con los distintos tipos de reacciones que pueden ocurrir. El metanol el tóxico y causa ceguera en bajas dosis (15mL) y la muerte en grandes cantidades (100-200 mL). (CH2O). Figura 8. LEVADURA C6H12 O6 2CO2 + 2CH3CH2OH Los alcoholes pueden ser primarios. directamente o en derivados. se les denomina fenoles. anestésicos tópicos y germicidas. resinas y plásticos.Alcaldía de Santiago de Cali Fenoles Cuando uno de los hidrógenos de la estructura molecular de los hidrocarburos aromáticos se sustituye por el grupo hidroxilo (-OH). de estructura de resonancia en forma de anillo hexagonal. el más simple de los fenoles y al cual debe el nombre la clase. H H H O C C C H H C C H H C C H H C C H H C C C H H Benceno Fenol Estructuras resonantes del Benceno Ejemplo de otros fenoles: Los fenoles además pueden tener varios anillos bencénicos (policíclicos) en la estructura molecular y acoplarse de diversa manera con diferentes radicales en los vértices de los hexágonos del anillo para formar compuestos de elevada complejidad y características muy diferentes. como aceites esenciales en el té o el tomillo. La bakelita. o como hormonas en los animales superiores y el hombre. un termoplástico que se produce industrialmente desde 1909 es un polímero del formaldehído cuya base principal es el fenol. En los seres vivos están presentes con frecuencia formas más complejas de fenoles. se usa como desinfectante. El fenol es una sustancia con enorme valor industrial. característico de los alcoholes. Grandes cantidades de fenol se usan para la producción de formaldehído. El más simple de los hidrocarburos aromáticos es el benceno (C6H6). . Fuentes naturales y uso de los fenoles: La elaboración de coque a partir del carbón de piedra proporciona importantes cantidades de fenol.114 Convenio Universidad del Valle . Cuan- do uno de los hidrógenos del benceno se sustituye por un grupo hidroxilo obte- nemos el Fenol. En este caso el ion sodio sustituye al hidrógeno del grupo hidroxilo. a diferencia de los alcoholes.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 115 Propiedades físicas y químicas de los fenoles: La enorme diversidad de fenoles posibles. Los eteres se forman por la eliminación de una mo- lécula de agua de dos moléculas de alcohol. Eteres El compuesto más común es el éter dietílico. La reacción de una molécula di- bencénica con el ácido nítrico (nitración) produce dos compuestos diferentes con el grupo NO2. Los cambios químicos que se producen en el grupo hidroxilo. Los fenoles tienen. un carácter más ácido y pueden reaccionar con el hidróxido de sodio para formar una sal. el ácido fosfórico. los fenoles pueden en general. el fenóxido de sodio. hace imposible generalizar caracte- rísticas físicas comunes a la clase. en el cual se acoplan tres átomos de bromo en los vértices del anillo bencénico quedando el grupo hidroxilo intacto. deben consultarse sus propiedades individual- mente. el sulfato ácido . reaccionar de dos maneras diferentes: a). utilizado como anestésico en cirugía. Con respecto a sus propiedades químicas. b. Existe una gran cantidad de agentes deshidratantes entre otros el ácido sulfúrico. CH3CH2OCH2CH3. Cuando el fenol reacciona con el bromo (halogenación) se forma un tribro- mofenol. Reacciones sobre el propio anillo bencénico. Aquí tampoco participa el grupo hidroxilo. Al igual que el amoníaco. Por ejemplo metilamina. el nitrógeno puede recibir un protón de un ácido para formar sales iónicas de amonio.Alcaldía de Santiago de Cali de potasio y la alúmina. solubles en agua.116 Convenio Universidad del Valle . trimetilamina ben- cenamina o anilina. sin embargo la mayoría de las aminas por sí mismas no son solubles en agua. es muy útil para convertir compuestos derivados del amoníaco. Son compuestos poco reactivos. Esta propiedad de formar las sales iónicas. todos derivados del amoniaco. por ejemplo el éter dietílico y el tetrahi- drofurano. Aminas Son derivados orgánicos del amoniaco. como algunas drogas en sales solubles en los fluidos líquidos del cuerpo para su trasporte por el torrente sanguíneo y mejorar su asimilación. de la misma forma que los alcoholes y los éteres son derivados orgánicos del agua. son compuestos básicos. de ahí que se les utilice como solventes en reacciones orgánicas. dimetilamina. Ejercicio 8 Escriba las estructuras de las sales de amonio producidas por la reacción de las siguientes aminas con ácido clorhídrico: . Se nombran utilizando el sufijo amina en su nombre. esteres y amidas) Ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos. y en las hormonas esteroidales se encuentran los cetónicos. produciéndose aldehídos de alcoholes primarios y cetonas de alcoholes secundarios. H H H O H O H 2C O H C O H H O H H O Glucosa (pentahidroxihexanal) 2. Figura 9. los esteres y las amidas tienen los grupos carbonilos enlazados a un átomo (de oxígeno o nitrógeno) que son fuertemente atrayentes de . (H2C=O) usado en procesos biológicos como esterilizante y preservante de tejidos y en la industria química como material de partida en la producción de plásticos como la bakelita y melamina y como componente de los adhesivo utilizados en el trabajo con madera. El aldehído más simple es el metanal o formaldehído. conocido como grupo funcional carbonilo. Reacciones del grupo carbonilo. Las reacciones del grupo carbonilo se observan en el figura 9.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 117 2.11 Aldehídos y Cetonas Se caracterizan por tener un enlace doble entre el carbono-oxígeno (C=O).12 Ácidos carboxílicos y derivados (anhídridos. Los grupos funcionales de aldehídos y cetonas se encuentran presentes en muchos compuestos biológicos por ejemplo la mayoría de las azúcares como la glucosa tienen grupos aldehídos. Los aldehídos y cetonas se preparan a partir de la oxidación de los alcoholes. 118 Convenio Universidad del Valle - Alcaldía de Santiago de Cali electrones. Estas 3 familias siguen reacciones de sustitución en el grupo carbonilo, donde el sustituyente Y reemplaza los grupos –OH, -OC, o –N de los grupos carbonilos. O O O C H C C C C C C O O N Un Ácido carboxílico Un ester Una amida H Y H Y H Y O C C Y Figura 10. Reacciones de sustitución del grupo carbonilo en ácidos y derivados. Los ácidos carboxílicos se encuentran tanto en el reino animal como vegetal. El ácido acético, (acido etanoíco) es el principal componente del vinagre y el áci- do butanoico es el responsable del olor rancio de las mantecas envejecidas. Los ácidos carboxílicos de cadena larga como el ácido esteárico son los componentes principales de las grasas animales y los aceites vegetales. El nombre sistemático de este tipo de compuestos se deriva del alcano base con el sufijo oico, precedido de la palabra ácido. Como son ácidos ellos disocian débilmente en solución: Ión Acetato Ácido Acético Una de las reacciones más interesantes de los ácidos carboxílicos es su reac- ción catalizada por ácido con un alcohol, para producir un ester. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 119 Anhídridos Los anhídridos de ácido (o anhídridos carboxílicos) son compuestos químicos orgánicos de formula general (RCO)2O, formalmente son el producto de deshi- dratación de dos moléculas de ácido carboxílico (o una si tiene lugar de forma intermolecular en un ácido di carboxílico). Al reaccionar con agua (hidrólisis) vuelven a formar los ácidos carboxílicos de partida. Los anhídridos de ácido simétricos y mixtos son respectivamente aquellos donde los grupos acilo (RCO-) son iguales o diferentes: Anhídrido de ácido Anhídrido de ácido simétrico Anhídrido de ácido mixto Nomenclatura, para nombrar: Reconocer la cadena principal que pertenece al grupo funcional anhídrido (O). Dar el nombre de los ácidos carboxílicos de origen suprimiendo la palabra ÁCIDO. Recordar que para numerar los grupos funcionales siempre se debe empezar por el carbono que este unido al grupo funcional. Ejemplo: 120 Convenio Universidad del Valle - Alcaldía de Santiago de Cali O C O C O Anhídrido (2,2-Dimetil- Anhídrido ftálico ó Anhídrido propanoico)(2-metil-2- 1,2-Bencencarboxílico propenoico) Esteres Los esteres tienen muchos usos en la medicina, (por ejemplo la aspirina), la industria (los poliésteres como el Dacrón) y en las fragancias (el olor del banano se debe al acetato de pentilo). La hidrólisis ácida o básica de los esteres rompe es grupo funcional ester y produce nuevamente el ácido carboxílico y el alcohol. Si la reacción se lleva en medio básico se conoce como saponificación. Es el proceso para la obtención del jabón. Amidas Enlace formado entre el nitrógeno y el carbonilo, se presenta fundamental- mente para formar las proteínas. Adicionalmente se consigue formando políme- ros sintéticos como el nylon, en agentes farmacéuticos como el acetaminofen, sustituto de la aspirina. Su nombre será N. Las amidas se nombran citando el grupo N-alquilo sobre la parte de la amina (el N porque el grupo se une al nitrógeno) y se identifica el ácido carboxílico adicionando la termina- ción amida. originada por la interacción entre el grupo carbonilo y el par solitario del nitró- geno. N-dimetilbenza.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 121 Acetaminofen Las amidas se sintetizan por la reacción entre un ácido carboxílico y una amina o amoníaco de igual forma como se preparan los esteres. . Esta amida es derivada de la dimetilamina y el ácido benzoico. Ejemplo 5 Nombre sistemáticamente los siguientes compuestos: Solución Se identifica si es un derivado de alcohol o un derivado de amina y se asigna el nombre. Las amidas pueden reducirse a aminas tratándolas con hidruro de aluminio y litio.mida. N-Metilacetamida La química de las amidas se caracteriza por la disminución de la reactividad del carbonilo y una disminución de la basicidad y nucleofilicidad del nitrógeno. 1). Dé el nombre sistemático tanto de reactivos como de productos. las proteínas son polímeros construidos de aminoácidos como monóme- ros. O C H O CALOR + NH3 H C 3 2. . En la naturaleza existen polímeros biológicos. por ejemplo la celulosa y el almidón son polímeros construidos de monómeros de azúcar.Alcaldía de Santiago de Cali Para el caso b. su nombre será butanoato propílico. es un derivado alcohólico donde el alcohol es el propanol y el ácido el butanoico. Ejercicio 9 a). Cuál es el producto de las siguientes reacciones? b).122 Convenio Universidad del Valle .13 Polímeros sintéticos Son moléculas formadas por el enlace repetido de muchas moléculas peque- ñas conocidas como monómeros. Con esta idea se producen polímeros sintéticos (ver tabla 3). CH3. La formación del polímero a partir del etileno se produce por la repetición de las unidades.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 123 Tabla3. . Ejemp los de polímeros derivados de alquenos y sus usos. OH. ó fenilo y n cientos o miles de monómeros. un iniciador se añade primero al doble enlace de un alqueno produciendo un reactivo intermedio que a su vez añade un segundo alqueno para producir otro intermediario reactivo y así suce- sivamente. Cl. El procedimiento de la polimerización de alquenos es una adición al doble enlace como se vio en las reacciones de alquenos. S Representa los sustituyentes como H. Qué es un grupo funcional y por qué son importantes? 2.124 Convenio Universidad del Valle . se unen por sus extremos formando una amida inicial y se continúan generando uniones amida.Alcaldía de Santiago de Cali Otro tipo de polimerización puede ocurrir con moléculas que posean más de un grupo funcional así por ejemplo si se tiene una especie con dos grupos de áci- do carboxílico y otra con dos grupos amino. 2. Nombre utilizando las normas IUPAC los siguientes cicloalcanos: . Nombre utilizando las normas IUPAC los siguientes alcanos: 4. así se produce el Nylon 66. Identifique los grupos funcionales para: 3.14 Ejercicios de fin de capitulo 1. 3. 3-Etilhexano b).3-Trimetilpentano c).1-dimetilciclohexano i). Escriba las formulas condensadas de los siguientes compuestos: a). Nombre utilizando las normas IUPAC los siguientes compuestos e identificar los grupos funcionales: 6. 3-Etil-3. 4-Etil-1. 2. 5-Isopropil-2metiloctano e). 1.4-Tetrametilciclobutano h). 2.2. 1. Ciclooctano f).1-Dimetilciclopentano g).Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 125 5.2.4-Dimetil-2-pentanol . Identifique el ácido carboxílico y el alcohol que dan origen al ester: 7.4-dimetilheptano d). a). b). Su composición es 41.1% O. H2C= CHCO2CH3 para producir la Lucita. F2C=CF2 para producir el Teflón.126 Convenio Universidad del Valle . c).573 g. Cuál es la fórmula empírica del ácido fumarico?. 3.105M para llegar al punto de equivalencia.5% H. al ser titulada.Alcaldía de Santiago de Cali j). El ácido fumarico reacciona con 1 mol de HCl para dar un producto de adición y con 1 mol de H2 da un producto de reducción. Cuál es la masa molecular del acido fumarico?.3 mmHg a 298 K.1500g de ácido fumarico en agua y diluida a un volumen de 100 mL eleva la presión osmótica a 240. 5. 2. Dibuje las 3 estructuras posibles del ácido fumarico. Una muestra de 0. Una solu- ción producida al disolver 0.5-Dietil-1-heptanol l). gasta 94. 10. d).1 mL de una solución de NaOH 0.4% C. 3-Etil-3-hexanol 8. Muestre la estructura polimérica obtenida de los siguientes Monoceros: a). Cuál es la diferencia estructural entre un aldehído y una cetona?. El ácido fumarico es una sustancia orgánica usada ampliamente como un aditivo en alimentos. 9.2-Dimetilciclohexanol k). b). y 55. Sí es ácido fumarico posee un doble enlace y es trans cuál es la estructura del compuesto? . Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 127 . . Lección 3 Bioquímica 3.1 Biomoléculas y energía Su estudio genera un campo interesante que relaciona las bases de la química orgánica con la química de la vida. A continuación se estudiará las principales clases de biomoléculas: Proteí- nas. Los microorganismos se encuentran en las comidas. nutrición y diferenciación. crecer y repararse. carbohidratos. Los animales. extraen la energía de la comida a través de un proceso conocido como metabolismo y la utilizan para producir trabajo. C. los animales se mueven a su alrededor. al sin- tetizar las biomoléculas necesarias para almacenar la energía. iniciando con una mirada a la energética bioquímica involucrada. Más aún. reproducción. incluyendo su regulación. las cuales contienen carbono hidrógeno y oxigeno produciendo como producto final dióxido de carbono agua y energía. producción de energía. de donde proviene y cómo es usada por los organismos. las plantas se inclinan hacia el sol. Todos los animales obtienen energía al realizar la oxidación celular de las biomoléculas. Es así que en este siglo. Las plantas a través de la fotosíntesis convierten la luz del sol en energía potencial . los bioquímicos se dedicaron a dar explicación de los procesos celulares con grandes éxitos en el entendimiento de las funciones biológicas básicas de las células. coincide con un renovado interés en la interacción entre la química y la bioquímica durante el siglo XX. O (moléculas de los alimentos) + O2 CO2 + H2O + Energía La energía usada por la gran mayoría de los seres vivos proviene del sol. Los organismos igualmente realizan trabajo químico. en presencia de oxigeno en un horno. El uso del término bioquímica o también bio- moléculas. de igual manera como los productos de la combustión de compuestos orgánicos. lípidos. como el metano. las células individuales hacen trabajo cuando ellas mueven moléculas y iones a través de la membrana celular. y ácidos nucleicos. Todas las cosas vivientes hacen trabajo físico. H. Aquellas secuencias de reacciones que rompen moléculas se denomina Cata- bolismo. El metabolismo es la suma de muchas reacciones orgánicas que ocurren en la célula. Cuando la secuencia es lineal. mientras que aquellas que se unen como bloques para construir nuevas moléculas se conoce como anabolismo. y aminoácidos.Alcaldía de Santiago de Cali que almacena en los enlaces químicos de los carbohidratos. ácidos carboxílicos de cadena larga (llamados ácidos grasos). En la secuencia cíclica. es un intermediario en la degradación de toda clase de moléculas de los alimentos. Las reacciones catabólicas que generan energía son usadas por los organismos vivos como fuente de energía. una serie de reacciones generan el primer reactivo y produce otros productos a lo largo de la vía. Otros animales. La digestión ocurre en el estómago y el intestino delgado donde los alimentos son degradados a moléculas pequeñas como azúcares simples. Estas moléculas pequeñas siguen su degradación dentro de las cé- lulas produciendo grupos acetilo. El compuesto resultante conocido como Acetil coenzima A (Acetil CoA). principalmente en enlaces químicos de las grasas. C H 3C O . el producto de una reacción sirve de material de partida para la siguiente. . mientras que las reacciones anabólicas generalmente absorben energía. Estas pueden producirse en secuencias largas lineales o cíclicas. incluyendo los humanos comen plantas y animales haciendo uso de la energía química almace- nada por estos organismos. Etapa 2. La figura 1 muestra el catabolismo de los alimentos resumido en 4 etapas: Etapa 1. unida a una gran molécula llamadas = coenzima A.130 Convenio Universidad del Valle . Los animales al ali- mentarse de plantas usan algo de esta energía para vivir y almacenan el resto. Etapa 4. Figura 1.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 131 Etapa 3. Los grupos acetilo son oxidados en esta etapa del catabolismo. en el ciclo del ácido cítrico para producir CO2 y H2O. . siendo el ATP el producto final del catabolismo de los alimentos y es el productor biológico de energía. Vía catabólica para la degradación de alimentos y la producción bioquímica de energía. Esta etapa produce gran cantidad de energía utilizable en la siguiente etapa. La coenzima reducida en la etapa 3 es oxidada por la cadena trans- portadora de electrones para producir moléculas como el adenosina trifosfato o ATP. T∆S Las reacciones en los seres vivos. Ocurre sin embargo que reacciones energéticamente desfavorable como es la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato.Alcaldía de Santiago de Cali El ATP es la fuente de energía de los seres vivos. su reacción catabólica produce: ATP ADP + HPO42- Las reacciones anabólicas gastan ATP cuando transfieren grupos fosfatos a otras moléculas regenerando ADP. el DG debe ser negativo. la fuente más importante de energía en los animales tiene un DGº = -2870 kJ. Qué sucede en el cuerpo con el ATP?.132 Convenio Universidad del Valle . . la absorción o cesión de calor (DH) y el incremento o decrecimiento en la entropía (∆S). por tanto una reacción espontánea. Así por ejemplo la oxidación de 1 mol de glucosa. no son diferentes a las reacciones en el laboratorio ya vistas. el concepto de que una reacción es espontánea cuando el cambio de energía libre (DG) para el proceso es negativo y este cambio depende de dos factores. se cumplen las mismas leyes. Hay que recordar de las unidades anteriores. o sea: DG = DH . Los aminoácidos poseen 2 grupos funcionales.5kJ Glucosa + ATP Glucosa-6 -fosfato + ADP + H+ ∆Gº = -16. algunas como la queratina en la piel. el cuerpo humano contiene alrededor de 100000 clases diferentes de proteínas.5 kJ El acople de las dos reacciones hace posible la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato.7 kJ Es así como el ATP permite que una reacción no favorable sea posible en los seres vivos. porque es favorable en 16. el cual en presencia de agua produce: ATP + H2O ADP + HPO42. Cerca del 50% del peso en seco de un cuerpo es proteína y casi todas las reacciones que ocurren en el cuerpo son catalizadas por proteínas.8 kJ ATP + H2O ADP + HPO42. Estos enlaces peptídi- co son esencialmente unidades planares que usualmente existen en la configura- ción trans como se muestra en la figura 2. Las proteínas tiene diferentes funciones biológicas. .Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 133 Solo puede ocurrir si está involucrada con otra reacción quien aporte la ener- gía. conocido como enlace peptídico. otros. La Alanina es un aminoácido sencillo. cuando se unen dos o más aminoácidos forman un enlace amido.30. O - O C Cα C Cα + Cα N Cα N H H Figura 2.2 Proteínas Derivado del griego proteios que significa primaria o del dios proteo. tienen propósitos estructurales. - 2 Glucosa + H O P 4 Glucosa-6 -fosfato H + 2O ∆Gº = +13. describe un grupo de moléculas biológicas de importancia primaria en los organismos vivos. 3. un grupo amino básico (-NH2) y un grupo ácido (-CO2H). dando como producto final lo deseado. cuando actúa como una hormona (mensajero químico) coordina la actividad de diferentes células en un organismo. Enlace peptídico.+ H+ ∆Gº = -30.+ H+ ∆Gº = . Aquí interviene el ATP. En efecto. como la insulina controla el metabolismo de la glucosa. el cabello y las uñas de los dedos.7kJ. Todas las proteínas son polímeros biológicos cuya unidad monómero corresponde a moléculas de aminoácidos que enlazados forman grandes cadenas. conocidos como esenciales. la lisina y la metionina. El cuerpo humano requiere incorporar al organismo en su alimentación diaria los 10 aminoácidos que aparecen resaltados en el esquema 3. A continuación se muestra el listado de los 20 aminoácidos: . (ver ade- lante). en especial en poblaciones cuya base alimenticia es de tubérculos y cereales. cada uno de ellos se identifica por 3 letras y difieren únicamente por la naturaleza del grupo unido al carbono alfa (α). porque no los contiene. Por ejemplo el maíz tiene poca cantidad de lisina. Los más problemáticos de tener en la dieta son el triptófano.134 Convenio Universidad del Valle . esta cadena lateral se simboliza en general por la letra R.Alcaldía de Santiago de Cali Las proteínas poseen combinaciones de 20 aminoácidos diferentes. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 135 . de ahí que se les llame compuestos quirales. igualmente se tiene 3 carbonos en el plano pero los átomos por encima y debajo del plano son los mismos (H) por lo tanto al sobreponer el uno en el otro quedan indistinguibles por eso se les conoce como a-quirales. La alanina al rotar la luz polarizada a la derecha se conoce como dextrógiro y si la rota a la izquierda será levógiro. los grupos adicionales de la alanina quedan de uno y del otro lado del plano. sí las cadenas laterales son básicas. Con este ejemplo. y se caracterizan por rotar la luz polarizada a la derecha o a la izquierda. Figura 3. Formas enantiómeras de C unido a 4 grupos diferentes Figura 4.Alcaldía de Santiago de Cali Ejemplo1 Identifique en los aminoácidos listados anteriormente. En el caso del propano. complete el análisis del resto como ejercicio. por lo tanto al hacerse su imagen y sobre imponerse una en la otra no coinciden. Representación estructural de un aminoácido . neutras o polares neutras. se puede comparar la alanina con el propano. esto se debe a que el plano que contiene los 3 carbonos con geometría tetrahedral.136 Convenio Universidad del Valle . Es un aminoá- cido hidrocarbonado (Neutro). En el caso de la leucina esta contiene una cadena lateral hidrocarbonada la cual no posee grupos ricos en electrones o pobres en electrones. Recordando que una molécula quiral no es idéntica a su imagen espejo. son diferentes. 3. Ejercicio 3 De los 20 aminoácidos. es el ácido láctico un ácido quiral?. cada uno de ellos. 2-Cloropentano c). Ejemplo 2 El ácido láctico se puede aislar del suero de la leche. Ejercicio 2 Cuál de las siguientes moléculas es quiral?. 3-Cloropentano b). Esta primera unión donde se distinguen cuales son aminoácidos constituyentes del polímero se conoce como la estructura primaria . Ejercicio 1 Para cada uno de los aminoácidos de la figura 3 dibuje la estructura correspondiente siguiendo el modelo de la figura 4. 19 son quirales. con sus grupos acompañantes se observa que de los 3 carbonos tan solo el carbono numero 2 posee los 4 grupos diferentes. porque los 4 enlaces al carbono α son diferentes. En la figura 3 se observa la imagen de una mo- lécula de carbono quiral con 4 diferentes grupos unidos a él. Sí observamos los 3 carbonos que constituyen el ácido láctico.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 137 Cuando las dos formas de una molécula quiral se encuentran presente tenemos enantiomeros o isómeros ópticos. identifíquelos. De los 20 aminoácidos. hay dos de ellos que tienen 2 átomos de carbonos quirales en su estructura. a).3 Estructura de las proteínas Las proteínas son polímeros naturales formados por la unión de aminoácidos a través de enlaces peptídicos. Tan solo la glicina es aquiral. por lo tanto es un compuesto quiral. Figura 5. Observe que esta cadena de aminoácidos posee de lado y lado de la cadena principal átomos de oxigeno y de hidrógeno (Figura 5).138 Convenio Universidad del Valle . Un cambio de un solo aminoácido en la cadena produce cambios drásticos en las propiedades biológicas. 7). Estructura primaria de un polipéptido. Las alfa hélices estabilizan la estructura por la formación de enlaces puente de hidrógeno entre el grupo N_H de un aminoácido con un grupo CO de otro ami- noácido. Esta unión hace que la cadena se enrolle como una hélice. esto le permite orientarse en patrones regulares que se denomina estructura secundaria. . el pelo. es la más importante de las 4 estructuras de la proteínas porque es la que determina su forma y su función. La keratina una proteína fibrosa es un ejemplo de estas proteínas y se encuentra en las uñas. la lana.Alcaldía de Santiago de Cali del polímero. Dos clases de estos patrones son las alfa hélices y las hojas beta plegadas (Figura 6. tiene una estructura de hoja beta plegada. Figura 7. Figura 8. Una estructura terciaria y cuaternaria se obtiene de las interacciones de los grupos R de las cadenas laterales. . Estructura secundaria en forma de hoja beta plegada.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 139 Figura 6. Estructuras de las proteínas. Estructura secundaria de alfa hélice. por ejemplo la Mioglobina es una proteína globular que une varios segmentos de estructuras secundarias. La proteína fibrosa encontrada en la lana conocida como fibrina. En la figura 8 se observan ejemplos de posibles interacciones entre distintos tipos de grupos R en los aminoácidos que permiten la formación de estructuras terciarias y cuaterna- rias para las proteínas. Las dos secciones de la cadena se enlazan en arreglo paralelo uno junto a otro a través de enlaces de hidrógeno. La segunda característica de las enzimas es que solo actúan en un tipo de reacción. . Los monosacáridos se clasifican en aldosas. Los carbohidratos modificados forman parte de la pared celular de los seres vivos y otros se encuentran haciendo parte del DNA portador de la información genética de una generación a la siguiente. Aquí también las enzimas catalizan reacciones que ocurren lentamente y se caracterizan por ser grandes y complicadas moléculas al contrario de los catalizadores vistos en procesos inorgánicos. un catalizador es un agente que acelera la velocidad de la reacción sin consumirse.4 Carbohidratos Están presentes en cada organismo vivo. Como se estudio en la unidad de cinética. por ejemplo la amilasa encontrada en el sistema digestivo humano solo cataliza el rompimiento del almidón para producir glucosa y aunque la estructura del almidón y la celulosa son similares. 3. Los carbohidratos se clasifican en simples y complejos. no actúa en la celulosa.140 Convenio Universidad del Valle . Un ejemplo de ellos son el almidón en las comidas y la celulosa en las plantas. Enzimas Así se conocen a grandes proteínas que actúan como catalizadores en reacciones biológicas.Alcaldía de Santiago de Cali Figura 9. Distintos tipos de enlace entre segmentos de proteínas. Los simples son los azú- cares o monosacáridos como la glucosa y la fructuosa los cuales son el producto final de la hidrólisis ácida de los polisacáridos. aquellos que contienen un aldehído como grupo carbonilo y cetosas los que contienen un grupo cetónico como grupo carbonilo. Estructuras Fischer de las cetohexosas. Hexosas Las hexosas son monosacáridos (glúcidos simples) formados por una cadena de 6 átomos de carbono. Su principal función es producir energía. galactosa y fructosa. Un gramo de cualquier hexosa produce unas 4 kilocalorías de energía. especifi- cando el numero de átomos de carbono del azúcar con los prefijos multiplicati- vos. Las más importantes desde el punto de vista biológico son: glucosa. Su fórmula general es C6H12O6.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 141 Los carbohidratos se nombran usando el sufijo osa unido al azúcar. Por ejemplo la glucosa es una aldohexosa (azúcar con 6 carbonos) la fructosa es una cetohexosa (azúcar de 6 C con un grupo ceto). en la naturaleza sólo se conocen cuatro D-isómeros: D-psicosa D-fructusa D-sorbosa D-tagatosa Estructuras Fischer de las aldohexosas: . Como en los demás monosacáridos aparecen en su estructura grupos hidroxilo (OH). Una de las más importantes es la ribosa. la cual hace parte de los nucleótidos que forman el ARN. A continuación se citan algunas pentosas: Aldopentosas: como su nombre lo indica contienen la función aldehído. Además. la cual forma parte del ADN. A partir de la ribosa se puede obtener la desoxirribosa. también pueden llevar grupos cetónico o aldehídos. Cetopentosas: contienen la función cetona. .142 Convenio Universidad del Valle . La fórmula general de las pentosas es C5H1005.Alcaldía de Santiago de Cali Pentosas Las pentosas son monosacáridos (glúcidos simples) formados por una cadena de 5 átomos de carbono. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 143 Ejercicio 4 Clasificar cada uno de los siguientes monosacáridos: Los azúcares se pueden presentar en forma cíclica cuando se cierra a través del grupo –OH del C5 con el grupo C=O del C1 como se observa en la figura 10. Figura 10. Glucosa cíclica. Dependiendo por donde se une, el grupo OH puede quedar por encima o por debajo del plano del anillo, lo que produce dos tipos de glucosa la α-glucosa y la β-glucosa, como se observa en la figura 10. Ejemplos de disacáridos y polisacári- dos se observa en la Figura 11. 144 Convenio Universidad del Valle - Alcaldía de Santiago de Cali Figura 11. Ejemplo de disacáridos y polisacáridos. Lípidos 3.5 Lípidos Su importancia biológica tiene varios aspectos: Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 145 Sirven como fuente para el almacenaje de energía. Sirven como cubierta protectora en plantas e insectos. Son el componente mayoritario de las membranas que rodean cada célula viva. Figura 12. Ejemplo de lípidos. Químicamente un lípido es una molécula orgánica que se encuentra en la naturaleza, disuelve en solventes orgánicos no polares, de acuerdo a su solubilidad (una propiedad física) se les clasifica en triglicéridos los cuales forman las grasas y los aceites; los esteres de glicerol (1,2,3-propanetriol) se les conoce como áci- dos grasos, que se caracterizan por no poseer ramificaciones y tener un numero par (de 12-22) átomos de carbono. Tabla 1. Estructura de algunos ácidos grasos. .7 Ácidos nucleicos Son los portadores químicos de la información genética. la primera mantener los fluidos líquidos la segunda es el material de partida para la síntesis de otros esteroides. Los esteroides tienen diversos papeles tanto en el reino vegetal como animal. aislada de la Digitalis purpurea se usa en medicina como un estimulante del corazón. Se conoce como áci- do desoxirribonucleico (DNA) y el ácido ribonucleico (RNA). 3. El colesterol mostrado en la figura 10 es el esteroide más abundante entre los animales.Alcaldía de Santiago de Cali Ejercicio 5 Cuál es el producto de reacción del oleico con hidrógeno? 3. así por ejemplo la digitoxigenina. este esteroide tiene dos funciones importantes. Al igual que las proteínas son polímeros de unidades de nucleótidos cuya formación se observa en el siguiente esquema.6 Esteroides Un esteroide es un lípido cuya estructura está basada en un sistema tetra cícli- co (4 anillos) como se observa en la figura 12.146 Convenio Universidad del Valle . Ejemplo de esteroides. Figura 13. incluyendo las hormonas sexuales. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 147 En la tabla 11 se observan las bases pirimidínicas y purinas encontradas en el DNA y el RNA. . Purinas. pirimidinas. . azúcares encontrados en el DNA y RNA.Alcaldía de Santiago de Cali Tabla 2.148 Convenio Universidad del Valle . agua y suelo 4. Se aplica en esta unidad todos estos conocimientos a los constituyentes más importantes para los seres vivos. el agua y el suelo.1 Introducción En las unidades previas se ha estudiado las definiciones básicas en química. están constituidos en más del 70% por agua y todos los complementos requeridos para su supervivencia los encuentra en la tierra. te ofrece las herramientas para entender los procesos de contaminación y ayudar a dar solución a la recuperación del aire. 4. el agua y el suelo.2 Aire La tierra es el único planeta rodeado de una atmosfera químicamente activa y rica en oxigeno. Lección 4 Aire. al igual que la explotación minera ha originado la contaminación tanto del aire. Para su logro. equilibrio químico e iónico y propiedades de las soluciones). con este conocimiento se entiende la naturaleza de las reacciones químicas. líquidos los sólidos y las soluciones. y las propiedades de estos. La atmosfera tiene una composición (ver . se hace necesario conocer la composición general del aire el agua y el suelo. como están constituidos a nivel microscópico (estructura atómica y enlace) y como se comportan a nivel microscópico (Termodinámica. el agua y el suelo. El tener conocimiento en química. Se calcula que la masa total de la atmosfera que rodea la tierra pesa alrededor de 5. Escriba un listado de las propiedades del agua relacionadas con los temas explorados en las unidades anteriores. Ejercicio 1. dado que todos los seres vivos para poder existir requiere de estos tres. como son el aire. cinética. el aumento de la pobla- ción concentración en las grandes ciudades.3x1018 Kg. y examinado las propiedades de los 3 estados de la materia: gases. a la cual se llegó después de muchas transformaciones químicas durante muchísimo tiempo. Es así como los humanos están preocupados en los últimos años por los procesos de contaminación que por los procesos industriales. porque los seres vivos para existir requieren del aire. Aunque el aire contiene vapor de agua.Alcaldía de Santiago de Cali tabla 1) donde se muestra que sus principales componentes son el Nitrógeno con un 78. la lectura se reporta en seco. al reaccionar O2 + hn Þ O + O. Ejemplo 1 La energía de disociación de enlace del O2 es de 498.7 kJ/mol. factores de conversión. Es la región más delgada de la atmosfera (10 km) y es donde ocurren todos los fenómenos que influyen en el clima. En esta región. se encuentra por encima de la troposfera. 2. . En esta región. dado que el porcentaje de agua depende del lugar donde se realice la medidaPara su estudio. los científicos han dividido la atmosfera en 4 regiones: 1. es por esto que aquí se encuentra ozono. Solución Calcular la energía necesaria para romper una molécula de O2. la frecuencia õ = . Estratósfera: compuesta por nitrógeno oxígeno y ozono. la temperatura del aire aumenta con la altitud. Composición del aire seco a nivel del mar. cuando cada átomo formado reacciona con mas oxigeno molecular se produce ozono. debido a las reacciones exotérmicas provocadas por la radiación UV del sol. (re h vise estructura. Tabla 1. E Como la energía de un fotón está dada por E = hn. Calcule la longitud de onda máxima (nm) de un fotón que puede disociar una molécula de O2.150 Convenio Universidad del Valle . velocidad de la luz). de ahí que estos dos elementos en la naturaleza se pueden obtener por destilación fraccionada de estos gases. Troposfera: es la capa de la atmosfera más visible que contiene alrededor del 80% de la masa total del aire y casi todo el vapor de agua de la atmósfera. como la lluvia. constante de Planck. por eso la temperatura en las altas montañas es más baja. las tormentas los huracanes.99%.03% y de Oxígeno 20. la temperatura disminuye casi linealmente con el incremento de altitud. 3. Termosfera o Ionosfera: Es la capa más externa de la atmósfera. aquí la concentración de ozono y otros gases es baja y la temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud.25 x10 15 s −1 h 6.281x10 −19 J v= = = 1. esto se produce porque ocurren una serie de reacciones de partículas energéticas provenientes del sol como electrones y protones con nitrógeno y oxigeno molecular y otras especies atómicas. Regiones de la atmósfera. señale si tiene electrones desapareados y cuantos. Mesosfera: se encuentra por encima de la estratosfera.2 kJ. Las reacciones características son: N2 ⇒ 2N DHº = 941 kJ N ⇒ N* + e DHº = 1400 kJ O2 ⇒ O2* + e DHº = 1176 kJ Las auroras boreales se producen por la energía producida por estas reacciones. 4. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 151 E 8. En ella aumenta la temperatura en la medida que se aumenta la altitud.00x10 8 m s ë= 15 −1 = 2. O3 Þ O + O2 DHº = 107. necesaria para disociar una molécula de ozono.25x10 s Ejercicio 2 Calcule la longitud de onda de un fotón (en nm). Ejercicio 3 Realice la configuración electrónica del Oxígeno. . los tintes rojizos y verdes que aparece se deben a la descomposición de O* Þ O + hv.63 x10 −34 Js Como se pregunta por la longitud de onda del fotón. Figura 1.40x10 −7 m = 240 nm 1. dada por la relación λ=c/ν 3. Cuál es su orden de enlace? Ejercicio 9 En el siguiente esquema se muestra un proceso de compresión de un gas X en un cilindro. M y N contienen oxígeno y nitrógeno. Ejercicio 5 Calcule la presión parcial del CO2 (en atm) en el aire seco cuando la presión atmosférica es de 754 mm de Hg. Ejercicio 8 Realice el diagrama de energía de orbital molecular que represente Nitrógeno molecular. dibuje un grafico que represente la variación de presión con el tiempo. . calcule la fracción molar del CO2 y su concentración en ppm en volumen. como se ve en el esquema: Si se abre completamente la llave de paso. respectivamente. Ejercicio 7 Dos recipientes.152 Convenio Universidad del Valle . Ejercicio 6 Cuál es la hibridización y la geometría del CO2?.Alcaldía de Santiago de Cali Ejercicio 4 De acuerdo a los datos de la tabla 1. en las corrientes. cuál es el resultado?. y en las vertientes que forman parte del agua potable (Tabla 3). Si tiene un mol de X a 300 K y ocupa un volumen de 0. Si se aumenta la presión sobre el gas. Distribución del agua en la tierra. El 97 % del agua en la tierra es agua salada y el otro 3% es agua dulce (Figura 2. . Figura 2. 4. c). cuál es el resultado?. b). cuál es la presión?.3 Agua El agua es líquido sin color e insípido que cubre cerca del 71% de la tierra (Figura 2). Tabla 2.3). en los acuíferos. Cerca de la tercera parte del de agua dulce está en ríos. La mayor parte del agua dulce se encuentra congelada en el Polo Norte y el Polo Sur.5L.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 153 a). Si disminuye la presión sobre el líquido X. 000 . 0.75 Magnesio (Mg2+) 1.006 Atmosférica 12.Alcaldía de Santiago de Cali g/kg de agua de Iones mar Cloruro (Cl-) 19.35 Sodio (Na+) 10.006 0.1 0.05 0. Propiedades físicas y químicas del agua .470 0.7 Dulce 10.000 30.870.900 0.001 Agua de Pantano 11. en Km3 de agua total dulce Océanos.120 0.000 68.29 Calcio (Ca2+) 0. 0.74 eternas Aguas subterráneas 23.000.76 Salina 12.013 Dulce 91.400 .000 .41 Potasio (K+) 0.003 0.064.400. 1.14 Tabla 2.000 0.022 Lagos 176.94 Humedad del suelo 16. Porcentaje Fuente de Volumen de Porcentaje de agua Agua agua.5 Casquetes polares.001 Tierras congeladas 300. glaciares y nieves 24.04 0. mares y bahías 1.400 .000.03 0.120 0.386.86 0.000 . 96. 100 Tabla 3.75 Sulfato (SO42) 2.500 0.0008 Ríos 2.39 Bicarbonato (HCO3-) 0. Composición del agua de mar.000 0.7 1.000 . Estimado de agua en la tierra.154 Convenio Universidad del Valle .26 0.338. 0.530.0001 TOTAL 1.0002 Agua Biológica 1.007 Salina 85. Propiedades químicas del agua. con ángulo de 104. lo cual le otorga una geometría angular. Tabla 5. . Un listado de sus propiedades químicas se muestra en la tabla 5. Figura 3. Molécula de agua. Propiedades físicas del agua Propiedades químicas del agua El agua es compuesta de hidrógeno y oxígeno.5º (Figura 3). en una razón de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno en ella. Se caracteriza porque el oxígeno como átomo central. hibridiza sp3 uniéndose a través de dos enlaces covalentes sigma con dos átomos de hidrógeno y dejando 2 pares de electrones no enlazante.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 155 Tabla 4. Ciclo del agua. ríos y lagos. Este proceso se denomina evaporación y las gotitas se llaman vapor de agua. otra es absorbida por el suelo. Parte del agua que alcanza el suelo permanece en la superficie. de los ríos y de los lagos (Figura 4). una vez utilizada por ésta en su ciclo vital. y cuando es muy frío empieza a formar nubes. En ciertas condiciones atmosféricas. Sus propiedades fisicoquí- micas se han relacionado en las tablas 4 y 5 y en la unidad 6 se puede revisar su comportamiento líquido. forma parte del círculo de la atmósfera en forma de vapor (Figura 4). El calor del sol la convierte en diminutas gotitas. granizo o nieve. se evaporan más de 500. por efecto del calor.Alcaldía de Santiago de Cali 4. el agua cae del cielo y se acumula en los charcos. el sol no solo evapora el agua de los charcos. las pequeñas gotas las cuales están formando las nubes. se agrandan. las cuales se elevan en el aire. Mientras más sube. porque el vapor de agua se condensa en el aire frío y se forman gotas de agua. y cuando se vuelven pesadas para permanecer en el aire.4 Ciclo del agua Cuando llueve. El agua es considerada como el solvente universal. más frío es el aire.000 kilómetros cúbicos de agua proveniente del mar.156 Convenio Universidad del Valle . este vapor asciende en el aire. El sol evapora el agua de los océanos. Figura 4. caen en forma de lluvia. Una parte del agua que penetra en el subsuelo es absorbida por las raíces de las plantas y. . Una parte de esa agua se evapora de nuevo apenas cae. imagínate que cada año. 4º C a una presión constante de 6. Ejercicio 12 Cuántos gramos de soluto se requieren para preparar las siguientes soluciones?.5 atm b). Ejercicio 14 Teniendo como base el diagrama de fases para el agua dado en la unidad 6. b).5 L de una solución de glucosa 0. Un volumen de 650 mL de H2SO4 2. Una propiedad intensiva no depende de la cantidad de muestra.0M?. las cuales adquieren propiedades características como solución.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 157 Con este concepto se pueden preparar soluciones de distintas concentraciones. .5 M. indique qué sucede cuando una muestra de agua sigue los siguientes cambios: a). Ejercicio 11 Las soluciones del ejercicio anterior se consideran intensivas o extensivas?. Cuántas moles de HCl hay en 300. mientras que una propiedad extensiva depende de la cantidad de muestra. Ejercicio 13 Calcule el pH de las soluciones preparadas en el ejemplo 2 y el ejercicio 12 literal a).0 mol HCl X 0.20 M.60 mol HCl = 1L Ejercicio 10 Cuántas moles de soluto están presentes en las siguientes soluciones?. Cuando la presión se incrementa de 86 a 226 atm a una temperatura constante de 390º C.250M.25 M de NaOH. Preparar 500 mL de una solución 1.0 M. a). b). Preparar 1.3000L = 3. a). Solución Moles de HCl = (Molaridad de la solución) x (volumen de la solución) 12. Un volumen de 125 mL de NaHCO3 0. explique.0 mL de la solución 12. Ejemplo 2 El ácido clorhídrico se vende comercialmente como una solución 12. La temperatura se reduce de 49º C a -4. 158 Convenio Universidad del Valle . liberándose este elemento. Reacción de sustitución sencilla Es aquella en la que un elemento sustituye a otro que forma parte de un compuesto. Estos se dieron por una gran cantidad de reacciones quími- cas que para entenderlas mejor se han clasificado en varios tipos. Estos elementos se introducen en el terreno para producir cambios químicos como la oxidación entre otros. 4.6 Tipos de reacciones químicas 1. el dióxido de carbono y el oxígeno producen la desintegración de las rocas. los suelos pueden sufrir contaminación debida al mal uso o alteración del mismo.Alcaldía de Santiago de Cali 4. Reacción de descomposición Es aquella en la que a partir de un solo reactivo se obtienen varios productos: CaCO3 → CaO + CO2 c. Según la forma de intercambio de los átomos para generar diferentes productos. Adicionalmente a estos elementos. De la composición de los suelos. Como se observa. Reacción de combinación Es aquella en la que se unen dos o más reactivos para dar un solo producto: C + O2 → CO2 b. Podemos agregar a la acidificación producida por el aumento de las precipita- ciones y entre otros procesos químicos que aportan a la creación de los suelos la Hidrólisis. etc. se tienen en los suelos minas ricas en los elementos de transición. todos estos elementos están formando una serie de compuestos que vamos a en- contrar en los suelos. es así como se obtienen 46 elementos que conforman los elementos del grupo principal. que se caracterizan por completar la capa d. porque completan la capa s y la capa p. 2 HCl + Zn → ZnCl2 + H2 . estas pueden ser: a. Al igual que el aire y el agua. los cuales pueden ser ricos en cierto tipo de minerales se obtienen los elementos conocidos en la tabla periódica. sub- divididos en los elementos del bloque s y del bloque p. que completan la capa f. y los elementos de transición interna.5 Suelos La química plantea la formación de los suelos a través de una serie de reacciones químicas que ocurren en el ambiente El agua. la Carbonatación. Reacción de cambio isomérico o reagrupamiento interno Es la transformación de un compuesto en otro. Reacción de formación Es aquella en la que se obtiene un mol de un compuesto a partir de sus elementos componentes en su forma más estable. d). (Las reacciones de formación son todas reacciones de combinación): S + 2 O2 + H2 → H2SO4 H2 + ½ O2 → H2O b. De acuerdo al tipo de proceso químico que tenga lugar: a. a). un polvo blanco venenoso que se usa para disminuir el punto de fusión de la soldadura y en la fabricación de cerámica. b). De acuerdo a las propiedades periódicas. obteniéndose siempre la sal correspondiente y agua: . Reacción de neutralización Es aquella en la reaccionan un ácido con una base (hidróxido). manteniéndose la cantidad inicial de cada uno de los elementos: NH4CNO → (NH2)2CO Ejercicio 15 La reacción entre el litio y el flúor produce fluoruro de litio. 2. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O S + O2 → SO2 c. Clasifique el tipo de reacción a que pertenece. ya que está compuesto por carbono e hidrógeno. Reacción de doble sustitución Es aquella en la que dos compuestos intercambian algunos de sus elementos: HCI + NaOH → NaCl + H2O e.Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 159 d. ob- teniéndose los correspondientes óxidos. Si se quema un compuesto orgánico se forman siempre agua y óxido de carbono (IV). Reacción de combustión Es aquella en la que un compuesto reacciona con el oxígeno (se quema). qué tipo de enlace produce la combinación de litio con flúor?. c). Identifique de acuerdo a su configuración electrónica la posición en la tabla periódica. Cuál es la configuración electrónica del litio y la del flúor?. CH4. H2O. Recuerde la asignación de los estados de oxidación. Absorben energía.Alcaldía de Santiago de Cali H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O d. HF e). MgCl2. HCl. 3. Ejercicio 17 Relacione cada uno de los siguientes cambios de energía con cada uno de los siguientes procesos: energía de ionización. Proponga para cada compuesto como obtenerlo a partir de sus elementos constitutivos. b.160 Convenio Universidad del Valle . Reacción endotérmica Aquella en la que es necesario suministrar calor a los reactivos para que se produzcan. Si un compuesto iónico se forma entre átomos que tengan una amplia diferencia de electronegatividad (metales y no metales). el metal pierde electrones y forma un ion positivo (catión). NH3 b). CO2. HBr. Atendiendo al intercambio de energía que tenga lugar: a. Ejercicio 16 Señale los tipos de enlace en los siguientes compuestos. energía de enlace y entalpía estándar de formación: . a). indicando el número de oxidación involucrado para cada elemento. Reacción exotérmica Es aquella en las que se produce un desprendimiento de energía en forma de calor. Cl2. NaCl. el no metal capta electrones y forma un ión negativo (anión). La atracción entre estos iones de distinta carga es lo que se conoce como enlace iónico. SiCl4 c). Reacción de oxidación-redacción (redox) Es aquella en la que cambia el número de oxidación de algunos de los elementos que intervienen en ella: 10HNO3 + I2 → 2HIO3 + 10NO2 + 4H2O Cambia el yodo pasa de estado de oxidación 0 a -5 y el nitrógeno pasa de estado de oxidación +5 a +4. afinidad electrónica. indique su estado de agregación. KBr d). identifique en de los literales anteriores cuáles son ejemplos de este tipo de compuesto. Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 161 a). Así. también gas. F2 Þ 2F(g) c).1 = 16 gramos = 22. es necesario ajustar todas las ecuaciones químicas antes de proceder a realizar cualquier tipo de cálculo en ellas. Una ecuación química completa y balanceada.4 = 44.32 = 64 g = 2. de la reacción de combustión del butano: 2 CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ∆H = . Na(s) + ½F(g) Þ NaF(s) Señale para las reacciones anteriores cuales serian exotérmicas y cuales en- dotérmicas. F(g) + 1 e Þ F-(g) b). nos indica las cantidades relativas de los mismos participantes en la reacción.Cantidades que intervienen: Se produce la reacción entre un mol de metano (12 + 2.22. Na(g) Þ Na+(g) d). moles.Reactivos y productos: El metano gas reacciona con el oxígeno. gramos e incluso unidades de volumen si se trata de gases. para formar dióxido de carbono gaseoso y agua líquida. a.4 litros a condiciones normales) con 2 moles de oxígeno (2.2 = 44 gramos = 22. además de permitirnos conocer cuáles son los reactivos y cuales los productos.4 litros a condiciones normales). Por tanto. en las que deben colocarse unos coeficientes tales que nos den el mismo número de H+ que de OH-: . Ajuste por “tanteo”: colocando aleatoriamente los coeficientes hasta con- seguir el ajuste. Es útil y rápido en ecuaciones sencillas. desprendiéndose calor en el proceso. 2. pueden utilizarse varios métodos generales.890 KJ Podemos obtener la siguiente información: 1. Reacciones ácido-base.8 litros a condiciones normales) originándose 1 mol de dióxido de carbono (12 + 16. cantidades que pueden expresarse en términos de moléculas.2 + 16 = 18 gramos) a la vez que se desprenden 890 kJ en el proceso. como son: 1. Para ajustar estas reacciones. 2 moles de agua líquida (1. .. En él. b. c. Ajuste por el “método algebraico o de los coeficientes”: este método se basa en la aplicación de un balance de materia para todos y cada uno de los elementos que intervienen en el proceso. . c. d. en ambos lados de la ecuación.Normalmente aparecerán más incógnitas que ecuaciones.Se escriben correctamente las fórmulas de los reactivos y productos que intervienen en la reacción. resultando: 3H2SO4 + 2 Al(OH)3 → Al2(SO4)3 + 6 H2O b. se colocan unos coeficientes delante de cada uno de los reactivos y productos tales que hagan que el número de átomos de cada elemento en los reactivos y productos sea el mismo. Para aplicarlo correctamente hemos de seguir los pasos siguientes: a.Alcaldía de Santiago de Cali H2SO4 + Al(OH)3 → Al2(SO4)3 + H2O A la izquierda de la ecuación se tiene 3 grupos hidroxilo (OH-) y 2 protones (H+).. d. igualando el número de átomos de cada uno. por lo que le asigna un valor a uno de los coeficientes (puede darse cualquier valor a cualquier coeficiente) y se resuelve después el sistema. Reacciones de combustión: en la que un compuesto se combina con oxíge- no para dar los óxidos correspondientes a todos los elementos que lo componen: CH4 + O2 → CO2 + H2O En las que deben igualarse primero los elementos formadores de óxidos dejando siempre para el final el Oxígeno: CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O 2. el mínimo común múltiplo de estos dos números es 6.Teniendo en cuenta que el número de átomos de cada elemento ha de ser el mismo a ambos lados de la ecuación química.Se coloca delante de cada símbolo o fórmula un coeficiente: a. se establece una ecuación para cada uno de los elementos que intervienen en el proceso.162 Convenio Universidad del Valle . ajustando los demás coeficientes de la derecha. b. por lo tanto debe mul- tiplicarse ambos reactivos por 3 y 2 respectivamente para igualar el número total de H+ y OH-. Ejercicio 18 Balancear las siguientes reacciones: a). Calcular la cantidad de cloruro de calcio que se formará. KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → MnSO4 + K2SO4 + O2 + H2O e). se multiplican todos ellos por un número tal que los convierta en números enteros.Si las soluciones obtenidas son números fraccionarios. K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 → K2SO4 + Cr2(SO4)3 + S + H2O d).05 g CaCl2. K2Cr2O7 + HCI → CrCI3 + Cl2 + KCI + H2O k). Crl3 + Cl2 + NaOH → Na2CrO4 + NaIO4 + NaCl + H2O m). FeS2 + O2 → SO2 + Fe2O3 Ejercicio 19 Se hacen reaccionar 5 g de un mármol que contiene un 73% de carbonato de calcio con una disolución de ácido clorhídrico del 20% en peso. K2Cr2O7 + SO2 + H2SO4 → KCr(SO4)2 + H2O b).Plan de nivelación académica Talentos QUÍMICA 163 e. KMnO4 + HCI → MnCl2 + KCl + Cl2 + H2O c). As + NaClO + H2O → NaCl + H3AsO4 g). Cr(OH)3 + NaClO + Na2CO3 → Na2CrO4 + NaCl + H2O + CO2 h). HNO3 + HCl → Cl2 + ClNO + H2O f). PbO2 + HI → I2 + PbI2 + H2O i). MnO2 + NaCl + H2SO4 → MnSO4 + Na2SO4 + Cl2 + H2O l). 13.82litros CO2. KMnO4 + H2SO4 + Na2C2O4 → MnSO4 + K2SO4 + Na2SO4 + CO2 + H2O j). cuánto ácido clorhídrico se necesitará?.3 g de HCl del 20% . f. Cuántos litros de oxido de carbono (IV) medidos en condiciones normales se obtendrán?. con lo que tendremos ya la ecuación estequiométrica que representa el proceso. 0. Respuesta: 4.Se sustituyen los valores obtenidos en la ecuación química dada. . R. http://www. 19.php?link=recursos&sub=suelo &item=tipos Revisada enero 2011.164 Convenio Universidad del Valle . CHANG.2001. New Jersey Prentice Hall. Chemistry. R. FAY.co/default.Alcaldía de Santiago de Cali BIBLIOGRAFíA McMURRY. Mexico:McGraw-Hill . Quimica General 7ed.unalmed.C. 2001. Cap 10. 4ed. J. 20.edu.redaguas.

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