UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES

PLANTEL SUR

ÁREA DE CIENCIAS EXPERIMENTALES

GUÍA Y MATERIAL DE AUTO - ESTUDIO

PARA PREPARAR EL EXAMEN EXTRAORDINARIO

QUÍMICA IV

Coordinadora Francis Navarro León

Autores Pável Castillo Urueta

Adriana López Fernández Francis Navarro León

Griselda Guízar Mendoza Salomón Ramírez Cruz

María del Pilar Román Guerrero Blanca Estela Zenteno Mendoza

Noviembre 2011

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ÍNDICE

CONTENIDO Página PRESENTACIÓN DE LA GUÍA Y MATERIAL DE AUTOESTUDIO

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OBJETIVO GENERAL

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RECURSOS Y APOYOS PARA EL AUTOAPRENDIZAJE

3

METODOLOGÍA DE AUTOESTUDIO

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INSTRUCCIONES Y RECOMENDACIONES

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UNIDAD I LAS INDUSTRIAS DEL PETRÓLEO Y DE LA PETROQUÍMICA

¿Por qué son importantes los productos de las industrias del petróleo y de la petroquímica?

¿Qué es el petróleo y cómo se separan sus componentes? ¿Por qué existe una gran cantidad de compuestos del carbono? ¿Cómo se clasifican y representan los hidrocarburos? ¿Por qué son diferentes las propiedades de los hidrocarburos? ¿Qué importancia tienen los grupos funcionales en los compuestos del

carbono? ¿Cómo impacta al ambiente la producción de petróleo y petroquímicos en

México? 1er Cuestionario de autoevaluación 2º Cuestionario de autoevaluación

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6 10 22 41 68

77

79 82

UNIDAD II EL MUNDO DE LOS POLÍMEROS

¿Qué son los polímeros y por qué son tan importantes? ¿Cómo es la estructura química de los polímeros? ¿Cómo se obtienen los polímeros sintéticos? ¿Por qué los polímeros tienen tan diversas propiedades? ¿Existen diferencias entre los polímeros naturales y los sintéticos? ¿Cuáles son los efectos socioeconómicos y ambientales de la producción y

uso de polímeros en México? Preguntas para aplicar conocimientos.

92 92 95 97

102 115 122

125

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PRESENTACIÓN

Con el propósito de ofrecerte un apoyo didáctico útil para que prepares con eficiencia el examen extraordinario de Química IV, en la presente Guía y Material de Auto – Estudio, en cada unidad o tema te presentamos información teórica y conceptual, actividades de aprendizaje y ejemplos de aplicación de los conocimientos, además de una serie de preguntas y problemas interesantes que deberás resolver. UNIDADES TEMÁTICAS DEL PROGRAMA DE QUÍMICA IV PRIMERA UNIDAD LAS INDUSTRIAS DEL PETRÓLEO Y DE LA PETROQUÍMICA SEGUNDA UNIDAD EL MUNDO DE LOS POLÍMEROS Consideramos que la orientación y secuencia didáctica del material que se presenta, así como las instrucciones, actividades y problemas propuestos, podrán garantizar tu éxito; sin embargo si tienes dudas o preguntas, puedes acudir con los profesores – asesores y con gusto te atenderemos. Es importante que tomes en cuenta, que a partir del contenido desarrollado en la presente Guía y Material de Autoestudio será estructurado y elaborado el examen extraordinario de Química IV.

OBJETIVO GENERAL

Orientar y apoyar al estudiante durante su proceso de auto-estudio para preparar el examen extraordinario.

RECURSOS Y APOYOS PARA EL AUTO APRENDIZAJE

La organización de los recursos didácticos y las actividades que presentamos en este material de auto estudio, está orientada de tal manera que puedas lograr los conocimientos básicos de la asignatura y las habilidades y actitudes características del aprendizaje de las ciencias necesarios para aprobar el curso.

Breves lecturas sobre los temas del Programa de Química IV, que serán un excelente apoyo teórico-conceptual.

Actividades, preguntas y problemas relacionados con el contenido de cada tema que promueven la comprensión conceptual y su aplicación en hechos y fenómenos de tu vida cotidiana.

Cuestionarios de auto-evaluación para la aplicación de los conocimientos logrados.

Bibliografía adecuada para cada tema que podrás consultar en la Biblioteca del Plantel.

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METODOLOGÍA DE AUTO - ESTUDIO La auto disciplina para el estudio y preparación del examen es un requisito básico para tener éxito, por lo que las siguientes sugerencias y recomendaciones te ayudarán a lograrlo:

Distribuye adecuadamente tu tiempo para estudiar y resolver las preguntas intercaladas que encontrarás en el desarrollo de cada tema.

Es importante que centres tu atención en los conceptos más significativos del curso de Química IV, los que generalmente están escritos en “negritas”.

Antes de dar respuesta a los cuestionarios de auto evaluación que se presentan al final de cada Unidad Temática de la Guía, procura hacer tus propias notas, cuadros sintéticos o algunos resúmenes.

Estudia cuidadosamente la información teórica que se presenta sobre cada uno de los temas y profundiza en los capítulos asignados de la bibliografía seleccionada.

Es conveniente que tú mismo formules preguntas durante o después de estudiar cada concepto central o unidad temática

Te recomendamos resolver los problemas planteados en forma sistemática y ordenada, para ello ocupa un cuaderno para tus propias notas.

Recuerda que la Guía y Material de auto-estudio solo es un auxiliar valioso, la resolución de la misma, tu preparación, dedicación y desempeño serán la garantía para aprobar el examen.

INSTRUCCIONES Y RECOMENDACIONES

1. Consulta en la Secretaría de Servicios Estudiantiles o en la Jefatura del Área de Ciencias Experimentales los requisitos y trámites a seguir para tu inscripción al examen.

2. Anota y recuerda la fecha del examen extraordinario. 3. Es requisito que el día del examen presentes la credencial que te acredite

como alumno del Colegio, o en su defecto una constancia expedida por Servicios Estudiantiles.

4. No podrás presentar tu examen, si no cuentas con cualquiera de las dos identificaciones mencionadas.

5. La revisión del examen solo podrá ser atendida por los profesores que lo califiquen, por lo que es importante que anotes y recuerdes el nombre del sinodal asignado.

6. Para lograr un mejor aprendizaje, te recomendamos que resuelvas toda la Guía y el Material de auto-estudio.

¡Te deseamos el mejor de los éxitos durante tu auto - aprendizaje!

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UNIDAD 1 LAS INDUSTRIAS DEL PETRÓLEO

Y DE LA PETROQUÍMICA1

¿POR QUÉ SON IMPORTANTES LOS PRODUCTOS DE LAS INDUSTRIAS DEL PETRÓLEO Y DE LA PETROQUÍMICA?

Petróleo e Industria Petroquímica La Química es la ciencia que estudia la materia que existe en la naturaleza y los cambios y transformaciones que ésta experimenta. Un material valioso que juega un papel determinante en la economía mexicana es el petróleo, porque es la fuente principal de los combustibles más empleados por la sociedad. En las últimas décadas el uso y el precio del petróleo se han incrementado principalmente porque éste es materia prima para la fabricación de diversos productos químicos y de una gran cantidad de nuevos materiales que contribuyen al bienestar y a satisfacer las necesidades de los integrantes de nuestra sociedad. Así el origen de la industria de la petroquímica moderna es el resultado de factores tecnológicos, económicos y científicos como los que se describen enseguida. Debido al acelerado crecimiento de la población y al constante aumento en el

consumo de materiales naturales como las fibras, hules, resinas, fertilizantes, abonos químicos, etc., éstos son cada día más escasos y más costosos. Por ello, desde el inicio de este siglo, se ha tratado de producir materiales sintéticos de bajo costo y de buena calidad que complementen la oferta y la demanda de los primeros y que causen menos contaminación al ambiente.

La base para sintetizar un gran número de aquellos materiales que pudieran cubrir las demandas de los productos naturales tradicionales, fue el conocimiento que desde la segunda década del presente siglo ya se tenía sobre las características y composición del petróleo y de algunas reacciones químicas que se llevan a cabo entre las moléculas de los hidrocarburos, para transformarse en olefinas o hidrocarburos aromáticos.

Otro factor importante para el desarrollo tecnológico, es que las empresas petroleras empiezan a crear nuevos y novedosos procesos químicos para

1 Las imágenes que se presentan en el desarrollo de esta unidad temática fueron seleccionadas de

los textos que se cita al final de la Guía y Material de Auto – estudio como “Bibliografía de las imágenes seleccionadas”

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mejorar la calidad de las gasolinas y para producir menos sustancias que contaminen el ambiente en el que vivimos.

Un hecho más que contribuyó al desarrollo de la industria petroquímica fue que desde finales del siglo pasado hasta nuestros días el precio internacional del petróleo no es estable.

Todos estos factores y las altas demandas de hule sintético, producto de la Segunda Guerra Mundial, dieron inicio a una industria petroquímica más firme y aceleraron la búsqueda de nuevos y novedosos procesos y materiales petroquímicos como las resinas, los plásticos y las fibras que han sustituido con ventaja a la gran variedad de productos naturales de uso tradicional. El proceso de producción de los combustibles y las diversas transformaciones que sufre la materia durante los procesos de refinación, constituyen lo que hoy conocemos como petroquímica, la cual tiene su origen en las reacciones químicas que se llevan a cabo entre los átomos y las moléculas que forman el petróleo. Como podrás observar, para satisfacer las necesidades del hombre actual se utilizan recursos naturales o derivados de éstos y/o productos sintéticos. Ambos recursos se pueden clasificar como renovables y como no renovables. Entre los primeros están los vegetales y los animales, mientras que los no renovables son los minerales y el petróleo. Durante los primeros noventa años de la industria petrolera el principal uso que se le dio al petróleo fue para la producción de combustibles energéticos, para satisfacer las necesidades de la industria química, del transporte, la iluminación, la calefacción, los servicios diversos, etc. Es importante no olvidar que el uso de los combustibles se remonta hasta la época de los Sirios y Babilonios quienes lo utilizaban para alumbrarse y como “cemento” en la construcción de sus casas, los Árabes y los Hebreos lo utilizaban con fines medicinales, los Romanos lo usaban con fines bélicos y los Egipcios para embalsamar a sus muertos. Los Chinos utilizaban el gas natural como combustible para el alumbrado, mientras que los Mexicas lo utilizaban para impermeabilizar sus canoas y los Totonacas como medicamento.

¿QUÉ ES EL PETRÓLEO Y CÓMO SE SEPARAN SUS COMPONENTES?

Composición del Petróleo El petróleo es una mezcla de hidrocarburos complejos y su composición principalmente depende de tres factores: lugar del yacimiento, temperatura y presión.

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COMPONENTE % DE COMPOSICIÓN

Carbono C 86.0

Hidrógeno H2 14.0

Azúfre S 0.05 a 3.0

Oxígeno O2 1.5 máximo

Nitrógeno N 1.0 máximo

Diversas sales 1.0 máximo

Propiedades Físicas del Petróleo Las propiedades físicas más importantes del petróleo son: el olor que es característico y muy fuerte, el color que varía de negro a ámbar y la densidad, 0.7g/mL, que es menor que la del agua. El petróleo que se extrae del subsuelo (yacimiento) recibe el nombre de petróleo crudo y es de poca utilidad, por lo que es necesario refinarlo mediante el proceso de destilación fraccionada. Durante este proceso se aplican diferentes temperaturas para separar tres fracciones de productos que pueden presentarse en estado gaseoso, líquido y sólido, de aquí la importancia de la temperatura de ebullición, como propiedad característica de la materia. La fracción sólida esta formada por residuos pesados como los asfaltos y los alquitranes que por destilación seca se obtienen a temperatura mayor de 1000°C. La fracción líquida esta formada por los siguientes hidrocarburos que se obtienen en intervalos de temperatura que van de 40°C a 405°C: gasolina, queroseno, diesel, aceites ligeros, lubricantes ligeros y aceites pesados. La fracción gaseosa está formada por metano, etano, propano, butano, pentano e hidrocarburos ligeros, y se obtienen a 40°C. Al conjunto de operaciones físicas y químicas (destilación fraccionada, cracking, etc.) a que se someten los crudos para obtener los derivados del petróleo (hidrocarburos), se les llama proceso de refinación.

Por su importancia y uso industrial y doméstico, a la gran diversidad de productos obtenidos durante la explotación y refinación del petróleo, se les clasifica en tres grandes categorías:

Materias primas de amplio uso en la industria petroquímica básica.

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Productos específicos como la parafina, asfaltos y materiales para la construcción.

Energéticos derivados del petróleo como los combustibles. ¿Qué son los Combustibles? Los combustibles son recursos generadores de energía muy importantes y de acuerdo a su estado de agregación se clasifican en tres clases: sólidos, gaseosos y líquidos. El combustible sólido más importante es el carbón que se presenta como: carbón suave, carbón duro, coque, carbón vegetal, madera, turbas y lignito. Dependiendo de la cantidad de oxígeno y carbono presentes, las reacciones de combustión pueden ser:

C(s) + O2(g) CO2(g) + calor cuando hay exceso de oxígeno

2C(s) + O2(g) 2CO(g) + calor cuando hay exceso de carbono Los combustibles gaseosos más importantes son el gas natural, el gas de hulla, el gas de agua y el gas pobre. El gas natural se obtiene por la descomposición de la materia orgánica y esta formado principalmente por metano (CH4), combustible de uso industrial y doméstico. El gas de hulla se obtiene de la destilación del carbono que está compuesto de oxígeno 0.5%, nitrógeno 1.2%, dióxido de carbono 2.0%, etileno 4.4%, monóxido de carbono 6.4%, hidrógeno 41.5% y metano 44.0%. El gas de agua que es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno se obtiene al hacer pasar vapor de agua sobre coque o antracita caliente.

C(s) + H2O(vap) CO2(g) + H2(g) gas de agua Se llama gas pobre al combustible que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y más de la mitad de su composición de nitrógeno, se sintetiza haciendo pasar aire y vapor sobre calentado sobre el carbono. El acetileno (C2H2) se obtiene por la reacción entre el carburo de calcio y el agua.

CaC2(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(ac) + C2H2(g) Los combustibles líquidos más importantes son el petróleo crudo y sus derivados. El petróleo (del latín petroleum) que significa aceite de piedra es una mezcla en su mayor parte líquida (aunque coexisten los tres estados de agregación de la materia) de diversos compuestos orgánicos, especialmente hidrocarburos saturados, no saturados y aromáticos, constituidos principalmente por un alto porcentaje de átomos de carbono e hidrógeno y algunas impurezas como el oxígeno, nitrógeno, azufre y algunas sales de níquel, hierro y sodio.

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Productos derivados del Petróleo Para la síntesis de polímeros y medicamentos, la industria petroquímica utiliza como materia prima a la mayoría de los productos derivados de la refinación del petróleo. Algunos de estos productos se presentan a continuación.

Productos derivados del petróleo Aceites lubricantes sintéticos Extintores de fuego

Disolventes Explosivos

Acetileno Glicerina

Ácido nítrico Insecticidas, pesticidas, funguicidas

Benceno Medicamentos

Conservadores de alimentos Pinturas y pigmentos

Cosméticos Detergentes

México es el quinto país productor mundial de crudo, después de Rusia, Arabia Saudita, los Estados Unidos e Irák. La empresa estatal Petróleos Mexicanos, fundada en 1940, extrae el petróleo crudo del subsuelo de cuatro zonas principales: Chiapas; Tabasco; Campeche; Chicontepec y Cuenca de Sabinas y su valor esta en función de la cantidad de hidrocarburos ligeros que contiene (5 a 12 carbonos), que es la fracción de la que se obtienen las gasolinas. Los principales tipos de petróleo crudo que México produce (y que no son útiles como energéticos hasta que son refinados) son los siguientes: Olmeca (súper ligero) de la más alta calidad y de mayor valor. Istmo (ligero) que por tener un alto contenido de ligeros es de baja densidad. Maya (pesado) con alta densidad. Sólo el 18% de todo el petróleo crudo refinado es utilizado en diversos procesos petroquímicos para fabricar productos y bienes de consumo, mientras que el 83% se utiliza como combustible en el transporte, la industria y los hogares. Diferentes Métodos para la Refinación del Petróleo Para preparar, separar o purificar algunas fracciones y grupos de hidrocarburos contenidos en el petróleo, se utilizan diversos métodos de refinación cada vez más complejos, que además de preparar combustible, preparan materias primas para la industria petroquímica como el etileno, propileno, aromáticos, etc. El siguiente cuadro muestra las fracciones de hidrocarburos del petróleo que no pueden ser utilizadas directamente, ya que es necesario tratarlas mediante diversos procesos químicos como los que se describen enseguida.

FRACCIONES DE HIDROCARBUROS DEL PETRÓLEO

Fracción Límites de tamaño de las moléculas

Límites de punto de ebullición (°C)

Usos

Gas

C1 a C5 - 160 a 30

Combustible gaseoso, producción de H2

Gasolina de C5 a C12 30 a 200 Combustible para

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destilación directa motores

Queroseno, combustóleo.

C12 a C18 180 a 400 Combustible diesel, combustible para hornos, pirólisis.

Lubricantes C16 y más 350 y más Lubricantes

Parafinas

C20 y más.

Sólidos de bajo punto de fusión.

Velas, fósforos.

Asfalto C36 y más Residuos Superficie de carreteras.

La destilación fraccionada que se lleva a cabo a temperaturas cercanas a los 400°C, es un método que se utiliza para separar los componentes líquidos de una disolución (petróleo crudo), y se basa en la diferencia de temperatura de ebullición de las sustancias. En la industria petroquímica se utiliza a la polimerización como otro proceso más para obtener polímeros importantes como el polietileno, que se obtiene de la unión de “n” moléculas de etileno. Otro ejemplo de polimerización es la unión de diferentes moléculas de propileno para poder obtener el polipropileno. En la refinación del petróleo se usa la alquilación para obtener isooctano a partir de la reacción del isobutano con las moléculas de butileno. Por este proceso también se puede obtener etilbenceno o docecilbeno utilizando ácido sulfúrico como catalizador. Para formar olefinas, se aplica la deshidrogenación, a través de la cual se eliminan algunos hidrógenos de los alcanos o de los radicales alquilo. Durante los procesos de extracción y transformación del petróleo, los principales contaminantes que se producen durante la quema de combustibles son el dióxido de carbono (CO2) que contribuye al efecto invernadero, dióxido de azufre (SO2) que contribuye a la lluvia ácida y los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos que contribuyen como precursores a la formación de ozono y smog. Para resolver los problemas de contaminación, producto de la relación entre la química y el medio ambiente, es necesario conocer y aplicar, además de una legislación, ciertas normas, especificaciones y procedimientos adecuados.

¿POR QUÉ EXISTE UNA GRAN CANTIDAD DE COMPUESTOS DEL CARBONO?

CARBONO: Elemento Químico Central de la Química Orgánica. El carbono es el elemento químico central y más importante de los hidrocarburos. Como podrás observar en la Tabla Periódica, su número atómico es 6, tiene una masa atómica de 12.011 uma, se localiza en el 2° período y la 4ª familia química y presenta un alto valor de electronegatividad (tendencia a atraer los electrones) Al igual que el carbono, el hidrógeno (H2) presenta un valor alto de electronegatividad, su número atómico es 1, tiene una masa atómica de 1.00794 uma, y en la tabla periódica se localiza en el 1er. período y 2ª familia química.

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tomado de:Gimeno Guillén, M. A., Química. (1999), pág.292

De acuerdo al modelo de Bohr, podemos representar los electrones externos e internos del átomo de carbono a través de su configuración electrónica 1s2, 2s2, 2p2, en ésta se observa que el átomo de carbono tiene dos electrones desapareados y en consecuencia sólo podría tener dos enlaces (valencias) covalentes.

1s 2s 2px 2px 2px

Sin embargo, cuando el átomo de carbono se combina con el hidrógeno promociona un electrón del orbital 2s al orbital vacío 2pz. A este proceso se le conoce como hibridación del carbono y quedan cuatro electrones desapareados (cuatro orbitales híbridos sp3).

1s 2sp3 2sp3 2sp3 2sp3

El carbono ahora presenta y justifica su tetravalencia. A esta promoción de electrones se le conoce como hibridación, la cual se muestra enseguida de manera esquemática: En el siguiente esquema se presenta la formación de cuatro orbitales híbridos sp3 a partir de un orbital s y tres orbitales p.

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Con base a lo anterior, se observa que una característica especial del carbono es su capacidad para enlazarse con otros átomos de carbono y formar largas cadenas y anillos y se le llama concatenación. La tetravalencia del carbono, sus cuatro covalencias (número de pares de electrones que comparte un átomo), hace posible la formación de múltiples cadenas ramificadas. Con base en la explicación anterior, podrás comprender que la razón por la que el carbono (C) presenta el cuatro posibilidades de enlace químico se debe a su estructura geométrica especial y a su configuración electrónica, la cual sufre un proceso de hibridación (como se muestra en las figuras anteriores), de aquí que, su principal estado de oxidación es 4+ El metano es el ejemplo más sencillo donde se muestran los cuatro enlaces (valencias) covalentes que presenta el átomo de carbono.

En los alcanos, la geometría en torno a cada átomo de carbono es tetraédrica, es decir, los cuatro grupos unidos a cada carbono están ubicados en los vértices de un tetraedro. La estructura tridimensional del metano se puede representar como se observa en la figura anterior y en cada enlace sencillo C-H participan orbitales del carbono con hibridación sp3. Por ello, cuando se unen dos carbonos o cuando el carbón se une a uno o más átomos de hidrógeno (H2), lo hacen a través de enlaces covalentes, ambos elementos presentan valores altos de electronegatividad por lo que no se produce trasferencia de electrones entre ellos. Ambos átomos presentan tendencia a atraer los electrones del enlace y por tanto tienden a compartirlos.

Modelo de Bohr C : 1s2, 2s2, 2p2 H : 1s1

Modelo de Lewis H

x

H x C

x H

x

H

H H H

x

x

x

H x C

x C x C x H

x

x

x

H H H

H H H

H C C C H

H H H

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Para explicar el enlace covalente que se forma entre C – C o entre C- H, es necesario aplicar el Modelo de Lewis que es útil para representar los electrones de valencia del carbono y del hidrógeno. Para estudiar el enlace covalente mediante ésta teoría, utilizaremos un modelo donde representaremos a los átomos rodeando su símbolo con tantos puntos o cruces como electrones tengan en su última capa de valencia (llamados electrones de valencia) Para ello tomemos como ejemplo la molécula del metano CH4, y el primer paso es escribir la configuración electrónica (Modelo de Bohr) de los átomos enlazados.

Como podrás observar en la figura de la derecha, en los compuestos con enlace sencillo, el carbono presenta hibridación sp3, mientras que en los compuestos con dobles enlaces, el carbono presenta hibridación sp2, y en los triples enlaces hibridación sp. Los siguientes son ejemplos donde se representan algunos átomos de carbono e hidrógeno mediante el modelo de Bohr (donde se presentan los electrones internos y externos) y también el modelo de Lewis (donde se podrán observar los electrones de valencia).

Enlace covalente sencillo Enlace covalente doble Enlace covalente triple

C C C C

C C

Un par compartido Dos pares compartidos Tres pares compartidos

C C C C C C

y = electrones del carbono= electrón de otro átomo

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ISÓMEROS ESTRUCTURALES DE LOS ALCANOS Uno de los conceptos primordiales para el estudio de la estructura molecular de los compuestos orgánicos es la isomería. A los compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente disposición de enlace y en consecuencia diferente estructura y propiedades físicas y químicas diferentes se les llama isómeros estructurales. Te va a sorprender el saber que el número de isómeros aumenta rápidamente con el número de átomos de carbono que forman los hidrocarburos saturados (alcanos, alquenos y alquinos). Por ejemplo, existen 18 isómeros posibles de fórmula molecular C8H18 y 75 isómeros posibles de fórmula molecular C10H22 En estos ejemplos puedes observar las estructuras posibles, nombres, y puntos de fusión y ebullición de los isómeros del butano y del pentano. Observa que: a) los dos isómeros del butano presentan el mismo número de átomos de carbono

y de hidrógeno. b) los tres isómeros del pentano tienen diferente nombre, pero están formados por

el mismo número de átomos de carbono y de hidrógeno

ISOMEROS DEL BUTANO (C4H10) Estructura 3D Propiedades

físicas

CH3CH2CH2CH3 n-Butano C C C C

H

H

H

H

H

HH

H

H H

p.f. -135ºC p.eb. -0.5ºC

CH3-CH-CH3

CH3 Isobutano

C C C

H

H

H

C

H

H

H

H

H HH

p.f. -145ºC p.eb. -10ºC

ISÓMEROS DEL PENTANO (C5H12) CH3CH2CH2CH2CH3

n-Pentano C C C C

H

H

C

H

H

HH

H

H H

H

H

H

p.f. -136ºC p.eb. +36ºC

CH3-CH-CH2-CH3

CH3

Isopentano

(2-Metilbutano)

C C C C

H

H

H

H

CH

H

H H

H

H H

H

p.f. -160ºC p.eb. +28ºC

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CH3-C-CH3

CH3

CH3 Neopentano

C C C

HCH

H

H

H

H H

H

HCH H

H

p.f. -20ºC p.eb. +9ºC

Esta clase de compuestos contienen igual número de las mismas clases de átomos, pero están unidos y ordenados entre sí de manera distinta. Los isómeros son compuestos diferentes, porque tienen estructuras moleculares distintas (Kotz, et al, 2005; Morrison y Boyd, 1996; 12, 16).

Por ejemplo, la formula molecular C2H6O corresponde a dos compuestos distintos.

Uno de ellos, el alcohol etílico, es un líquido con punto de ebullición a 78C y el

otro, el dimetíl éter, a -24C. Es decir los dos compuestos tienen propiedades físicas y químicas distintas. En la siguiente figura se muestran las estructuras de los dos compuestos con fórmula molecular C2H6O (Morrison y Boyd, 1996).

CC OH

H

H

H

H

H

CC H

H

H

H

H

H

O

Alcohol etílico Dimetil éter

Isómeros estructurales de C2H6O

Isómeros geométricos Las diferencias en la estructura molecular genera propiedades distintas, son estas diferencias las que revelan que se tratan de compuestos distintos. En algunos casos las diferencias estructurales son tan marcadas (como los anteriores ejemplos), que los isómeros pertenecen a familias químicas distintas. Sin embargo, hay casos en los que estas diferencias son menos marcadas. En estos isómeros difiere la orientación espacial de sus átomos. Sin embargo, son semejantes en cuanto a que la misma clase de átomos que se une a un átomo de carbono, también se unen al otro átomo de carbono. Esta clase de isómeros se les denominan estereoisómeros o isómeros geométricos y se dice que son isómeros geométricos porque sus imágenes son especulares entre sí (es decir son el reflejo de una imagen en un espejo) por ejemplo la imagen de la mano derecha es la imagen especular de la mano izquierda, se les denominan diastereómeros (Kotz, et al., 2005; Petrucci, et al., 2003; Solomons, 2000).

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En el caso de los alquenos, este tipo de isómeros deben su existencia a la rotación impedida en torno a la existencia de dobles enlaces. Para poder diferenciar a estos isómeros se emplean los prefijos cis (del latín, a este lado) y trans- (del latin, opuesto), que indican que los grupos aledaños al doble enlace carbono - carbono se encueran del mismo lado o en lados opuestos. Este tipo de isomería puede observarse en la Figura 14, en la que se representan las estructuras de cis-2-buteno y del trans-2-buteno (Solomons, 2000).

H3C

C C

CH3

H H

H3C

C C

CH3H

H

cis-2-buteno trans-2-buteno

p.eb. +4C p.eb. +1C

Estructuras de los isómeros del buteno REPRESENTACIÓN DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS La expresión que se emplea para describir los números relativos de átomos de distintos elementos presentes en una sustancia, recibe el nombre de fórmula. Las fórmulas moleculares o fórmulas condensadas de un hidrocarburo proporcionan, por medio de subíndices, el número de átomos de carbono e hidrógeno presentes en la molécula del compuesto. Generalmente, a las moléculas orgánicas se les representa a través de la fórmula estructural. En química orgánica generalmente no se utilizan las fórmulas moleculares, porque es muy frecuente que existan varias sustancias que respondan a la misma formula molecular. Como ya se dijo antes, a estas sustancias se les denomina isómeros, que son sustancias que tienen la misma fórmula molecular pero diferente fórmula estructural o acomodo espacial. Sin embargo, la fórmula molecular nos informa acerca de la ordenación de los átomos de la molécula y se representan de tres maneras:

FÓRMULA CONDENSADA O LINEAL Se representan los pares de electrones de cada enlace covalente, más importantes, mediante guiones.

CH2 = CH2

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FÓRMULA DESARROLLADA O PLANA Mediante guiones se representan todos los enlaces

C C

H

HH

H

FÓRMULA TRIDIMENSIONAL Se representan en el espacio las direcciones de los enlaces.

C C

HH

H H

Por ejemplo para la fórmula molecular o condensada C6H14 se tienen las siguientes estructuras semidesarrolladas, las cuales representan compuestos diferentes.

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

CH3

CH

CH2

CH2

CH3

CH3

n-hexano 2-metilpentano

CH3

CH2

CH

CH2

CH3

CH3

3-metilpentano

Como puedes observar cada uno de estos compuestos tienen un nombre diferente y una estructura distinta. Las fórmulas desarrolladas, indican la estructura total de la molécula, es decir, cómo se unen los átomos entre sí. Sin embargo, no siempre resulta conveniente el uso de las fórmulas desarrolladas, ya que los compuestos de carbono forman largas cadenas de átomos de carbono.

C C C C C C

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C C C C C

C

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

n-hexano 2-metilpentano

18

C C C C C

C

H H H

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

3-metilpentano

Por otra parte, en química orgánica se usa más frecuentemente las fórmulas semidesarrolladas, pues su uso es más factible para destacar aquellos aspectos estructurales de los compuestos orgánicos. Las fórmulas semidesarrolladas proporcionan la estructura parcial de la molécula, es decir, muestran como se enlazan algunos de los átomos de la molécula.

A continuación se te proporcionan algunos ejemplos:

Nombre del

compuesto

Fórmula molecular o condensada

Fórmula semidesarrollada

Fórmula desarrollada

Estructura 3D

Metano CH4 CH4

C

HH

H

H

Etano C2H6 CH3 CH3

CC

H

H H

H

H

H

Propano C3H8 CH3-CH2-CH3

C C CH

H

H H

H

H

H

H

Eteno C2H4 CH2 CH2

CC

H

H

H

H

Etino C2H2 CH CH C CH H

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EJEMPLOS DE MODELOS TRIDIMENSIONALES ESPACIALES

n-Pentano p.eb. +36ºC

(2-Metilbutano) p.eb. +28ºC

2,2-dimetilpropano p.eb. +9ºC

EJEMPLOS DE FORMULAS ESTRUCTURALES CONDENSADAS DE CICLOALCANOS

ciclopropano

H2C

H2C CH2

C

C C

H H

H

H

H

H

ciclobutano

H2C

H2C CH2

CH2

C

C C

CH

H H

H

H

H

H

H

ciclopentano

H2C CH2

CH2

H2C

H2C

H

H

H

HH

HH

H H

H

ciclohexano

H2C

H2C CH2

CH2

CH2H2C

H H

H

HH

H

H

H

HH

H

H

20

Ejemplos de cadenas de moléculas sencillas en las que se presentan los enlaces covalentes sencillo y doble.

Enlace covalente sencillo

Carbonos libres para rotar

Etano

Enlace covalente doble

Carbonos en posición fijaNo es posible la rotación

Eteno

GEOMETRÍA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

¿Te has preguntado por qué diferentes moléculas ABn con enlaces covalentes (por ejemplo: cadenas de moléculas lineales, ramificadas y cíclicas), como las que se presentan enseguida, adoptan formas distintas?

Hasta ahora has comprendido que los átomos se unen entre sí para formar moléculas compartiendo pares de electrones del nivel de valencia. También has comprendido que los pares de electrones se repelen entre sí; por tanto, al

21

igual que los globos de la siguientes figura, tratarán de estorbarse mutuamente lo menos posible hasta lograr una geometría óptima para cada par de electrones (globos), es decir hasta lograr la mínima repulsión entre ellos.

Así, se dice que “...el mejor acomodo de un número dado de pares de electrones es el que minimiza las repulsiones entre ellos”. Esta sencilla idea es la base del modelo de repulsión de pares electrónicos del nivel de valencia RPENV. La analogía entre los globos y los pares de electrones funciona muy bien: dos pares de electrones se acomodan linealmente, tres pares se acomodan en forma plana trigonal, y cuatro pares se acomodan formando un tetraedro. Estas disposiciones, junto con las de cinco pares de electrones que se acomodan en forma bipiramidal y seis pares de electrones se acomodan en forma octaédrica, se describen gráficamente en la imagen de la derecha. Por lo antes descrito, podemos resumir que para describir que la forma de una molécula o ión se puede relacionar con estos cinco acomodos básicos de los pares de electrones.

22

¿CÓMO SE CLASIFICAN Y REPRESENTAN LOS HIDROCARBUROS?

Compuestos del Carbono (C) Las moléculas más importantes del petróleo estudiadas por la Química Orgánica son los hidrocarburos, conocidos como los compuestos orgánicos más sencillos y constituidos sólo por carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos se presentan en dos grandes grupos: los alifáticos (que forman cadenas largas de

23

carbono e hidrógeno) y los aromáticos (que contiene uno o más anillos bencénicos). Los hidrocarburos, llamados compuestos de carbono, se organizan en familias y presentan propiedades estructurales similares como las siguientes:

a) son compuestos formados sólo por carbono e hidrógeno: C – H

b) presentan enlaces estables entre carbono y carbono: C - C

c) el carbono es el único elemento capaz de formar cadenas largas y estables de átomos unidos a través de:

3HC CH3H2C CH2 C C

Enlaces sencillos Enlaces dobles Enlaces triples

enlace sigma enlace sigma ( )

enlace pi ( )

enlace sigma ( )

enlace pi ( )

Los hidrocarburos Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más simples y se encuentran formados únicamente por átomos de carbono (C) e hidrógeno (H), no existe presencia de otros átomos como oxigeno, nitrógeno, azufre, etc., (Diningrado, et al., 2002; Fox y Whitesell, 2000; Morrison y Boyd, 1996; Solomons, 2000). La característica estructural clave de los hidrocarburos (y de casi todas las demás sustancias orgánicas), es la presencia de enlaces estables carbono-carbono. El carbono es el único elemento capaz de formar cadenas “muy largas” y estables a través de enlaces que pueden ser simples, dobles o triples

H3C

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

Hidrocarburo alifático

CC

CC

CC

C

HH

H

HH

HH

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

HH

H

Hidrocarburo insaturado Hidrocarburo aromático

Partiendo de su estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: alifáticos y aromáticos. Los primeros se subdividen en familias: alcanos,

24

alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos (Chow, 2002; Morrison y Boyd, 1996; Solomons, 2000) como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Esquema de clasificación de los hidrocarburos (Morrison y Boyd, 199; Rius, 2008b).

Invariablemente, los átomos de carbono en cada grupo tienen cuatro enlaces que pueden presentarse de las siguientes maneras: a) Cuatro enlaces sencillos (alcanos)

b) Dos enlaces sencillos y un doble enlace

C C

(alquenos)

c) Un enlace sencillo y un triple enlace

C CH H (alquinos)

Los alcanos son compuestos que contienen sólo enlaces sencillos entre carbono y carbono, C-C, y se les llama hidrocarburos saturados porque contienen el mayor número posible de átomos de hidrógeno. La fórmula general de los alcanos es CnH2n+2 En el caso de los alquenos, también se les llama olefinas, contienen un doble enlace entre carbono y carbono, C = C, y se les llama hidrocarburos no saturados porque contienen menos hidrógeno que un alcano con el mismo número de átomos de carbono. La fórmula general de los alquenos es CnH2n

Los alquinos contienen triple enlace entre carbono y carbono, C C, y se les llaman hidrocarburos no saturados porque contienen menos hidrógeno que un alcano con el mismo número de átomos de carbono. La fórmula general de los alquinos es CnH2n-2

Hidrocarburos

Alifáticos Aromáticos

Alcano Alqueno Alquino Alifáticos cíclicos

C

25

En los hidrocarburos aromáticos los átomos de carbono están unidos formando

una estructura de anillo plano por medio de enlaces (sigma) y enlaces (pi), y se les llama hidrocarburos no saturados porque contienen menos hidrógenos que un alcano con el mismo número de átomos de carbono. Las cadenas de átomos de carbono pueden ser abiertas como en los alcanos (enlaces simples), o en los alquenos (enlaces dobles) o en los alquinos (enlaces triples), pero también pueden ser cerradas o cíclicas. Otro grupo, es el que se encuentra formado por compuestos cíclicos que contienen en general anillos de seis átomos de carbono en los cuales alternan enlaces sencillos y dobles y que reciben el nombre de hidrocarburos aromáticos cuyo principal ejemplo es el benceno.

A continuación se presentan algunos ejemplos de hidrocarburos alifáticos, cíclicos y aromáticos

CH3-CH2-CH3 Propano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 Pentano

CH3-CH=CH-CH3 2-buteno

Hidrocarburos alifáticos

Ciclobutano

Ciclopentano

Biciclo 4,4,0 decano

Hidrocarburos cíclicos

Benceno

Naftaleno

Fenantreno Hidrocarburos aromáticos

26

HIDROCARBUROS SATURADOS:

LOS ALCANOS

Metano CH4

Son hidrocarburos alifáticos de cadena abierta, que no presentan instauraciones (dobles o triples enlaces). Tienen enlaces sencillos C – C y C – H.

NOMENCLATURA Las reglas para la nomenclatura de compuestos orgánicos e inorgánicos son establecidas por la Unión Internacional de Química pura y aplicada, IUPAC (de sus siglas en inglés). A continuación se señalan las reglas para la nomenclatura de alcanos. Estas reglas constituyen la base de la nomenclatura de los compuestos orgánicos.

1. La base del nombre fundamental, es la cadena continua más larga de átomos de carbono.

2. La numeración se inicia por el extremo más cercano a una ramificación. En caso de encontrar dos ramificaciones a la misma distancia, se empieza a numerar por el extremo más cercano a la ramificación de menor orden alfabético. Si se encuentran dos ramificaciones del mismo nombre a la misma distancia de cada uno de los extremos, se busca una tercera ramificación y se numera la cadena por el extremo más cercano a ella.

3. Si se encuentran dos o más cadenas con el mismo número de átomos de carbono, se selecciona la que deje fuera los radicales alquilo más sencillos. En los isómeros se toma los lineales como más simples. El n-propil es menos complejo que el isopropil. El terc-butil es el más complejo de los radicales alquilo de 4 carbonos.

4. Cuando en un compuesto hay dos o más ramificaciones iguales, no se repite el nombre, se le añade un prefijo numeral.

Los prefijos numerales son: di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, etc., etc.

5. Se escriben las ramificaciones en orden alfabético y el nombre del alcano que corresponda a la cadena principal, como una sola palabra junto con el último radical. Al ordenar alfabéticamente, los prefijos numerales y los prefijos n-, sec- y terc- no se toman en cuenta.

6. Por convención, los números y las palabras se separan mediante un guión, y los números entre sí, se separan por comas.

7. La comprensión y el uso adecuado de las reglas señaladas facilitan la escritura de nombres y fórmulas de compuestos orgánicos.

27

Radicales alquilo

Cuando alguno de los alcanos pierde un átomo de hidrógeno se forma un radical alquilo. Estos radicales aparecen como ramificaciones sustituyendo átomos de hidrógeno en las cadenas.

C

H

H H

H

C

H

H

H

Metano Grupo metil

enlace a la cadena principal

El enlace a la cadena principal indica el enlace con el cual el radical se une a la cadena principal. Esto es muy importante, el radical no puede unirse por cualquiera de sus carbonos, sólo por el que tiene el enlace libre

28

GRUPOS ALQUILO COMUNES No. DE

ÁTOMOS DE

CARBONO

NOMBRE FÓRMULA ESTRUCTURAL CONDENSADA

FÓRMULA ESTRUCTURAL

1 Metil CH3- CH

H

H 2 Etil CH3CH2-

CH

H

C

H

H

H 3 Propil CH3-CH2-CH2-

CH

H

C

H

H

H

C

H

H 4 Butil CH3-CH2-CH2-CH2-

CH

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H 5 Pentil CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-

CH

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H 6 Hexil CH3-CH2-CH2-CH2-(CH2)2-

CH

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H 7 Heptil CH3-CH2-CH2-CH2-(CH2)3-

8 Octil CH3-CH2-CH2-CH2-(CH2)4-

9 Nonil CH3-CH2-CH2-CH2-(CH2)5-

10 Decil CH3-CH2-CH2-CH2-(CH2)6-

Alcanos de cadena ramificada Un hidrocarburo que pierde un hidrógeno tiene un electrón desapareado y por

tanto presenta una valencia libre. Por ejemplo: CH3 _ (se llama radical metilo).

Cuando se tiene un alcano ramificado (es decir tiene sustituyentes),

numerar los átomos de carbono de la cadena más larga, a partir del extremo de la cadena más cercana a un sustituyente.

Indicar el nombre y la ubicación de cada grupo sustituyente. Los grupos unidos a la cadena principal se les llama sustituyentes porque

ocupan el lugar de un átomo de H en la cadena principal y se les llama grupo alquilo.

Los grupos alquilo se designan reemplazando la terminación ano del nombre del alcano por ilo.

29

Ejemplos: CH3 CH2 CH2 propilo

CH3 CH2 CH2 CH2 butilo

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 hexilo

En caso de haber dos o más sustituyentes (radicales), nombrarlos en orden

alfabético.

Al alcano en el que un grupo CH3 – es una ramificación del átomo de carbono 2 de la cadena principal se le conoce como iso.

La cadena más larga o principal de átomos de carbón se numera usando números Arábigos. La dirección de la numeración debe ser del inicio de la cadena hacia el final de tal forma que se tenga el mayor número de átomos de carbono en la cadena y el átomo con la numeración más baja las cadenas laterales.

H3C

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH3

CH3

CH3

CH3

Como puedes observar la cadena se número derecha a izquierda de tal forma que la primer cadena sustituyente queda en el carbono número 2. Si la numeración se hubiera realizado de forma inversa entonces la primera cadena sustituyente hubiera quedado en el carbón número tres.

H3C

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH3

CH3

CH3

CH3

1

23

4

5

6

78

9

10

Una vez identificada y numerada la cadena principal, se busca la raíz que indique el número de átomos de carbono de esta cadena. En el ejemplo que estamos revisando corresponde a Dec, ya que tiene 10 átomos de carbono.

30

En la tabla de la izquierda se presenta una tabla en la que se indica la raíz según el número de átomos de carbono. Ahora se tienen que numerar las cadenas sustituyentes, en este caso se trata de cadenas de un sólo átomo de carbono. Las cadenas sustituyentes también reciben una raíz que indica el número de átomos de carbono más la terminación il. En este caso como son cadenas de un solo átomo de carbono se nombran como metil.

H3C

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH3

CH3

CH3

CH3

1

23

4

5

6

78

9

10metil

Bien, ahora tenemos que indicar la posición, con el número del átomo de carbono, en que se ubican las cadenas sustituyentes dentro de la cadena principal. En nuestro ejemplo se tienen las cadenas en las posiciones 2,7,8 y en los tres casos se trata de sustituyentes metilo por lo que usamos el prefijo tri para indicar que son tres cadenas iguales quedando 2,7,8-trimetil Ahora demos el nombre completo del compuesto 2,7,8-trimetildecano, como puedes observar, existen tres partes que conforman el nombre. La primera de ella corresponde a la posición, tipo y número de cadenas sustituyentes, la segunda parte nos indica el número de átomos que conforman la cadena principal y finalmente la terminación indica la serie homóloga. En nuestro ejemplo se trata de un alcano y por ello tiene la terminación ano.

2,7,8-trimetildecano

No. átomos de Carbono

Raíz No. átomos de Carbono

Raíz

1 Met 22 Docos

2 Et 23 Tricos

3 Prop 24 Tetracos

4 But 25 Pentacos

5 Pent 26 Hexacos

6 Hex 27 Heptacos

7 Hept 28 Octacos

8 Oct 29 Nonacos

9 Non 30 Triacont

10 Dec 31 Hentriacont

11 Undec 32 Dotriacont

12 Dodec 33 Tritriacont

13 Tridec 40 Tetracont

14 Tetradec 50 Pentacont

15 Pentadec 60 Hexacont

16 Hexadec 70 Heptacont

17 Heptadec 80 Octacont

18 Octadec 90 Nonacont

19 Nonadec 100 Hect

20 Icos 132 Dotriacontahect

21 Henicos

31

Los radicales univalentes derivados de alcanos son nombrados por la designación de la cadena sustituyente como radical alquilo. Para ello, se busca la cadena más larga posible iniciando por el átomo de carbono con la valencia libre y este átomo se numera como 1.

Los siguientes nombres (comunes) pueden ser usados solamente para los radicales no sustituidos:

Nombre del radical alquilo

Estructura Nombre del radical

alquilo Estructura

Isobutil

Isopropil

sec-Butil

terc-Butil

Isopentil

Neopentil

terc-Pentil

Isohexil

Ejemplos

1) 2-metilpentano 2) 4-etil-2,5-dimetilheptano

1-Metilpentil

2-Metilpentil

5-Metilhexil

H3C

CH

CH2

CH2

CH3

CH3

1

2

3

4

5

metil

H3C CH CH2 CH CH CH2 CH3

CH3

CH3

CH2 CH3

1 2 3 4 5

6

7

metil

etil

32

3) 3-isopropil-2,5-dimetilheptano

En el caso de los hidrocarburos cíclicos se tiene que anteponer la palabra ciclo por ejemplo.

Ciclopropano Ciclopentano Ciclohexano

¡Preguntas para aplicar conocimientos!

Resuelve los siguientes ejercicios

I. Para cada uno de los siguientes nombres, desarrolla la estructura del compuesto correspondiente.

1) 3-etil-4-isopropil-5-metilheptano

2) 5-sec-butil-5-terc-butildecano

3) 2,3-dimetilbutano

4) 3-metil-4-propiloctano

5) 4-etil-2,7,7-trimetil-4-propilnonano

II. Escribe el nombre correcto de las siguientes estructuras. Señale la cadena principal y su numeración.

a) b)

H3C

CH

CH

H2C

CH

CH2

CH3

CH

1

23

4

5

6

7

metil

CH3

H3C CH3

CH3

isopropil

33

c) d)

e) f)

g) h)

i) j)

H3C

CH

CH2

CH2

CH

CH3

CH

H3C CH3

CH3

34

HIDROCARBUROS NO SATURADOS:

LOS ALQUENOS

C C

H

HH3C

H3C

2-metilpropeno

p.eb. -7ºC

C C

H

HCH3-CH2

H

1-Buteno

p.eb. -6ºC

C C

H

CH3CH3

H

cis-2-Buteno

p.eb. 4ºC

C C

CH3

HCH3

H

trans-2-Buteno

p.eb. 1ºC

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ALQUENOS

Fórmula general CnH2n

Se les llama olefinas (formador de óleo)

Contiene enlaces C=C

El alqueno más sencillo es el CH2 = CH2 llamado eteno o etileno.

Es un gas con olor a dulzón

Se obtiene de la refinación del petróleo.

Es una materia prima importante en la industria química.

Los vegetales producen etileno.

La exposición de los frutos al etileno acelera su maduración.

Para los alquenos con cuatro o más átomos de carbono, existen varios isómeros. Nomenclatura

Se aplican las mismas reglas de la IUPAC que para los alcanos.

Se encuentra la cadena más larga que contenga el doble enlace y se enumera desde el extremo más cercano al doble enlace. Si una sustancia contiene dos o más dobles enlaces, cada uno se localiza por medio de un número y la terminación del nombre se modifica para identificar el número de dobles enlaces: dieno (dos enlaces), trieno (tres enlaces), etc.

Ejemplos: CH2 = CH – CH2 – CH = CH2 1,4 pentadieno

3-isopropil-6-metil-1,3,5-heptatrieno

CH2

CH

C

CH

CH

C

CH3

CHH3C CH3

CH3

La rotación del doble enlace C=C no puede ocurrir sin que se rompa el enlace, por lo que esta falta de rotación da lugar a la formación de Isómeros geométricos como los que se presentan

enseguida.

35

Representación geométrica de la molécula de etileno

A continuación te presentamos las siguientes imágenes para que te familiarices con las diferentes formas en que se representan a los alquenos: nombre, fórmula molecular, fórmula estructural, fórmula condensada, y dos propiedades características: punto de fusión y de ebullición. Estructuras nombres y puntos de ebullición de los alquenos de fórmula molecular C4H8.

EJEMPLOS DE ALQUENOS Nombre Fórmula

molecular Fórmula estructural

Formula estructural condensada

Punto de fusión (ºC)

Punto de ebullición (ºC)

Eteno C2H4

C C

H

HH

H

CH2=CH2 -169 -104

Propeno C3H6

C C

H

HC

H

HH

H

CH3-CH=CH2 -185 -48

1-Buteno C4H8

C C

H

HC

H

HC

H

H H

H

CH2=CH-CH2CH3 -185 -6

2-Buteno C4H8

C C

C

HC

H

H

H

H

H

H H

CH3-CH=CH-CH3 -106 0.8

36

Ejemplos de nomenclatura y propiedades físicas de los alquenos

H2C CH2CH CH2H3C CH CH2CH2H3C

4 3 2 1

Eteno Propeno 1-Buteno

CH CH3CHH3C4 3 2 1

2-Buteno(cis o trans)

C CH2H3C

CH3

2-Metilpropeno

CH CH2CH3C

3,3-Dimetil-1-buteno

CH3

CH3

4 3 2 1CH CH3CHC

4

3 2 1H3C

CH3

H

4-Metil-2-penteno(cis o trans)

Tabla 7.2 ALQUENOS

Nombre Fórmulap.f.,

ºC

p.e.,

ºC

Densidad relativa

(a 20 ºC)

Etileno CH2=CH2 -169 -102

Propileno CH2=CHCH3 -185 - 48

1-Buteno CH2=CHCH2CH3 - 6.5

1-Penteno CH2=CH(CH2)2CH3 30 0.643

1-Hexeno CH2=CH(CH2)3CH3 -138 63.5 .675

1-Hepteno CH2=CH(CH2)4CH3 -119 93 .698

1-Octeno CH2=CH(CH2)5CH3 -104 122.5 .716

1-Noneno CH2=CH(CH2)6CH3 146 .731

1-Deceno CH2=CH(CH2)7CH3 -87 171 .743

37

¡Ejercicios para aplicar conocimientos! Escribe el nombre de los siguientes compuestos.

H3C C C CH2 CH3

CH3

CH3

H3C C CH C CH3

CH3 CH3

Cl

CH2 CH CH2 Br

CH3

CH3

CH2 CH CH CH2

CH

CH2 CH3

CH3CH3

CH3 CH CH2 CH C CH

CH

CH3

CH3

CH3H3C

CH3

a)

b)

c)

d)

e)

f)

1) Escribe las siguientes estructuras:

(a) 2,3-dimetil-2-penteno.

(b) 4-cloro-2,4-dimetil-2-penteno.

(c) bromuro de alilo.

(d) 2,3-dimetilciclohexeno.

(e) 3-isopropil-l-hexeno.

(f) 3-isopropil-2,6-dimetil-3-hepteno.

38

HIDROCARBUROS NO SATURADOS: LOS ALQUINOS

HC CH

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ALQUINOS

Fórmula general CnH2n-2

Contiene uno o más enlaces triples C C.

Generalmente son intermediarios importantes en una gran diversidad de procesos industriales.

El alquino más sencillo es el CH CH llamado etino o acetileno.

Es una molécula lineal muy reactiva.

Cuando se quema el acetileno en presencia de oxígeno (se usa en la soldadura) se alcanza una temperatura de 3200°K.

Es una materia prima intermediaria muy importante en la industria química en especial para producir plásticos.

Nomenclatura

Se aplican las mismas reglas de la IUPAC que para los alquenos.

Se encuentra la cadena más larga que contenga el triple enlace carbono carbono y se enumera desde el extremo más cercano al triple enlace. Si una sustancia contiene dos o más triples enlaces, cada uno se localiza por medio de un número y la terminación del nombre se modifica para identificar el número de triples enlaces: diino (dos), triino (tres), etc.

Ejemplo: CH C – CH2 – C C – CH3 1,4-hexadiino.

HC

C

CH

C

C

CH

C

C

CH3

CH3

CH3 3,6-dimetil-1,4,7-nonatriino

Esquema de los enlaces sigma y pi del

acetileno (UAM, 2008).

39

EJEMPLOS DE ALQUINOS Nombre Fórmula

molecular Fórmula estructural Formula estructural

condensada Punto de fusión (ºC)

Punto de ebullición (ºC)

Etino C2H2 C C HH HC CH -81 Se sublima

a -85ºC

Propino C3H4

C C CH H

H

H

C CHH3C

-103 -23

1-Butino C4H6

C C CH C

H

H H

H

H

HC C CH2 CH3 -126 8

2-Butino C4H6

C C CC

H

H

H

H

H

H

H3CC CCH3 -32 27

NOMBRE FÓRMULA p.f.ºC

p.e.ºC Densidad relativa (a 20ºC)

Acetileno -82 -75

Propino HC C CH3 -01.5

-23

1-Butino HC C CH2 CH3 -122 9

1-Pentino HC C (CH2)2 CH3 -98 40 0.695

1-Hexino HC C (CH2)3 CH3 -124 72 0.719

1-Heptino HC C (CH2)4 CH3 -80 100 0.733

1-Octino HC C (CH2)5 CH3 -70 126 0.747

1-Nonino HC C (CH2)6 CH3 -65 151 0.763

1.Decino HC C (CH2)7 CH3 -36 182 0.770

2-Butino CH3C CCH3 -24 27 0.694

2-Pentino CH3C CCH2CH3 -101 55 0.714

3-Metil-1-butino HC CCH(CH3)2 29 0.665

2-Hexino CH3C CCH2CH2CH3 -92 84 0.730

3-Hexino CH3CH2C CCH2CH3 -51 81 0.725

3,3-Dimetil-1-butino

HC CC(CH3)3 -81 38 0.669

4-Octino CH3(CH2)2C C(CH2)2CH3 131 0.748

5-Decino CH3(CH2)3C C(CH2)3CH3 175 0.769

40

HIDROCARBUROS NO SATURADOS:

LOS AROMÁTICOS

Como mencionamos en párrafos anteriores, en los hidrocarburos aromáticos los átomos de carbono están unidos formando una estructura de anillo plano por

medio de enlaces (sigma) y enlaces (pi) y se les llama hidrocarburos no saturados porque contienen menos hidrógenos que un alcano con el mismo número de átomos de carbono. Presentan en su molécula un ciclo con dobles enlaces alternados con enlaces sencillos de gran estabilidad; el benceno es el hidrocarburo aromático más sencillo.

NOMENCLATURA

Cuando el benceno lleva sólo un radical, se nombra primero al sustituyente, seguido de la palabra benceno, como se muestra en los siguientes ejemplos.

Cl

Clorobenceno

Cuando existen más de dos sustituyentes, se numeran de tal manera que se les asignan los números más pequeños, y se enuncian en orden alfabético.

Cuando el benceno actúa como radical de otra cadena, recibe el nombre de fenil o fenilo.

En la imagen de la derecha se presentan algunos compuestos aromáticos de importancia

CH3

Benceno

Naftaleno

Antraceno

Tolueno(metil-benceno)

41

NOMBRES, FÓRMULAS Y ESTRUCTURAS GEOMÉTRICAS DE ALGUNOS HIDROCARBUROS SATURADOS Y NO SATURADOS (a) ALCANO

Etano

CH3 CH3

C C

HH

H

H H

H109ºC

(b) ALQUENO

Etileno

CH2 CH2

C CHH

H H122ºC

(c) ALQUINO

Acetileno

CH CH

C CH H

180ºC

(d) AROMÁTICO

Benceno

C6H6

120ºC

C

C

C C

C

C

H

HH

H

H H

¿PORQUÉ SON DIFERENTES LAS PROPIEDADES DE LOS HIDROCARBUROS?

¿Recuerdas que cuando hablamos de la estructura de las moléculas orgánicas explicamos que ésta determina sus propiedades y comportamiento?, también ¿recuerdas que los átomos de carbono e hidrógeno se unen compartiendo electrones, es decir, por medio de enlaces covalentes?, entonces estas listo para estudiar y comprender por qué existen diferencias y semejanzas entre los diferentes hidrocarburos. Se dice que un enlace entre dos átomos es polar si los dos átomos difieren en por lo menos 0.5 en sus valores de electronegatividad (en la escala de Pauling). La electronegatividad del carbono es de 2.55 y el del hidrógeno es de

2.20, por lo tanto, la diferencia de electronegatividad entre un enlace C H es de 0.35 y por lo tanto es un enlace no polar. Un enlace entre dos átomos idénticos

como C C nunca puede ser polar porque la diferencia de electronegatividad

42

es cero. Por lo anterior podemos concluir que todos los enlaces de los alcanos son no polares y en consecuencia las moléculas de alcanos son no polares, es decir son compuestos no polares. PROPIEDADES Y USOS DE LOS HIDROCARBUROS Propiedades físicas, químicas y usos de los alcanos. Sus temperaturas de ebullición y fusión son muy bajos. Los alcanos son moléculas no polares, no tienen carga (ni positiva ni

negativa), por tanto son poco atraídas por iones o moléculas polares. Los alcanos son insolubles en agua porque los alcanos son moléculas

no polares y el agua es una molécula polar. Por ejemplo si tratamos de disolver aceite lubricante en agua, los dos líquidos se separan inmediatamente en dos fases.

Los alcanos tienen baja reactividad química, sus enlaces sigma () entre C – C o entre C – H son muy fuertes o estables.

C C

enlace sigma

Se utilizan como combustibles (porque de manera inmediata combustionan

con el oxígeno) para generar calor y luz. Propiedades físicas, químicas y usos de los alquenos. Los alquenos son no polares Sus temperaturas de ebullición y fusión son relativamente bajas. Tienen poca (o nada) solubilidad en agua. Los alquenos (con doble enlace) son más reactivos que los alcanos gracias

al segundo enlace covalente pi ( ).

C C

enlace sigma ( )

enlace pi ( ) El eteno o etileno se usa principalmente para madurar artificialmente a

las frutas. Se utiliza, como materia prima, para la síntesis del polietileno. Algunos alquenos son responsables del sabor y olor de cítricos como el

limón, limas, etc. Propiedades físicas, químicas y usos de los alquinos. Presentan propiedades físicas y químicas semejantes a la de los alquenos. Las reacciones químicas de los alquinos son semejantes a las de los

alquenos.

43

Los alquinos (con triple enlace) son más reactivos debido, principalmente, a

sus dos enlaces covalentes pi ( ); recuerda que el enlace covalente sigma es muy estable.

C C

enlace sigma ( )

enlace pi ( )

El etino o acetileno H – C C – H es una llama con alta temperatura que producen los sopletes para soldar metales.

El etino es materia básica para la síntesis de los plásticos.

Propiedades físicas, químicas y usos de los hidrocarburos aromáticos. La molécula más representativa de éstos hidrocarburos es el benceno. El benceno (C6H6(l)) es químicamente estable porque los electrones

compartidos por los seis carbonos muy difíciles de romper. Generalmente las reacciones con el benceno se realizan al romper los enlaces C – H

Son compuestos apolares (no polares). Son insolubles en disolventes polares como el agua. Son solubles en disolventes no polares o poco polares como el tetracloruro

de carbono (CCl4), acetona (CH3 – CO – CH3), etc. Algunos compuestos orgánicos aromáticos de gran uso son el naftaleno

que se utiliza en la síntesis de productos químicos variados, y como repelentes de polillas.

El antraceno es importante en la fabricación de tintes y pigmentos.

Aunque los diferentes tipos de hidrocarburos (alquenos, alquenos y alquinos) presentan un comportamiento químico diferente, algunas de sus propiedades físicas son similares como las siguientes:

a) Las moléculas son muy poco polares porque el carbono e hidrógeno no difieren mucho en electronegatividad (2.5 para el carbono y 2.1 para el hidrógeno).

b) Son insolubles en agua pero solubles en otros disolventes no polares. c) Sus puntos de fusión y de ebullición están determinados por las fuerzas

de dispersión de London, por lo que entre mayor sea su masa molecular, son menos volátiles.

d) A temperatura ambiente, los hidrocarburos de peso molecular muy bajo son gases.

e) A temperatura ambiente los hidrocarburos de peso molecular moderado son líquidos.

f) A temperatura ambiente los hidrocarburos de peso molecular alto son sólidos.

44

En general el gas natural y del petróleo (que son mezclas de hidrocarburos) se convierte, mediante reacciones químicas, en productos que ofrecen bienestar al ser humano como los disolventes, polímeros, fibras textiles, etc. Los hidrocarburos saturados (los alcanos) no son muy reactivos a temperatura ambiente. Sin embargo a altas temperaturas y en presencia de catalizadores se rompen los enlaces covalentes y se forman hidrocarburos no saturados, que son muy reactivos. Todos los hidrocarburos arden en un exceso de O2(g) para producir CO2(g) y

H2O.

C2H6(g) + 7/2 O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l) Ho = - 1560 KJ/mol Etano

C6H6(l) + 15/2 O2(g) 6CO2(g) + 3H2O(l) Ho = - 3267 KJ/mol Benceno

Los hidrocarburos no saturados se oxidan en condiciones más suaves que los hidrocarburos saturados.

Si agregamos KMnO4(ac) (solución acuosa de permanganato de potasio) a un alqueno o a un alquino, el color púrpura del KMnO4(ac) desaparece y se forma u precipitado color café de bióxido de manganeso MnO2

C C

H H

O

H

O

H

H HH2C CH23 + 2 MnO4- (ac) + 4H2O(l) 3 + 2MnO2(s) + 2OH-(ac)

café

Los hidrocarburos saturados (alcanos) no reaccionan con el KMnO4(ac), por lo que esta reacción (prueba de Baeyer) se utiliza para identificar a los alcanos de los alquenos y de los alquinos.

REACTIVIDAD DE LOS ENLACES SENCILLO, DOBLE Y TRIPLE

Los altos valores negativos de Ho nos

indican que los hidrocarburos son excelentes combustibles.

REACCIONES DE OXIDACIÓN DE HIDROCARBUROS

45

En una reacción de sustitución, una parte de la molécula del reactivo es sustituida por un átomo de H en un hidrocarburo o grupo de hidrocarburos.

Reacciones de halogenación

Los alcanos reaccionan con los halógenos (F2, Cl2 y Br2) en presencia de

luz (h) o calor.

C

H

H

H

+ Br-Br C

H

H

Br + H Brh

H H

Metano Bromo metano La bromación del metano no se detiene necesariamente en la formación del bromo metano, que es la primera sustitución, ya que es posible obtener productos de una mayor bromación. Resulta común que los productos de una sustitución más avanzada se formen en alguna cantidad, dependiendo de la relación bromo-metano al inicio de la reacción. Las ecuaciones correspondientes son:

CH3Br + Br2 CH2Br2 + HBr

CH2Br2 + Br2 CHBr3 + HBr

CHBr3 + Br2 CBr4 + HBr

h

h

h

Varios átomos de bromo sustituyena un grupo de átomos de hidrógeno

La halogenación del etano se puede indicar por la siguiente ecuación:

CH3CH2-Cl + HCl

hCH3CH2 H + Cl Cl

Los alcanos son muy resistentes a la acción de los agentes físicos y químicos, sin embargo, también reaccionan con el oxígeno por oxidación parcial y total, así por ejemplo, en el primer caso se tiene, que los alcanos por oxidación moderada con agentes oxidantes como el permanganato de potasio KMnO4 en hidróxido de sodio

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN DE LOS ALCANOS

un átomo de bromo sustituye a un átomo de hidrógeno

OXIDACIÓN PARCIAL DE ALCANOS

C

H

H

H

Cl

Clorometano

46

NaOH (conocido como reactivo de Baeyer) generan alcoholes, los cuales podrán ser primarios, secundarios o terciarios.

CH3

C

HC CH2

CH3H3C

H3C

H3C

Cuaternario

terciario

secundario

primario

átomo de carbono primario: un átomo de carbono vecino átomo de carbono secundario: dos átomos de carbono vecinos átomo de carbono terciario: tres átomos de carbono vecinos átomo de carbono cuaternario: cuatro átomos de carbono vecinos

Observa que en el esquema anterior te sugiere que depende de qué alcano sea el que participe en la reacción para que se forme el alcohol primario, secundario, o terciario, es decir, de que tenga carbonos primarios, secundarios o terciarios.

Ejemplo:

El etano tiene en su estructura dos átomos de carbono primarios, así que la oxidación parcial conducirá a la formación de un alcohol primario, como se indica en la siguiente ecuación:

CH3 CH2 H + OKMnO4 CH3CH2OH

Etanol alcohol primario

El propano contiene en su estructura 2 átomos de carbono primarios y 1 un átomo de carbono secundario que es el central, por lo que la oxidación dará lugar a la formación de un alcohol secundario, como se indica en la siguiente ecuación, debido al criterio de reactividad de los carbonos y de las condiciones de operación en la reacción.

CH3 CH CH3 + OKMnO4 CH3CHCH3

H OH

Propano2-Propanol

Alcohol secundario

Para el isobutano la ecuación será:

CH3 C CH3 + OKMnO4 CH3CCH3

H OH

2-MetilpropanoIsobutano

TerbutanolAlcohol terciario

CH3CH3

47

Es probable que te preguntes porqué en las dos ecuaciones anteriores los carbonos que reaccionan son el secundario y el terciario, respectivamente. La respuesta a esta probable pregunta es que los carbonos en la cadena de un compuesto orgánico, tienen un orden de reactividad. Cuando un hidrocarburo se utiliza como combustible, se somete a un exceso de oxígeno (oxidación total), se produce vapor de agua, dióxido de carbono y desprendimiento de energía calorífica. Esta reacción se le conoce como combustión y es fuertemente exotérmica.

CH4 + O2CO2 + 2H2O + energíacalor

2CH3-CH2-CH2-CH3 13O2calor 8CO2 + 10H2O + energía+

No importa de qué alcano se trate, si las condiciones de reacción son las indicadas, los productos siempre serán dióxido de carbono y vapor de agua. Está reacción también es conocida como cracking y consiste en romper moléculas de hidrocarburos saturados de elevada masa molecular para obtener cadenas de menor número de carbonos. Este proceso es muy importante en la industria petrolera para obtener mayor cantidad de gasolina del petróleo crudo y se realiza un rompimiento que puede ser catalítico o térmico en ausencia de oxígeno. El cracking puede venir acompañado de la formación de hidrógeno, alcanos y alquenos de menor tamaño, e incluso de isómeros ramificados y las posibilidades son muy variadas cuanto más larga sea la cadena. Sin embargo, se han ideado procedimientos con buen éxito para obtener los hidrocarburos deseados de menor masa como las gasolinas a partir de otros de menor demanda comercial.

En los dos primeros compuestos de la familia de los alcanos, se ha observado que el metano, a temperatura arriba de 1000 ºC se descompone en carbono (negro de humo) e hidrógeno de acuerdo con los siguientes ejemplos:

CH4

mayor a 1000ºCC + 2H

El etano a 500ºC da etileno por deshidrogenación

OXIDACIÓN TOTAL DE ALCANOS

PIRÓLISIS

48

CH2 CH2

HH

500ºCH2C CH2

Eteno o etileno

Estas reacciones de adición son una combinación química en la cual dos moléculas reaccionan para producir una sola, esta adición se lleva a cabo en compuestos insaturados (alquenos y alquinos). Las partes del reactivo se insertan a los carbonos del enlace doble para dar lugar a un enlace sencillo, mientras que los enlaces triples pueden soportar hasta dos adiciones a fin de formar un compuesto con enlace sencillo, es decir, un alcano.

Los alquenos presentan propiedades de gran reactividad en el sistema de la doble ligadura reaccionando característicamente por adición, la que se lleva a cabo de acuerdo con la regla de Markovnikov la cual establece y predice la orientación de reactivos no simétricos la cual dice: cuando un reactivo asimétrico como un ácido se adiciona a un alqueno asimétrico, el hidrógeno del ácido se enlaza al carbono de la doble ligadura con mayor número de hidrógenos.

En una reacción de adición partes de un reactivo son adicionados a

cada átomo de carbono de un doble enlace C C que se convierte en

un enlace sencillo C C. En párrafos anteriores mencionamos que los alquenos son más reactivos

que los alcanos debido doble enlace covalente, en especial el enlace pi () Los alquenos reaccionan con los halógenos (F2, Cl2 y Br2) y se produce un

enlace sencillo C C.

H3C CH CH2 + Br2 H3C CH CH2

Br Br

Reactivos simétricos y reactivos asimétricos

Un reactivo es simétrico si al separarlo, sus dos partes son idénticas, como en la molécula de Br2, en cambio el HCl tiene átomos diferentes por lo que se considera como especies no simétrica o asimétrica.

Un alqueno es simétrico si la bisección del doble enlace proporciona dos partes idénticas, y asimétrica o no simétrica si resultan dos partes diferentes. Cuando un reactivo simétrico se adiciona a un alqueno simétrico sólo es posible un producto. En las reacciones de adición, los dos reactivos son asimétricos y son posibles dos productos (isómeros) y comúnmente predomina uno de ellos.

REACCIONES DE ADICIÓN DE LOS ALQUENOS

49

Reacción de Adición Homolítica de HBr al doble enlace C = C

En la década de 1920, varios investigadores estudiaban la reacción de adición de HBr al propeno, Observaron que en dicha reacción se obtenía la mezcla de los dos productos posibles de adición en porcentajes diferentes.

Finalmente hacia 1930 Kharasch y su grupo de investigación después de cientos de experimentos propusieron que la adición de HBr (no de HCl ni de HI) puede darse por dos mecanismos: adición electrófila del HBr al alqueno con orientación Markovnikov y adición mediante radicales libres (anti Markovnikov) si en la mezcla de reacción se encontraban presentes peróxidos, formándose sólo el 1-bromobutano.

CH3-CH2-CH=CH2

HBr

ROOR

HBr

CH3 CH2 CH CH3

Br

CH3 CH2 CH2 CH2 Br

Markovnikov

anti-Markovnikov

(carbocationes)

Kharasch llamó a este fenómeno efecto peróxido y vio que se daba no sólo cuando se añadían los peróxidos al medio de reacción sino siempre que el alqueno no se protegiera cuidadosamente del contacto con el oxígeno atmosférico, porque en ese caso el alqueno absorbe oxígeno y se forman peróxidos.

C CH2

H3C

H3C

+ HBr H3C C

H

CH3

CH2 Br

2-Metilpropeno 1-Bromo-2-metilpropano

peróxidos

Los peróxidos (R-O-O-R) son magníficas fuentes de radicales y pueden emplearse como catalizadores de la adición de HBr al alqueno por radicales libres, en lugar de darse la adición electrófila.

La reacción global será:

50

MECANISMO DE REACCIÓN FASE DE INICIACIÓN

1. Disociación de un peróxido en dos radicales alcoxilos:

R O O R R O + ROh

peróxido(o calor)

2. Abstracción de un átomo de hidrógeno del HBr por un radical alcoxilo:

R O H Br R O H + Br

FASE DE PROPAGACIÓN

3. Adición de un átomo de bromo al C menos sustituido del alqueno para dar el radical más estable:

Br C C C CBr

FASE DE TERMINACIÓN

4. Abstracción de un átomo de H del HBr por el radical libre formado en la fase de propagación, quedando el H unido al C menos sustituido.

BrC CBr H HC CBr Br+

La posibilidad de que la adición del HBr a los alquenos se pueda dar por dos mecanismos distintos, aunque en un principio fue una complicación, hoy día resulta ser una ventaja porque a partir del mismo alqueno se pueden preparar dos bromuros diferentes eligiendo las condiciones de reacción que favorezcan o bien la adición electrófila o bien la adición radicalaria.

51

Halogenación de un alqueno

Los alquenos con los halógenos dan derivados dihalogenados, lo cual se realiza de acuerdo con la ecuación:

H2C CH CH2 CH3 + Cl2 H2C CH CH2 CH3

Cl ClButeno

1,2-diclorobutano

CCl4

Puesto que el reactivo que se adicionará a la doble ligadura genera dos especies iguales, su orientación para la adición es indiferente sin importar que los carbonos del sistema sean o no asimétricos. Observa cómo en este ejemplo los carbonos que soportan el doble enlace son simétricos, por lo que la orientación de las especies que intervienen es indiferente.

CH CH CH3H3C + Cl2 H3C CH CH CH3

2,3-diclorobutano

CCl4

Cl Cl

2-Buteno

Hidratación en medio ácido

Los alquenos adicionan al sistema de la doble ligadura, agua en presencia de ácido sulfúrico en reacciones que se conocen como de hidratación, generando como producto el alcohol correspondiente. Lo anterior se puede representar por la siguiente ecuación:

H2C CH CH2 CH2 + H-OH H3C CH CH2 CH2

OHpenteno

2-pentanol

H2SO4CH3 CH3

Como el penteno tiene un sistema de doble enlace asimétrico, la adición será de acuerdo con la regla de Markovnikov, por lo que: La reacción entre el eteno y el agua en presencia de ácido sulfúrico.

CH2 CH2 + H-OH CH3 CH2 OH

eteno etanol

H2SO4

52

Reacción de adición de polimerización

Los dos alquenos de mayor importancia industrial son el etileno y el propileno. A partir de ellos se obtiene una serie de polímeros de gran aplicación.

C C

H

CH3

H

H

C C

H

CH3

H

H

polimerización

propileno (monómero) polipropileno (polímero)

C C

H

CH3

H

H

C C

H

CH3

H

H

n

C C

H

Cl

H

H

C C

H

Cl

H

H

polimerización

cloruro de vinilo (monómero) policloruro de vinilo (polímero) PVC

C C

H

Cl

H

H

C C

H

Cl

H

H

n

La mayoría de estos polímeros son obtenidos industrialmente a gran escala mediante polimerización por radicales libres. Para ello, el etileno se calienta a alta presión en presencia de oxígeno o de un peróxido.

CH2=CH2n

n puede ser varios miles de unidades

.....(CH2-CH2)n .....

Reacciones de adición - oxidación de Alquenos

Reacción de Hidroxilación de Alquenos

La hidroxilación de alquenos consiste en la adición de un grupo hidroxilo (OH-) a cada uno de los carbonos del doble enlace para dar 1,2-dioles es decir, un glicol.

Ruptura Oxidativa de Alquenos

La ruptura oxidativa de alquenos se puede llevar a cabo por

Tratamiento con un oxidante fuerte. Ozonólisis

53

Por tratamientos con oxidantes fuertes

La oxidación se puede llevar a cabo con:

1. una disolución concentrada de KMnO4 en medio ácido y con calor. La ruptura del doble enlace se da a través del glicol.

2. H2Cr2O7 en medio ácido y calor 3. CrO3/ AcOH y calor.

Ejemplo:

H

R'R

R

C C

OH

R'R

OH

R H C

R R'

C

HR

O OKMnO4

(calienteconcentrado)

cetona (estable)

aldehído(oxidable)

R'

C

OH

O

ÁcidoGlicol

KMnO4

(calienteconcentrado)

O

OC

OH

+

COOHCOOH

O

KMnO4

(calienteconcentrado)

CO2+

En todos los casos la naturaleza de los productos de la reacción de oxidación depende de la estructura del alqueno.

Reacción de Ruptura oxidativa

Es el método más frecuentemente empleado para romper un doble enlace porque da mejores rendimientos y es más suave.

El ozono (O3) es la forma triatómica del oxígeno. Es una molécula neutra pero polar que se puede representar por sus dos estructuras de Lewis más estable, es decir se trata de un híbrido de resonancia entre dichas estructuras:

54

El ozono es un electrófilo potente que se adiciona a los alquenos rompiendo el doble enlace C=C . La reacción se lleva a cabo a baja temperatura y se conoce como ozonización. Al producto que se forma se le llama ozónido y no es muy estable; generalmente el ozónido sufre de inmediato su hidrólisis para dar dependiendo de la estructura del alqueno de partida cetonas y aldehídos o ácidos dependiendo si las condiciones son reductoras u oxidantes.

La hidrólisis se suele realizar con un agente reductor porque así se evita la oxidación de los aldehídos obtenidos hasta ácido:

Según la estructura del alqueno de origen se obtendrán unos u otros compuestos carbonílicos:

Oxidación parcial

Los alquenos también experimentan oxidación moderada con el reactivo de Baeyer que es una solución de KMnO4 (permanganato de potasio) en medio alcalino para generar los llamados glicoles o dioles, proceso que se representa por la ecuación:

H2C CH CH3 H2C CH CH3

OH OHPropeno

1,2-propanodiol

KMnO4+ + H2O2 MnO2 KOH+ +medioalcalino

55

Hidrogenación de Alquenos

Los alquenos u olefinas por hidrogenación catalítica, producen alcanos, reacción que se realiza en presencia de catalizadores como el platino, paladio o níquel. Esta propiedad química es de importancia, pues permite determinar, para una sustancia de estructura desconocida, si presenta insaturaciones. Ejemplos

CH3 CH CH CH2 CH3 + H2H3C CH CH CH2 CH3

H H2-penteno

pentano

Pd

CH2 CH CH2 CH2 H2

Hexeno

NiCH2 CH3 + CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

Hexano

Reacciones de oxidación

Los alquenos por ser también hidrocarburos, reaccionan con el oxígeno en presencia de un estímulo externo originando dióxido de carbono y agua. La utilización práctica de este proceso de combustión es la obtención de energía para diversos fines. La reacción es:

H2C CH CH2 CH3 6O2chispa

4CO2 + 4H2O + energía+

Es importante aquí recordar que en toda combustión de un hidrocarburo, los productos siempre serán CO2 y H2O en forma gaseosa.

Halogenación Alílica; Conjugación en el Radical Alilo

Los alquenos reaccionan con N-bromosuccinimida (NBS) en presencia de luz o de un iniciador de radicales para formar un producto donde un hidrógeno de un carbono adyacente al doble enlace es sustituido por bromo, es decir se forma el producto de sustitución en posición alílica.

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN DE LOS ALQUENOS

56

H H

N

O

O

Br+CCl4

Br H

N

O

O

H+

N-Bromosuccinimida Succinimida85%Ciclohexeno

Es una reacción análoga a la halogenación por radicales de alcanos pues se ha demostrado que las bromaciones alílicas con NBS ocurren a través de un mecanismo por radicales.

Si bien el mecanismo exacto de la reacción es complejo, el paso crucial de la reacción es la sustracción del hidrógeno alílico y formación del radical correspondiente. El bromo necesario para la reacción con el radical alílico es producido por la reacción del HBr con NBS:

Paso 1. Iniciación Una vez que el NBS ha producido pequeñas cantidades de Br2, las moléculas de bromo sufren una ruptura homolítica en presencia de la luz para producir radicales de bromo. Los iniciadores de esta reacción son la luz.

Paso 2. Propagación El radical de bromo, producido por ruptura homolítica del bromo (Br2) en la etapa de iniciación, elimina un hidrógeno alílico para generar el radical correspondiente y ácido bromhídrico.

H H

H

Br

H

H

+ HBr

HH

H

H

Br Br

H Br

H

+ Br

Es necesario utilizar la NBS porque genera una concentración muy baja de bromo y constante con lo que se evita la reacción de adición electrófila del bromo al doble enlace. La NBS vuelve a convertir el subproducto HBr en Br2

57

N

O

O

Br HBr+N

O

O

H

Succinimida

+ Br2

Un radical alilo es más estable que un radical alquilo, por lo que sólo sale el H de la posición alílica para dar un radical alilo que es el más estable. La razón de esta mayor estabilidad es que los radicales alílicos son híbridos de resonancia entre dos formas resonantes de la misma energía:

Los alquenos son materia prima importante para la industria química de los compuestos del carbono e industrialmente se obtienen por cracking o pirolisis catalítica, sin embargo, en el laboratorio se pueden obtener provocando la formación del

doble enlace en un hidrocarburo saturado (alcano) al eliminar algunas especies que se requieran de dos carbonos vecinos en la cadena, por ejemplo:

1) Tratando con halogenuros de alquilo con hidróxido de potasio en solución alcohólica. Ejemplos:

CH3 CH CH2 +

HYodo propano

I KOH SoluciónAlcohólica

CH3 CH CH2KI+ + H2O

propeno

2) Deshidratación de alcoholes (eliminación de agua)

Los alquenos también se pueden obtener por deshidratación de alcoholes con agentes deshidratantes como el ácido sulfúrico concentrado o el peróxido de fósforo y el ácido fosfórico concentrado o altas temperaturas.

REACCIONES DE ELIMINACIÓN DE LOS ALQUENOS

58

Cuando el hidróxilo está en un carbono secundario o terciario, se obtendrá una mezcla en la cual predominará el alqueno en el que soportan la doble covalencia contienen un número mayor de grupos alquilo, lo cual se puede interpretar como que el alqueno será más estable mientras la insaturación se forme lo más interna posible en la estructura de la cadena, esto se conoce como Regla de Saytzeff. La aplicación de esta regla la podrás observar en los siguientes ejemplos:

H3C CH2 OH

H2SO4

H2C CH2 + H2O

Etanol Eteno

170ºC

El ácido sulfúrico proporciona el agente electrofílico (H+), que se une con el grupo hidróxilo para la formación de agua y promueve la aparición del doble enlace como resultado de la eliminación de un ión H+ del grupo metilo, con lo cual se regenerará el H2SO4. En el 2-butanol el grupo (OH) está conectado a un carbono secundario, por lo que de acuerdo con la Regla de Saytzeff se tiene:

H3C CH CH2 CH3

OH

2-Butanol

H2SO4

170ºC

H2C CH CH2 CH3 H3C CH CH CH3

2-ButenoButeno

80%20%

De acuerdo con la reacción de la ecuación anterior, lo que ocurre en la práctica, es que se produce una mezcla de alquenos obteniéndose un mayor rendimiento en aquel producto que cumple con la Regla de Saytzeff.

En párrafos anteriores mencionamos que los alquinos son más reactivos que los alquenos y que los alcanos, debido triple enlace covalente, en

especial a los dos enlaces pi () La reacción de adición del Br2 disuelto en tetracloruro de carbono (CCl4) a

los alquinos, es extremadamente rápida y se observa que el color café rojizo del bromo se pierde.

Con los alcanos, el Br2 disuelto en tetracloruro de carbono (CCl4) no hay reacción química.

CH3CHCH2 + Br2 CH3CH CH2

Br Br

REACCIONES DE ADICIÓN DE LOS ALQUINOS

59

Reacciones de hidrohalogenación Los alquinos reaccionan con los hidrácidos halogenados de cloro, bromo y yodo para generar derivados dihalogenados en un mismo átomo de carbono de acuerdo con la regla de Markovnikov, proceso que se lleva a cabo en dos etapas como se indica:

C CR H + H X C C

H

HR

X

+ H X C C

H

HX

X

HR

= HCl, HBr, o HIH X

Ejemplo:

MECANISMO DE REACCIÓN En primer lugar se forma un carbocatión vinilo que es más estable si la carga (+) queda sobre el carbono más sustituido (por efecto de la carga +I de los radicales alquílicos. El ataque del ión halogenuro completa la reacción.

60

Cuando se agrega una 2ª molécula lo hace con la misma orientación, obteniéndose finalmente un dihaluro.

Aunque la adición de HX a un triple enlace es más exotérmica que la adición a un doble enlace, los alquinos son menos reactivos que los alquenos frente a los E+. Esto se debe a que cuando se adiciona la primera molécula de HX al alquino se forma el catión vinilico que es menos estable que el catión alquílico resultante de la adición de HX a los alquenos.

Reacción de adición de Halógenos Los alquinos reaccionan con los halógenos en solución acuosa de tetracloruro de carbono (CCl4), obteniéndose el derivado tetrahalogenado de acuerdo con la siguiente ecuación:

C CR R' + C C

X

XX

X

HR

X2= Cl2 o Br2

2X2

Ejemplo:

C CCH3-(CH2)3 H + C C

Cl

ClCl

Cl

HCH3-(CH2)3

X2= Cl2 o Br2

2Cl2

(100%)

Si se agrega 1 sólo mol se aísla el dihaluro vecinal y en el producto predomina el alqueno trans, aunque hay mezcla de ambos diastereoisómeros.

61

C CR R' +

X2= Cl2 o Br2

X2 C C

R'

XR

X

C C

X

R'R

X

+

trans Ejemplo:

C CCH3-(CH2)3 H + Br2 C C

H

BrCH3-(CH2)3

Br

C C

Br

HCH3-(CH2)3

Br

+

(72%) (28%)

Hidrogenación catalítica Los alquinos por hidrogenación catalítica llegan a producir alcanos de manera gradual, reacción que se realiza en presencia de catalizadores como el platino, paladio o níquel, propiedad química que se representa por la reacción entre el etino y el hidrógeno, en presencia de paladio como catalizador.

Si la cantidad de hidrógeno no es la suficiente, únicamente se producirá el alqueno correspondiente.

Reacción de hidratación o adición de agua

La hidratación de alquinos se puede llevar a cabo con H2SO4 acuoso en presencia de sales mercúricas (HgSO4) como catalizador: Sintéticamente, la reacción se lleva a cabo empleando ácido sulfúrico acuoso como medio de reacción y sulfato de mercurio (II) u óxido de mercurio (II) como catalizador. A veces es necesario añadir metanol o ácido acético como co-disolvente para solubilizar al alquino de partida.

62

El alcohol que se forma en esta reacción es especial ya que tiene un grupo hidroxilo sobre un carbono de un doble enlace. A estos alcoholes se les conoce como enoles y se isomerizan rápidamente a aldehídos ó cetonas bajo las condiciones utilizadas en la reacción.

El proceso por el cual los enoles se convierten en aldehídos o cetonas se conoce como tautomería ceto-enólica. Esta tautomería supone la transferencia de un protón del OH al carbono adyacente del doble enlace. Esta transferencia ocurre fácilmente porque el carbocatión que se produce es muy estable, ya que se trata de un híbrido de resonancia:

C CR H + H2OHgSO4

H2SO4

C C

H

HR

OH

C C

H

HR

O

HH+

Alquino

Alcohol vinílico (enol) Cetona

La adición sigue la regla Markovnikov, por lo cual los alquinos terminales siempre dan metil cetonas, siendo el acetileno el único alquino que dará un aldehído en

estas condiciones:

Cuando se hace la reacción con un alquino interno tiene interés sintético sólo si el alquino es simétrico pues en caso contrario dará la mezcla de las dos cetonas posibles.

Reacción de Oxidación con Permanganato Bajo condiciones moderadas, el permanganato de potasio oxida los alquenos a dioles. Con los alquinos lleva a cabo una reacción semejante, formándose una dicetona

63

Si la mezcla, en un medio básico, se caliente demasiado la dicetona sufre una ruptura oxidativa y se forman las sales de ácidos carboxílicos, que se pueden convertir en ácidos libres por la adición de ácidos diluidos

En general, cuando un alquino se trata con permanganato concentrado en medio básico y en caliente, se rompe el triple enlace y se forma el ácido carboxílico y el CO2.

Reacción de Ozonólisis

Cuando un hidrocarburo alquino reacciona con el ozono se producen ácidos carboxílicos.

La ozonólisis se usa a veces como una herramienta para la determinación de estructuras. Sin embargo hoy día como otros muchos métodos químicos de determinación de estructuras ha sido superado por los métodos espectroscópicos.

Reacciones de oxidación total o combustión Como todos los hidrocarburos, los alquinos por combustión producen dióxido de carbono, agua y la respectiva generación de energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

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¡Ahora aplica tus conocimientos! Escribe los nombres de los reactivos y productos de las siguientes reacciones

1. Obtención del metano

CH3 – COONa(s) + CaO. NaOH(s) CH4(g) + Na2CO3(s) + CaO(s) Calor

2. Obtención de etileno

H2SO4 al 95%

CH3 – CH2 – OH(l) CH2 CH2(g) + H2O(l) 170oC

3. Obtención de acetileno

CaC2(s) + H2O(l) CH CH(g)

Aunque el benceno es un hidrocarburo no saturado, no experimenta

reacciones de adición del bromo disuelto en tetracloruro de carbono, los enlaces pi deslocalizados son muy estables.

Las reacciones del benceno son de sustitución, como las siguientes:

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN DE LOS HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

65

Hidrocarburos derivados del Petróleo Crudo y del Gas Natural En el siguiente cuadro se presentan los hidrocarburos más abundantes e importantes que se obtienen del gas natural y del petróleo crudo.

PRINCIPALES HIDROCARBUROS QUE SE OBTIENEN DEL GAS NATURAL

Fórmula Nombre Usos

CH4 Metano Combustible y materia prima para la petroquímica.

CH3 - CH3 Etano Materia prima para obtener etileno, producto básico de la petroquímica.

CH3-CH2-CH3 Propano Combustible para estufas y para obtener propileno

CH3 - (CH2)2 – CH3 Butano Como combustible y en la Petroquímica.

Obtención del Etileno

PRINCIPALES HIDROCARBUROS QUE SE OBTIENEN DEL PETRÓLEO CRUDO

CnH2n-2 Hidrocarburos parafínicos desde cinco átomos de carbono en adelante.

Principales componentes del petróleo crudo.

C4H10aC10H22 Naftas para preparar gasolina

Mediante desintegración se mejora la gasolina y se preparan materias primas para la Petroquímica.

CnH2n-2 Querosina Para combustibles de aviones, tractores, estufas de petróleo y calefacción.

C15H32aC25H52 Gasóleo Para diesel y por desintegración se obtienen materias primas para la Petroquímica.

Más de 25 átomos de carbono.

Parafinas Se utilizan para obtener combustibles ligeros y lubricantes como combustible y asfalto.

ETILENO: REACTIVIDAD Y CAPACIDAD PARA FORMAR UNA GRAN DIVERSIDAD DE COMPUESTOS

66

Los alquenos son hidrocarburos no saturados formados por moléculas que contienen el doble enlace C=C conocido como el grupo funcional de los alquenos que determina las propiedades químicas de estos hidrocarburos. Un grupo funcional es la parte de una molécula en la que se llevan a cabo la mayoría de las reacciones químicas. De los grupos funcionales más importantes que estudia la química orgánica, no solo tenemos a los hidrocarburos, también están los alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, halogenuros de alquilo, etc. Entre los hidrocarburos insaturados olefinicos el más simple es el eteno o etileno, que es una sustancia muy importante porque se utiliza en grandes cantidades para la fabricación de compuestos orgánicos como los polímeros. El proceso por el cual se prepara etileno se le conoce como craqueo o pirolisis; en éste proceso se efectúa una descomposición térmica (800°C) de las moléculas de etano en presencia del platino como catalizador, dando como subproducto el gas hidrógeno. Otro proceso alternativo para obtener etileno es la reacción química en la que se utiliza nafta o gasolina. Su rendimiento es bajo comparado con el del primer proceso, sin embargo, se obtiene una mayor variedad de petroquímicos. El doble Enlace entre Carbono y Carbono (C = C) La estructura del doble enlace carbono – carbono en el etileno se explica en términos del modelo de un átomo de carbono híbrido que da lugar a un tipo de orbital sp2, gracias al cual se forman dos tipos de uniones químicas: un enlace sigma (σ) y un enlace pi (π) entre los dos átomos de carbono. En términos de actividad química, el orbital o enlace pi es de menor energía, y en consecuencia es más “fácil” de romper, mientras que el enlace sigma es más fuerte y sólo se rompe en condiciones especiales.

El doble enlace entre carbono y carbono (enlace sigma y enlace pi) hace que el alqueno sea una molécula muy reactiva que da lugar a tres tipos fundamentales de reacciones de polimerización, de adición y de oxidación, para obtener una gran variedad de compuestos.

REACCIÓNES DE OXIDACIÓN Los principales productos de las reacciones de oxidación del etileno son: a) Obtención del óxido de etileno a partir de la oxidación del acetileno con el

oxigeno del aire, en presencia del óxido de plata.

Ag2O CH2 = CH2(g) + O2(g) 2CH2 – CH2

300°C

REACCIONES DEL ETILENO

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b) Obtención del etilenglicol. H2O , H2SO4 2CH2 = CH2 2CH2 – CH2 50 – 100°C OH OH c) Obtención del acetaldehído * A través de la oxidación del etileno. CH2 = CH2(g) + O2(g) 2CH3 – C = O + H2(g) H * Por deshidrogenación del etanol. CH2 =CH2(g) + O2(g) 2 CH3 – C = O + H2(g)

H

REACCIONES DE ADICIÓN 1. El etanol o alcohol etílico se puede obtener de tres maneras

a) a partir de azúcares como el almidón o la melaza de la caña de azúcar. b) de la reacción entre el etileno y el ácido sulfúrico. c) de la reacción de hidratación del acetileno que se esquematiza a

continuación. H+

CH2 = CH2(g) + H2O CH3 – CH2 – OH(g) H = -9.6kcal 2. Obtención de Cloruro de etilo.

Se obtiene al adicional HCl (g) al acetileno CH2 (g) en presencia del AlCl3 como catalizador.

CH2 = CH2(g) + HCl(conc) HC3 –CH2 -Cl 3. Obtención del 1,2 dicloroetano que es la materia prima para obtener cloruro

de vinilo, que a su vez es la materia básica para la producción de plásticos de PVC.

CCl4 CH2 = CH3(g) + Cl2(g) Cl – CH2 – CH2 –Cl

REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN El principal producto de las reacciones de polimerización es el polietileno que se utiliza en plásticos y películas. Obtención de polietileno

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1000 a 22500atm

nCH2 = CH2(g) (C2H4)n 100 – 300°C

¿QUÉ IMPORTANCIA TIENEN LOS GRUPOS FUNCIONALES EN LOS COMPUESTOS DEL CARBONO?

La actividad química de los compuestos orgánicos se atribuye a átomos o grupos de átomos específicos dentro de la molécula y se les conoce como grupos funcionales.

Como hemos visto, la presencia de dobles enlaces C C o triples enlaces C C en los hidrocarburos incrementa su reactividad química y cada grupo funcional (dobles o triples enlaces) presenta diferentes tipos de reacciones. En la siguiente tabla puedes observar los grupos funcionales comunes que se presentan en los compuestos orgánicos.

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Halogenuros de alquilo R-X, estos son derivados halogenados de los hidrocarburos en forma sencilla, se pueden considerar como resultado de sustituir un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo por un halógeno (flúor, cloro, bromo o yodo), desde luego que no hay que olvidar la poli halogenación, es decir, la posibilidad de que en la misma fórmula exista más de un átomo de halógeno iguales o diferentes. El halógeno podrá estar unido a un grupo de átomos de carbono de un radical. En general, los halogenuros de alquilo se destacan por su uso en la obtención de numerosos compuestos orgánicos, pues son muy reactivos. Algunos derivados halogenados son pesticidas pero su uso ha deteriorado el medio ambiente, por lo que ya no se emplean en gran escala, por ejemplo, el bromuro de metilo usado como tal y los clorofluorocarbonos, empleados como propelentes en aerosoles, atacan la capa de ozono, por lo que hoy en día se trabaja para sustituirlos. También se usan como antiadherentes en vajillas.

H3C Cl

Clorometano ocloruro de metilo

Los alcoholes son derivados de hidrocarburos en los cuales uno o más hidrógenos del hidrocarburo original han sido reemplazados por un grupo

funcional hidroxilo o alcohol -OH

Debido a que el enlace O-H es polar los alcoholes son solubles en disolventes polares como el agua, tienen temperaturas de ebullición más altos que el hidrocarburo del que proviene. El alcohol etílico es el alcohol más conocido y utilizado en la antigüedad por sus efectos calmantes, medicinales y embriagantes. Pocos son los compuestos orgánicos que superan en demanda y utilización global en todo el mundo al etanol como bebida, sin distinción de sexo, edad o creencias. Actualmente, se fabrican 1200 millones de litros de etanol al año para utilizarse como solventes o sustancia activa. El etanol se clasifica como droga debido a sus efectos depresivos sobre el sistema nervioso central. En estado de ebriedad semeja la respuesta a los medicamentos utilizados para inducir anestesia. Por arriba de los 600 mg existe el riesgo de muerte.

GRUPO FUNCIONAL: ALCOHOLES (R - OH)

GRUPO FUNCIONAL: Halogenuros de alquilo

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2-propanol(Alcohol isopropílico)

H3C CH CH3

OH

H3C C CH3

OH

CH3

2-Metil-2-propanolalcohol t-butílico

CH2 CH2

OH OH

1,2-Etanodiol(Etilenglicol)

CH2 CH

OH OH

CH2

OH

1,2,3-Propanotriol(Glicerol, glicerina)

OH

Colesterol

HO

H

H

H

Fenol

El metanol tiene usos industriales importantes y se produce en gran escala, se usa como aditivo de la gasolina y como combustible. 200 – 300 atm

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g) 400oC

CH3-CH2-OH + (O) C

O

H3C H H2O

Etanol Acetaldehído

REDUCCIÓN DE ALCOHOLES La mayoría de los alcoholes difícilmente se pueden reducir para generar el alcano correspondiente por hidrogenación catalítica, o por el empleo de hidruros complejos, sin embargo, es posible realizar la reducción por algunos métodos indirectos como el de deshidratar el alcohol en medio ácido para obtener el alqueno correspondiente y éste a su vez por hidrogenación catalítica para llegar al alcano, como se muestra en la siguiente reacción:

CH3 CH2 OH H+H2OH2C CH2 + H2 +

PtH3C CH3

Etanol Eteno Etano

El etanol C2H5OH es producto de la fermentación de carbohidratos como el azúcar y el almidón. En condiciones cuidadosas, la reacción de la izquierda se emplea para producir cerveza, vino y otras bebidas donde el etanol es ingrediente.

La oxidación del etanol produce un acetaldehído muy importante

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Aldehídos y cetonasC

O

R H C

O

R R`

En los aldehídos el grupo carbonilo C O tiene al menos un átomo de hidrógeno unido a él; en las cetonas el grupo carbonilo está en el interior de una cadena de carbono rodeado por átomos de carbono, como se muestra en los siguientes ejemplos:

C

O

H H

Formaldehído

C

O

H3C H

Acetaldehído

C

O

H3C CH3 C

O

H3C CH2-CH3

Etilmetil cetonaAcetona(Dimetil cetona)

Los aldehídos y las cetonas se pueden preparar por una oxidación cuidadosa de alcoholes y da como resultado la formación de CO2 y H2O.

CH3OH(g) + 3/2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) La temperatura de ebullición de la acetona es de 56oC, es soluble en agua y sin embargo disuelve una gran cantidad de sustancias orgánicas

Los alcoholes por oxidación moderada (parcial) en presencia de dicromato de potasio o permanganato de potasio, se transforman en aldehídos y cetonas, dependiendo de que el alcohol sea primario o secundario respectivamente, y por una oxidación más avanzada del aldehído se forma el ácido carboxílico correspondiente como se muestra en el ejemplo: Observa que el propanol es un alcohol primario por lo que la oxidación moderada generará el aldehído correspondiente:

CH3 CH2 CH2 + O KMnO4 CH3CH2CH

Propanol Propanal

OH

O

+ H2O

El 2 propanol es un alcohol secundario por lo que la oxidación conducirá a la formación de la cetona correspondiente.

+ O KMnO4 + H2OH3C CH CH3

OH

2-Propanol

H3C C

O

CH3

Propanona

GRUPO FUNCIONAL: ALDEHIDOS (R – C=O) I H

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La oxidación de un aldehído genera el ácido carboxílico correspondiente, esta propiedad química se puede indicar por el siguiente ejemplo: El etanal es el aldehído de dos carbonos por lo que por oxidación generará el ácido de dos carbonos conocido como ácido etanoico o acético. El propanal es de 3 carbonos, por lo que mediante oxidación moderada se generará el ácido propanoico.

Para el caso de los alcoholes terciarios, se ha observado que este tipo de sustancias son muy resistentes a la acción de la mayor parte de los agentes oxidantes, y sobre todo, cuando la oxidación es un solución alcalina. Cuando se trata de un medio ácido los alcoholes terciarios se deshidratan formando alquenos, los cuales son susceptibles de experimentar oxidación con la ruptura de enlace carbono – carbono. Sin embargo, esta reacción es sumamente lenta y con muy bajo rendimiento. Reducción de aldehídos y cetonas

Los aldehídos y las cetonas también se reducen con hidrógeno empleando catalizadores como el hidruro de aluminio y litio, produciendo alcoholes primarios y secundarios, respectivamente, de acuerdo con las siguientes reacciones:

H C

O

H H2+ LiAlH4

éter

H3C OH

Metanal Metanol

H3C C CH2 CH3

O

H2+LiAlH4

éterH3C CH CH2 CH3

OH

2-Butanol2-Butanona

A los compuestos en los que hay dos grupos de hidrocarburos unidos a un oxígeno se les conoce como éteres. Se representan con la siguiente fórmula general:

Éteres (R-O-R`)

GRUPO FUNCIONAL: ÉTERES

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Los éteres se forman a partir de dos moléculas de alcohol, se cataliza con ácido sulfúrico, y se forma agua como producto. A esta reacción se le conoce como reacción de deshidratación o eliminación.

CH3-CH2-OH H-OCH2-CH3+ CH3-CH2-O-CH2-CH3 H2O+H2SO4

Los éteres dietílico y tetrahidrofurano se utilizan como disolventes comunes en las reacciones orgánicas.

CH3-CH2-O-CH2-CH3 H2C

H2C

O

CH2

CH2

Dietil éter

(Éter etílico)

Tetrahidrofurano(THF)

Ácidos carboxílicos C

O

R OH

A continuación te presentamos diversas fórmulas estructurales de ácido carboxílicos. Los nombres de muchos ácidos carboxílicos se basan en sus orígenes históricos, por ejemplo: el ácido fórmico se preparó extrayéndolo de hormigas.

C

O

H OH

Ácido fórmico

C

O

H3C OH

Ácido acético

C

O

H3C H

Acetaldehído

+ (O) C

O

H3C OH

Ácido acético

C

O

OH

Ácido benzoico

O

C

OH

O

CH3C

O

Aspirina

Ácido acetilsalicílico

C

O

C OH

O

HO

Ácido oxálico

Los ácido carboxílicos contienen el grupo funcional carboxilo COOH, se usan para fabricar polímeros como fibras, películas y pinturas. Las espinacas y algunos limpiadores contienen ácido oxálico: el vinagre contiene ácido acético y la aspirina ácido acetilsalicílico.

GRUPO FUNCIONAL: ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

74

Los ácido carboxílicos se obtienen por oxidación de alcoholes:

CH3 CH2OH + O2 CH3CH + H2O

etanol O acetaldehído

Reducción de ácidos carboxílicos

El proceso contrario a la oxidación es la reducción, los ácidos carboxílicos no se reducen con facilidad, sin embargo, este proceso es factible para dar alcoholes empleando hidrógeno y catalizadores como el hidruro de aluminio y litio LiAlH4

en

dietil éter con muy buen rendimiento. El proceso es complejo, pero se puede representar por etapas de acuerdo con las siguientes reacciones: Los ésteres son compuestos en los cuales el átomo de H de un ácido carboxílico se sustituye por un grupo hidrocarburo, la fórmula general con que se representan es la siguiente:

Ésteres C

O

R OR`

Con los ácidos carboxílicos se llevan a cabo reacciones de condensación con alcoholes para formar ésteres. Como se puede observar los ésteres son compuestos en los que el átomo de H de un ácido carboxílico se sustituye por un grupo hidrocarburo:

C

O

H3C OH

Ácido acético

HO-CH2-CH3+ C

O

H3C O CH2-CH3 H2O+

Etanol Acetato de etilo

El ácido acético se obtiene por la oxidación del etanol con aire, y es la causa de que los vinos se agrien y produzcan vinagre. También se obtiene por la reacción del metanol con monóxido de carbono en presencia de rodio como catalizador. catalizador

CH3OH + CO CH3 C - OH

O

Cuando los ésteres reaccionan con un ácido o base en solución acuosa, se hidrolizan; es decir, se forma un alcohol y

el ácido correspondiente.

GRUPO FUNCIONAL: ÉSTERES

75

C

O

CH3-CH2 O + Na++ OH-

CH3

C

O

CH3-CH2 O + Na+CH3-OH+

Propionato de metilo

Propionato de sodio Metanol El estudiar a los ésteres resultará interesante, pues permitirá saber qué son responsables de los sabores y olores de las frutas y las flores, razón por la que son muy demandados en las industrias de los alimentos procesados y de las esencias, ya que sirven para mejorar el sabor y el olor de diversos productos. Aunque los utilizados por dichas industrias no sean los naturales, proporcionan las mismas características que éstos. Los ésteres de masa molecular elevada se emplean industrialmente en la fabricación de ceras para pisos, grasa de zapatos y velas, entre otros. En la industria farmacéutica también participan algunos ésteres como en el aceite de menta, la vitamina C y la aspirina.

Algunos ésteres empleados industrialmente por su olor y sabor son:

Las aminas son bases orgánicas, su fórmula general es R3N, donde R puede ser un H o un grupo hidrocarburo como se muestra en los siguientes ejemplos:

En las aminas que contienen un grupo hidrógeno unido al nitrógeno se lleva a cabo una reacción de condensación con ácidos carboxílicos para producir amidas.

Acetato de octilo Esencia de naranja

Butirato de etilo Esencia de piña

Acetato de amilo Esencia de plátano

Isovaleriato de isoamilo Esencia de manzana

Acetato de bencilo Esencia de jazmín

Nonilato de etilo Esencia de rosa

Formiato de isobutilo Esencia de frambuesa

Salicilato de metilo Esencia de menta

GRUPO FUNCIONAL: AMINAS

N CH3H3C

CH3

Trimetilamina

Etilamina

CH2CH3 NH2 NH2

Anilina

76

AMIDAS

Amidas C

O

R NH2 Se consideran derivadas de los ácidos carboxílicos al sustituir en un carboxilo el grupo hidróxilo -OH por el grupo amino –NH2. En general, las amidas son sustancias poco reactivas, pero muy comunes en la vida del ser humano, algunas se encuentran en la sangre, en los músculos y en las enzimas. Algunas se utilizan como medicamentos, como el ácido barbitúrico y otros barbituratos que sirvieron mucho tiempo como sedantes y tranquilizantes; por lo regular, las amidas se emplean en diversas síntesis orgánicas, así como anestésicos locales para trabajos dentales. La bioquímica también se beneficia de ese grupo químico, pues en las uniones de los aminoácidos que constituyen las proteínas se localizan grupos amida, aun cuando ahí se les llama enlace peptídico, no enlace amídico. Las amidas son derivados de los ácidos carboxílicos en el que un grupo NR2

sustituye al OH del ácido como se observa en los siguientes ejemplos:

C

O

NH2C

O

NH2H3C

C

O

R N

H

R'

Acetamida Benzamida

Ejercicios para aplicar conocimientos

1. Coloca la estructura que corresponda al grupo funcional que representa:

COMPUESTO ORGÁNICO GRUPO FUNCIONAL QUE REPRESENTA

(A)

( ) Cetona

(B)

( ) Alcohol

(C) ( ) Aldehído

R y R´ son grupos orgánicos

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(D )

( ) Ácido carboxílico

( E)

( ) Amina

(F)

( ) Alcano

(G) ( ) Halogenuro de Alquilo

(H)

( ) Alqueno

(I)

( ) Alquino

(J)

( ) Éster

(K)

( ) Éter

¿CÓMO IMPACTA AL AMBIENTE LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO Y PETROQUÍMICOS EN MÉXICO?

El petróleo es el recurso natural más importante de nuestro país porque contribuye

al desarrollo industrial del mismo y nos provee de satisfactores que “nos ha

cambiado la vida” entre ellos, los plásticos, telas sintéticas, combustibles, pinturas,

colorantes, aceites, medicamentos en fin una gran variedad de productos.

Desafortunadamente su extracción y transformación ha dado origen a graves

problemas ambientales, siendo las causas de esta contaminación:

manejo inadecuado y abandono de materiales y residuos peligrosos

mantenimiento inadecuado o falta de este en instalaciones petroleras

explosiones en instalaciones de alto riesgo

78

fugas en líneas de conducción

derrames de hidrocarburos

Se ha observado que en México, la zona con mayor contaminación ambiental debida a las actividades relacionadas con la extracción del petróleo son el estado de Veracruz y el sur este mexicano en las refinerías Lázaro Cárdenas y el pantano de Santa Alejandrina. El inventario de residuos peligrosos de PEMEX para el 2001, reportó la generación de más de 270millones de toneladas de residuos peligrosos. Aproximadamente el 86% del volumen total, está integrado por lodos y recortes de perforación (72%), lodos aceitosos (8%) y aceites gastados (6%). Respecto a los derrames y fugas de hidrocarburos, PEMEX reporta un total de 8031 toneladas de hidrocarburos (crudo, diesel y gasolinas), no obstante que esporádicamente se presentan accidentes importantes por derrame de petróleo.

En 1979 en el Golfo de México ocurrió el mayor escape de petróleo al mar, en el pozo petrolero Ixtoc-1. En este pozo se derramaron unos 700 millones de litros de petróleo al mar ya que la reparación de la fuga tardó 8 meses. De cualquier forma, el volumen de petróleo arrojado desde los pozos en las operaciones normales de: lavado de buque-tanques con agua marina y el transporte del mismo por el mar descarga grandes cantidades de crudo.

En 1983 ocurrió un accidente de un buque-tanque, el Castillo de Bellver, que se incendió y derramó cerca de 300 millones de litros de petróleo, frente a las costas de Ciudad del Cabo en Sudáfrica.

El último gran desastre medio ambiental sucedió el 20 de abril del 2011, cuando la plataforma Deepwater Horizon (de la compañía británica British Petroleum), sufrió una explosión y su hundimiento provocó el derrame de 16,700 barriles de petróleo, así como la muerte de 11 personas. Este derrame de petróleo ocurrió en el Golfo de México y contaminó las costas de Lousiana, la desembocadura del rio Missisipi, el estado de Florida y el estado de Veracruz México. Se estima que diariamente se vertieron al mar entre 40,000 y 60,000 barriles diarios.

Las consecuencias fueron las siguientes:

Zona cubierta por el derrame de petróleo: 4,800Km2

Tipo de especies amenazadas por el derrame: cocodrilos, venados, zorras,

ballenas, atún, camarón y diversas aves.

Número de aves que atraviesan la costa diariamente y que se encuentran en

riesgo: 25 millones.

Empleados desaparecidos desde la explosión: 11

Valor del pozo Deepwater Horizon: 12500mdd

Costo para limpiar el petróleo derramado: 1,500 mdd.

Los efectos contaminantes de esta industria en los ecosistemas marinos, depende de diversos factores; tipo de petróleo, cantidad, distancia del sitio contaminado a la playa, época del año condiciones atmosféricas, temperatura media del agua y corrientes oceánicas. El petróleo forma una capa impermeable sobre el agua, que

79

impide el paso de la luz solar, empleada por el fitoplancton para el proceso de fotosíntesis, interfiere con el intercambio gaseoso, cubre la piel y las branqueas de los animales acuáticos provocándoles la muerte por asfixia.

El petróleo derramado en el mar se evapora o es degradado por las bacterias, en un proceso muy lento. Los hidrocarburos orgánicos volátiles matan inmediatamente a varios tipos de organismos acuáticos, especialmente en etapa larvaria. En las aguas calientes estos hidrocarburos se evaporan a la atmósfera, en uno o dos días, y en aguas frías este proceso puede tardar hasta una semana.

1er. CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN Para confirmar o profundizar tus conocimientos, a continuación te presentamos una serie de preguntas y cuestionamientos; sin embargo, es conveniente que además de la bibliografía sugerida, consultes revistas de divulgación científica o navegues por el Internet. 1. ¿Qué es la Petroquímica? 2. ¿Qué sustancias químicas forman a la petroquímica? 3. ¿Qué es el petróleo? 4. ¿Cuál es la principal fuente de los combustibles? 5. ¿Qué es un combustible y como se clasifica? 6. Describe los principales factores tecnológicos económicos y científicos que

dieron origen a la petroquímica moderna. 7. Menciona cinco productos petroquímicos de uso industrial y doméstico. 8. ¿Cuáles son los principales componentes del petróleo? 9. ¿A que se llama petróleo crudo? 10. Menciona por lo menos diez productos derivados del petróleo. 11. ¿Cuáles son los tres tipos de petróleo crudo que se produce en México? 12. Los hidrocarburos son las moléculas más importantes del petróleo. ¿Qué es

un hidrocarburo? 13. ¿Cuántos grupos de hidrocarburos hay y cuáles son? 14. De acuerdo al tipo de enlace entre carbono y carbono. ¿En cuántos tipos de

compuestos orgánicos se dividen los hidrocarburos? 15. Los hidrocarburos de acuerdo al tipo de enlace se clasifican en saturados e

insaturados. ¿Qué son los hidrocarburos saturados y los no saturados? 16. ¿Qué son los alcanos y cuáles son sus principales características? 17. ¿Qué son los alquenos y cuáles son sus principales características? 18. ¿Qué son los alquinos y cuáles son sus principales características?

80

19. ¿Qué son los hidrocarburos aromáticos y cuáles son sus principales características?

20. Menciona al menos cuatro propiedades físicas de los hidrocarburos. 21. ¿Cuáles son los hidrocarburos más importantes que se obtienen de gas

natural? 22. ¿Cuáles son los hidrocarburos más importantes que se obtienen del petróleo

crudo? Consulta la Tabla Periódica, localiza al carbono, investiga en la bibliografía y da respuesta a las preguntas 23, 24 y 25. 23. Símbolo químico, número atómico, masa atómica, período y familia a la que

pertenece el carbono. 24. Principales propiedades físicas y químicas del carbono y del hidrógeno. 25. Configuración electrónica, número de oxidación, tipos y número de enlaces

químicos que puede presentar al carbono. 26. ¿Cuál es la fórmula molecular y el nombre de un alcano de 12 átomos de

carbono? 27. Escribir las fórmulas estructurales de los cinco isómeros del C6H14. 28. Escribir la fórmula estructural de un alcano, un cicloalcano, un alqueno, un

alquino y un hidrocarburo aromático cada uno con siete átomos de carbono. 29. ¿Cuál es el error en la siguiente fórmula estructural condensada

CH3=CHCH2CH3? 30. ¿Cuáles son los nombres de los siguientes alcanos, de acuerdo a la IUPAC? CH3 CH3

a) CH3CH CH CH2 CH2 CH3 c) CH3CH2CH2 C CH3

CH3 CH2CH2 CH2CH3 CH3

b) CH3 CH2CH2 CH2CH2 C CH2CHCH3 c) CH3 CH CH2 CH3

CH2 CH3 CH3CH CH2CH3

CH3 CH3 CH3 31. Dibuja las fórmulas desarrolladas de los siguientes alcanos:

a) 3,4-dimetildecano b) 4-etil-2, 2-dimetilnonano c) metilciclopentano

d) 1-etil-4- metilciclohexano 32. Escribe la fórmula estrucutural condensada de cada uno de los siguientes

compuestos:

81

a) 2,2-dimetilpentano b) 2,3-dimetilhexano c) metilciclopentano d) metilclobutano 33. Dibuja las fórmulas desarrolladas y la fórmula estructural condensada de los

siguientes alquenos: a) 1,6-heptadieno b) 2-penteno c) 5-metil-2hepteno d) 1,6-nonadieno 34. ¿Cuáles son los nombres IUPAC de los siguientes alquenos? CH3 CH3

a) CH2 = C CH CH = CH CH3 c) CH3C = C C H CH3

CH3 CH2CH = CHCH3 CH3

b) CH3CH =CHCH2 CH2 C=CCH2 CH3 d) CH3 C=CHCH2 CH2 CH3

CH2 CH2 CH2

CH3 CH3 CH3

35. ¿Cuáles son los nombres IUPAC de los siguientes alquinos? CH3 CH3

a) CH2 = C C = CH CH3 c) CH3 C = C CH3

CH3 CH2 CH = CH CH3

b) CH3 C C CH C C CH2 d) CH3 CH2 C C CH2 CH2 CH3

CH3 CH3 CH2 CH3

36. Dibuja las fórmulas desarrolladas y estructurales condensadas de los

siguientes alquinos. a) 1,5-heptadiino b) 2-hexino

82

c) 5-metil-2noniino d) 1,6-decadiino 37. ¿A que se le llama destilación fraccionada? 38. ¿Cuáles son las principales normas o legislaciones para controlar la

contaminación ambiental, producto de la quema de los combustibles? 39. ¿Cuáles son algunas de las principales normas o legislaciones para controlar

la contaminación ambiental, producto de la quema de los combustibles? 40. ¿A que se le llama efecto invernadero? 41. ¿A que se le llama lluvia ácida y por qué se produce? 42. ¿Qué es el ozono? 43. ¿Cómo se produce el smog y de que está formado?

2º CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 1. ¿A qué se le llama grupo funcional? 2. Para los siguientes grupos funcionales investiga, la fórmula general que los

representa, su nomenclatura, propiedades físicas y químicas, usos y aplicaciones y sus principales reacciones.

a) Alcoholes b) Aldehidos c) Cetonas d) Ácidos orgánicos e) Halogenuros de alquilo

3. Desarrolla la configuración electrónica del carbono. 4. Dibujar y describir y explicar la hibridación del carbono 5. Con base a su configuración electrónica, representa la estructura de Lewis

para el carbono. 6. ¿Cuáles son las principales características del enlace covalente? 7. ¿En el doble enlace C = C, cuál es la diferencia entre el enlace sigma y el

enlace pi en cuanto a reactividad química? 8. ¿Qué es el etileno y cuáles son sus principales aplicaciones? 9. ¿Cuáles son los principales compuestos que se pueden obtener del etileno? 10. ¿Cuáles son los principales tipos de reacción del etileno? 11. Investiga y describe las principales características de las siguientes

reacciones del etileno: a) adicción b) sustitución c) oxidación d) polimeración

12. ¿En una reacción química, qué significa condiciones de reacción y qué es un

catalizador? 13. ¿Cuáles son los principales petroquímicos básicos que se producen en México

y en qué se aplican?

83

EJERCICIOS DE GRUPOS FUNCIONALES

1) Cloruro de neopentilo 2) Yoduro de sec-butilo 3) Cloruro de isopentilo

4) cloruro de terc-butilo 5) Cloruro de sec-butilo 6) 1-etoxi-1-butanol

7) 1,4-Butanodiol 8) 2,2,4,4-tetrametil-3-pentanol 9) m-dicloro-fenol

10)

OH

11) n-heptanol 12) ciclohexanol

13) 1,3,5-tribromocicloheptano

14) O

15) dietil éter 16) 1-etoxi-1-metoxipropano 17) 2-Metil-2-etoxi- butano

18) 1,2,2-trifluoroetano 19) 1,5-dimetoxi-pentano 20) terc-butil ciclopentil éter

21) Hexanal 22) 2-bromoheptanodial 23) 2,2-dimetilpentanal

24) Acetaldehído 25) Benzaldehído 26) 2-metilpropanal

27) etanodial 28) butanal 29) Ácido propanoico

30) isobutil metil cetona 31) ciclohexano-1, 4 diona 32) ciclohexanona

33) 4-butil-hex-2-ona

34)

O

35)

O

36) 2,4-Hexanodiona

37)

O

O

38)

O

39) Ácido butanoico 40) éter dimetílico 41) Dimetil amina

42) Metil etilamina 43) Etil propilamina 44) Acetato de etilo

45) Pentanamida 46) Ácido propanodioico 47) Acetamida

48) trimetilamina 49) propionato de metilo 50) Ácido benzoico

84

Ejercicios tipo examen

Lee con atención las siguientes preguntas que están relacionadas con la primera Unidad de Petroquímica y coloca dentro del paréntesis la letra que corresponda a la respuesta correcta

1. Son productos de origen petroquímico: ( )

2. ¿Qué es el petróleo? ( ) a) Un elemento b) Una mezcla heterogénea de hidrocarburos c) Un compuesto d) Una mezcla homogénea de hidrocarburos

3. ¿Cuáles son los elementos químicos que constituyen al petróleo? ( )

a) Carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno

b) Carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre

c) Carbono, hidrógeno, oxígeno y fósforo

d) Carbono, hidrógeno, oxígeno y calcio 4. ¿Cuáles son los tres tipos de petróleo crudo, que se extraen en México? ( ) a) Maya, zapoteca y olmeca b) Istmo, olmeca y maya c) Olmeca, istmo y tolteca d) Maya, istmo y azteca 5. Proceso por el que se refina el petróleo ( )

6. La fracción sólida del petróleo esta: ( )

a) Formada por residuos pesados como los asfaltos y los alquitranes que por destilación seca se obtienen a temperatura mayor de 1000°C,

b) Formada por los hidrocarburos que se obtienen en intervalos de temperatura que van de 40°C a 405°C: gasolina, queroseno, diesel, aceites ligeros, lubricantes ligeros y aceites pesados.

c) Formada por metano, etano, propano, butano, pantano e hidrocarburos ligeros que se obtienen a 40°C.

d) Formada por aceites pesados y residuos pesados como los asfaltos y los alquitranes que por destilación seca se obtienen a temperatura en un rango de 400-1000°C.

7. Elemento que se encuentra presente en el petróleo en un 14% es el: ( ) a) Hidrógeno b) Carbono d) Oxígeno c) Azufre 8. El principal contaminante del petróleo que se encuentra en los yacimientos es:( ) a) Oxígeno b) Plomo c) Azufre d) Bióxido de carbono

a) glucosa, madera y poliéster b) madera, nylon y plásticos c) seda, almidón y celulosa d) nylon, poliéster y anilina.

a) Destilación simple b) Destilación fraccionada c) ósmosis d) Cromatografía

85

9. Fracción del petróleo cuyo tamaño de molécula no excede a los 12 carbonos ( ) a) Parafinas b) Gas c) Asfaltos d) Lubricantes 10. El átomo de carbono tiene en su último nivel de energía: ( ) a) dos electrones b) seis electrones d) tres electrones c) cuatro electrones 11. Los compuestos con la misma fórmula condensada pero diferente representación estructural reciben el nombre de: ( ) a) Isótopos b) Alótropos d) Isómeros c) Alcanos 12. El acetileno es un gas muy importante para la industria química. La hibridación y tipos de enlace que presentan sus dos átomos de carbono son: ( ) a) sp3 y sólo enlaces sigma b) sp2 y sólo enlaces sigma c) sp y dos enlaces pi y un enlace sigma d) sp2 y enlaces sigma y pi 13. Los carbonos con doble enlace se unen entre sí: ( ) a) Con dos uniones sigma b) Con una unión sigma y una pi c) Con dos uniones pi

d) Con enlaces sp3

14. El carbono puede formar 4 enlaces covalentes porque posee ( ) a) 2 electrones de valencia b) 4 electrones de valencia c) 6 electrones de valencia d) 8 electrones de valencia 15. ¿Cuál es la configuración electrónica del carbono? ( ) a) 1s2, 2s2, 2p2 b) 1s2, 2s1, 2p1 d) 1s2, 2s1, 2p2 c) 1s1, 2s2, 2p2 16. ¿Cuál es la geometría en los alcanos? ( ) a) tetraédrica b) lineal d) plana c) trigonal 17. Los siguientes compuestos de fórmula condensada C3H6O son isómeros de: ( ) a) De función

C

CH2

H3C

O

H

C

CH3

O

CH3

b) De cadena c) De posición d) Ópticos

18. Selecciona la opción que corresponde a la formula condensada y semidesarrollada del butano. ( )

a) C4H10, CH3-CH2-CH3 b) C3H6, CH3-CH2-CH2-CH3

c) C4H10, CH3-CH2-CH2-CH3 d) C3H4, CH3-CH2-CH

19. ¿Cuál de los siguientes compuestos es el radical butilo? ( ) a) CH3- b) CH3-CH2-

c) CH3-CH2-CH2- d) CH3-CH2-CH2-CH3

20. El etileno es el alqueno más sencillo, selecciona la opción que presente algunas de sus características. ( )

86

a) 3 en sus carbonos, adquiere una geometría tridimensional.

b) 2

y geometría trigonal plana. c) 3

en sus carbonos, adquiere una geometría tridimensional tetraédrica. d) Cada carbono tiene hibridación sp, dos uniones sigma (s), presenta un ángulo de 180°

y por lo tanto geometría lineal. 21. Los compuestos orgánicos que presentan un enlace triple son: ( ) a) alcanos b) alquenos c) alquinos d) cetonas 22. ¿Cuál es el nombre del compuesto? ( ) CH3-CH2-CH2-CH2 – NH – CH2CH3

a) Hexanamina b) Butil etilamina c) Dietil amina d) Dimetil amina 23. Identifica el siguiente grupo funcional: ( ) a) Cetona b) Aldehído R- C- R

║ O

c) Ácido d) Éster

24. Escribe las estructuras semidesarrolladas de los isómeros estructurales que corresponden al siguiente alcano (C5H12). 25 Lista los siguientes alcanos en orden decreciente se su temperatura de ebullición

a) n-pentano b) 2-metil-butano c) 3-metil-hexano d) n-hexano e) n-heptano f) 2-metil-pentano g) 3,3-dimetil-pentano

________________, ________________, _______________, _____________ ________________, ________________, _______________ 26. Selecciona la ecuación química que represente la reacción entre el etileno y el ión permanganato ( )

a) H2C CH23 + 2 MnO4- (ac) + 4H2O(l) 3 + 2MnO2(s) + 2OH-(ac)CH3-CH3

b) H2C CH23 + 2 MnO4- (ac) + 4H2O(l) 3 + 2MnO2(s) + 2OH-(ac)HO-CH2-CH2-OH

c) H2C CH23 + 2 MnO4- (ac) + 4H2O(l) 3 + 2MnO2(s) + 2OH-(ac)CH3-CH2-OH

d) H2C CH23 + 2 MnO4- (ac) + 4H2O(l) 3 + 2MnO2(s) + 2OH-(ac)CH3-CH2-COH

87

27. ¿Cuál es la ecuación química que describe la reacción entre el etileno y el bromo? ( )

a) H2C CH2 Br2 CH3 CH3 Br2

b) H2C CH2 Br2 Br CH2 CH2 Br

c) HC CH Br2 Br CH2 CH3Br2

d) HC CH Br2 HC CH BrBr 28. Da el nombre de los siguientes hidrocarburos

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

HHH

HH

HH

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

HH

H

H

H

1)___________________________ 2______________________________

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 3)_____________ 4)_________________ 5)____________________

29. Relaciona las fracciones de hidrocarburos del petróleo, que se nombran en la columna derecha, con el tamaño límite de las moléculas que las forman y escribe dentro del paréntesis de la columna izquierda la respuesta correcta.

Fracciones de hidrocarburos del petróleo

Límites del tamaño de las moléculas

a) Gas

( ) C1 a C5

b) Gasolina

( ) C20 y más.

c) Queroseno, y combustóleo ( ) C12 a C18

d) Lubricantes

( ) C5 a C12

e) Parafinas

( ) C16 y más

f) Asfalto

( ) C36 y más

30. El siguiente compuesto fue aislado a través de una destilación ligera de la Mezcla Mexicana de petróleo. Completa la siguiente tabla:

88

Estructura

CH5

CH26

CH21

CH22

CH3

CH4

C7

C8

CH2

9

CH310

Tipo de enlace (sigma , pi ) que se forma entre los átomos de carbono números:

Tipo de hibridación (sp, sp2, sp3)

a) 1-2 ________________ b) 5-4 ________________ c) 4-3 ________________ d) 7-8 ________________ e) 9-10 ________________

_____________

_____________

_____________

_____________

_____________

31. De los siguientes hidrocarburos indica ¿cuál de ellos reacciona primero con agua de bromo?

C

C

HH

H HH

H

C C

H

H H

H C CH H 32. Relaciona las siguientes columnas 1.

C

CH2

H3C

O

H

( ) propanol ( ) propanona ( ) propanol ( ) ácido butanoico ( ) propanamida ( ) propilamina ( ) dimetil éter ( ) ácido propanoico ( ) metoxietano ( ) propanoato de metilo

2. CH3-O-CH3 3. CH3-CH2-CH2COOH 4.

C

CH2

O

OCH3

H3C

5. CH3-CH2-CH2OH 6.

C

CH2

H3C

O

OH 7.

C

CH3

O

CH3 8. CH3-CH2-CH2-NH2

89

9.

C

CH2

H3C

O

NH2 10. CH3-O-CH2-CH 3

Ejercicios sobre Alquenos Da nombre a los siguientes alquenos

A)

B)

C)

D)

E)

H3C

CH2

CH2

CH

C

CH

CH2

CH3

CH3

H2C

CH3

H2C

CH2

CH2

C

C

CH2 CH2

CH3

CH2

CH3

H3C

CH

CH2

CH

C

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3C

H2CCH3

H3C CH3

CH2

CH3

H3C

CH2

C

HC

CH2

Br

H2C

H2C

CH

C

CH2

C

CH3

CH2

CH2

CH2

CH3

CH2CH3

BrBr

CH3

90

Ejercicios sobre Alquinos

Da nombre a los siguientes alquinos

H3C

C

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

C

C

H3C CH3CH3

CH3

A)

B)H3C

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

C

CH3

C)H3C

CH

CH2

CH2

C

C

CH2

CH2

CH3

CH3

D)

H3C

CH2

CH

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CH3

H2C

CH3

C

CH

E)

CH

C

C

CH2

CH2

CH3CH2

H2C

H2C CH2

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Anonimo. (2008) Química de los compuestos del carbono. En la URL: http://www.fisicanet.com.ar/quimica/organica/ap01_carbono.php. Última revisión 8 de mayo de 2008.

2. Brady, J.E. 2001. Química Básica. Principios y estructura. 2ª ed. Ed. Limusa-Willey. México, D.F., México. 994 pp.

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4. Brown. T. L. LeMay. H. E. Bursten. B. E. (2003) Química. La ciencia central. Prentice Hall Hispanoamericana. S. A. México.

5. Chow, S.P. 2002. Petroquímica y sociedad. 3ª ed. Col. La ciencia para Todos ·No. 39. Ed. Fondo de Cultura Económica. México, D.F., México. 193 pp

6. Devore. G. y Muñoz Mena. E. (1970). Química Orgánica. Limusa. México.

91

7. Dickson. T. R. (2002). Química Enfoque Ecológico. Limusa. México 8. Diningrado, L., Gregg, K.V., Hainen, N. y Wistrom, C. 2002. Química Materia y

Cambio. 1ª ed. Ed. McGraw-Hill Interamericana. Bogotá, Colombia. 696-735. 9. Domínguez, X.A. 1990. Química Orgánica. 1ª ed. Ed. Compañía Editorial

Continental. México, D.F., México. 549 pp. 10. Fox, M.A., Whitesell, J.K. 2000. Química Orgánica. 2a ed. Ed. Addison-Wesley-

Longman. Naucalpan, Edo.Mex., México. 22-86. 11. Guía y material de autoestudio para preparar el examen extraordinario de

Química IV Revisión y Actualización Francis Navarro León Junio 2011. 12. Graham. S. T. W. (1998). Fundamentos de Química Orgánica. Limusa México. 13. Kotz, J.C., Treichel, P.M. y Weaver, G.C. 2005. Química y reactividad química. 6a

ed. Ed. Thomson. México, D.F., México. 378-405. 14. Morrison. R. T. and Boyd. R. N. (1995). Química Orgánica. México. Fondo

Educativo Interamericano. 15. Montaño, E.A. 1994. Petroquímica y sociedad. En: Fernández, R.F. Editor. La

química en la Sociedad. Ed. Universidad Nacional Autónoma de México – Facultad de Química. México, D.F., México. 131-162.

16. Morrison, R.T., Boyd, R.N. 1996. Química Orgánica. 5ª ed. Ed. Addison- Wesley Iberoamericana. Boston, Massachussets, EEUUA. 1474 pp

17. Petrucci, R.H., Harwood, W.S. y Herring, F.G. 2003. Química General. 8ª ed. Ed. Prentice Hall. Madrid, España. 1058-1078.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS DE LAS IMÁGENES QUE ILUSTRAN LA GUÍA Y MATERIAL DE AUTOESTUDIO

1. Brown. T. L. LeMay. H. E. Bursten. B. E. (2003) Química. La ciencia central. Prentice Hall, Hispanoamericana. S. A. México.

2. L. Dingrando, K.V., Gregg, N. Hainen, C. Wistrom, (2009), Química. Materia y Cambio, Mc Graw Hill, México.

3. Ebbing, (1996), Química General, MC Graw Hill, México. 4. Gimeno Guillén, Tapias Rico, Canales Tejedor, Lalinde Fernández, (1999),

Química, Bachillerato, Proyecto Liceo, Laberinto, Madrid. 5. Moore. Stanitski. Wood.Kotz. (2004), El mundo de la Química. Conceptos y

aplicaciones, Pearson Educación, México. 6. Navarro, L., F., Guizar, M., G., Vega, G., (2004) Guía y Material de Autoestudio

para preparar el exámen extraordinario Química IV, CCH Sur, UNAM. 7. Phillips,Strozak y Wistrom (2009) Química Conceptos y aplicaciones, Mc Graw

Hill, México. REFERENCIAS ELECTRÓNICAS Web site:

1. http://derivadosdelpetroleo.blogspot.com 2. http://ocwus.us.es/quimica-organica/quimica-organica-

i/temas/7_alquinos/leccion16/pagina_09.htm 3. Rius, C.A.A. (2008a) Alquenos 1. Estructura y preparación. En la URL:

http://www.iocd.unam.mx/qo1/Mo-cap7.htm. Última revisión 8 de mayo de 2008. 4. Rius, C.A.A. 2008b. Metano. En la URL: http://www.iocd.unam.mx/qo1/MO-

CAP2.htm. Última revisión 8 de mayo de 2008. 5. Solomons, T.W.G. 2000. Química Orgánica. 2ª ed. Ed. Limusa-Wiley. Mexico, D.F.,

México. 93-107, 223-227. 6. UAM. 2008. Estructura general y nomenclatura. En la URL:

http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/docencia_red/qo/l1/const.html. Última revisión 8 de mayo de 2008.

92

UNIDAD 2 EL MUNDO DE LOS POLIMEROS2

¿QUÉ SON LOS POLIMEROS Y POR QUÉ SON TAN IMPORTANTES? El primer punto que debemos dejar en claro cuándo hablamos de polímeros es: ¿a qué nos referimos exactamente? ¿Qué es un polímero y qué no lo es? Por lo general, la palabra polímero se emplea cuando hablamos de moléculas cuyo peso molecular (o tamaño) está en el rango de varios miles o más. Bastante simple, ¿no? El consumo de polímeros o plásticos ha aumentado considerablemente en los últimos años. Estos materiales han sustituido parcial y a veces totalmente a muchos materiales naturales como la madera, el algodón, el papel, la lana, la piel, el acero y el concreto. Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son los precios de muchos materiales plásticos que son competitivos y a veces inferiores a los de los productos naturales, y el hecho de que el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes naturales. ¿Sabias que sólo el 4% del total del petróleo que se extrae se destina a la industria del plástico y el 3 % a la industria química, mientras que casi todo el resto básicamente se quema como combustible para transporte o sistemas de calefacción o energía? Este aumento en el consumo de los plásticos lo comprobamos al observar que en 1974 se consumían 11 kilogramos por individuo, pero en 1990 el consumo mundial fue de 34.5 kilogramos per capita. En 1979 los automóviles se construían usando un promedio de 4.5% de materiales plásticos, o sea alrededor de 80 kilogramos / automóvil. En 1980, este porcentaje subió hasta 10% del peso total, o sea 125-150 kilogramos/automóvil; de acuerdo con estimaciones de expertos, hay aproximadamente 1000 piezas de plástico de todas las tallas en un auto promedio. Sin embargo, una característica que no debemos olvidar de los plásticos utilizados en la industria automotriz, es la posibilidad que otorgan de hacer más ligero el vehículo y con ello mucho menos contaminante. Según datos, Europa occidental consumió cerca de 26 millones de toneladas de plásticos en 1995, donde el 7 por ciento (casi 2 millones de toneladas) fueron utilizadas en la fabricación de autos. Ésta es una forma de describir la importancia de la industria de los plásticos en el sector automotriz.

2 Las imágenes que se presentan en el desarrollo de esta unidad temática fueron seleccionadas de

los textos y de los sitios Web que se citan como “Bibliografía de las imágenes seleccionadas” al final de la Guía y Material de Auto – estudio

93

Ejercicios para aplicar conocimientos 1. ¿Cuáles son los materiales que los polímeros termoestables (los plásticos) han

sido desplazados y a que se debe esta tendencia? 2. ¿Cuáles son las ventajas que presentan los polímeros comparado con otros

materiales como el vidrio y los metales, principalmente? Los polímeros son sustancias orgánicas de gran tamaño y peso molecular elevado (macromoléculas), formados por la unión química de una gran cantidad de moléculas básicas pequeñas llamadas monómeros o unidades estructurales (de bajo peso molecular) que se repiten y se unen mediante el proceso de polimerización. Los plásticos (que significa “capaz de ser moldeado o flexible”) o polímeros termoestables, las fibras, los adhesivos, el vidrio y la porcelana son polímeros sintéticos, la fuente más importante de materias primas para su producción es el petróleo.

Ejercicios para aplicar conocimientos

3. ¿Por qué es importante la industria de los polímeros? 4. Menciona por lo menos diez productos de plástico de uso cotidiano 5. ¿Qué son los polímeros y cuáles son sus principales características?. 6. ¿Qué es una macromolécula? 7. ¿Qué es un monómero’ 8. ¿A qué se le llama polimerización?

CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS EN NATURALES Y SINTÉTICOS Polímeros Naturales Antes del desarrollo de los polímeros sintéticos el hombre utilizaba un gran número de sustancias orgánicas presentes en la materia viva como las proteínas, la madera, el caucho, la lana, el algodón, la pectina y las resinas. Todas ellas se les conoce como polímeros naturales. Por ejemplo, el polímero o hule natural, látex, que se conoce desde hace siglos, se encuentra en el guayule mexicano y se utilizaba para hacer pelotas; sin embargo, a altas temperaturas se tornaba blando, pegajoso y rígido, y cuando la temperatura descendía se volvía quebradizo. Otro polímero natural importante es la celulosa contenida en los vegetales y en la madera y a partir de la cual en 1860 se empezaron a obtener los llamados plásticos semi-sintéticos.

94

Lectura CTS y cuidado del Ambiente

TIPOS DE PLASTICOS MEXICO

En México se consumen más de 200,000 botellas de plástico cada hora, y las tendencias de empaques en bienes de consumo han provocado que esta cifra se incremente día a día. Existen más de 50 tipos diferentes de plásticos, dentro de los cuales 7 son los más comunes:

1 Polietileno Tereftalato (PET) 2 Polietileno Alta Densidad (PEAD) 3 Cloruro de Polivinilo (PVC) 4 Polietileno Baja Densidad (PEBD) 5 Polipropileno (PP) 6 Poliestireno (PS) 7 Otros plásticos El número que indica la clasificación de todo envase plástico se localiza en el fondo del mismo. Cuando tus compras sean pequeñas, no aceptes bolsas, mejor lleva tus propias bolsas de tela, malla o tu canasta para poner los productos. Procura no comprar envases plásticos que no sean reciclables (los cuales tienen el número de clasificación 7 en el fondo). Enjuaga las botellas, sepáralas por tipo de plástico y llévalas al centro de acopio más cercano. Recipientes de plástico (agua, leche, jabón, jugo, etc.) La mayoría de los recipientes de plástico que usted compra vienen marcados con un código de reciclaje grande y claro. Busque el código que está grabado en el fondo del recipiente. Idealmente todo el recipiente estará elaborado del mismo plástico a fin de evitar confusión. La mayoría de las tapas de los recipientes NO se elaboran del mismo tipo de plástico y se las debe quitar antes de reciclar el recipiente. Bolsas de plástico de supermercados, bolsas para vegetales y otros tipos de plástico Comúnmente las bolsas de plástico de supermercados y las bolsas para vegetales se elaboran de plástico de los tipos 2 ó 4, y con frecuencia se recolectan en supermercados. Pero tome en cuenta que muchos fabricantes todavía no han agregado a las bolsas los códigos de reciclaje. Los contenedores para recolección de bolsas de plástico que hay en los supermercados también se deben marcar con los tipos y los colores de plástico que se aceptan. Comúnmente, los tipos 2 y 4 se pueden mezclar, aunque no siempre. Si las bolsas o los contenedores de su supermercado no están marcados, por favor pídale al gerente de la tienda que lo haga. Las bolsas de plástico para otros productos tales como pan, pasta, bombones, etc., con frecuencia son de los tipos 2 ó 4, pero no lo sabrá a menos que se les marque. Si las bolsas no son reciclables, se les debe marcar tipo 7. Otros objetos de plástico Todos los productos hechos de un solo tipo de plástico deben ser marcados ya que probablemente se les desechará algún día. Esto incluye juguetes, ganchos de plástico, botes de basura, estantes y muchos productos más. Los productos tales como los discos compactos, videocintas y discos de computadora son hechos de materiales mezclados que no se pueden reciclar, a menos que se les desensamble primero. Sitio Web: http://biodegradable.com.mx/tipos_plasticos_mexico.html

95

Polímeros Sintéticos Los polímeros termoestables (conocidos como macromoléculas), llamados comúnmente plásticos, están formados por un gran número de moléculas básicas llamadas monómeros, los cuales se unen mediante un proceso conocido como polimerización, como se podrá observar en la siguiente representación.

C C

H

HH

H

+ +

+ +

... ...C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C C C

H

H

C

H

H

HH

H H

H

H

C C C C

H

H

C

H

H

HH

H H

H

H

... ...

PolietilenoEtileno

... .........

En 1839, Good Year descubrió que al mezclar látex con azufre y llevarlo a una cierta temperatura, se producía una sustancia flexible (se podía doblar y estirar sin romperse) que a diferencia del hule natural que es blando y poco elástico. Este proceso químico se conoce como vulcanización a través del cual se fabrica hule sintético. Setenta años después se sintetizo una sustancia parecida al caucho a partir del butadieno.

Actualmente se sintetizan polímeros como el nylon, el poliéster y el polietileno, todos ellos son polímeros no naturales. El químico Leo Baekeland, en 1909, obtuvo el primer plástico 100% sintético, la bakelita, a partir del fenol y formaldehído. Esta sustancia adquirió importancia como un plástico y resina para adhesivos y pinturas

¿CÓMO ES LA ESTRUCTURA QUÍMICA DE LOS POLÍMEROS?

¿Que son los polímeros? Aunque existen distintos tipos de plásticos (polímeros termoplásticos que se pueden moldear mediante presión y temperatura), productos de distintos procesos de fabricación, podemos destacar que todos tienen como característica común la de hallarse constituidos por macromoléculas, o sea moléculas muy largas que resultan de la unión de numerosos grupos de átomos (a carbonos, principalmente), todos ellos iguales, que repiten la misma fórmula o motivo elemental del cuerpo de donde provienen. A éste último se le llama monómero y al que resulta de la unión de sus moléculas, polímero.

96

Por ejemplo, en el polipropileno, la cadena principal está constituida por sólo dos átomos de carbono que se repiten una y otra vez. Uno de los átomos de carbono está unido a dos átomos de hidrógeno, y el otro está unido a un átomo de hidrógeno y a un grupo metilo. Esta unidad constituida por un átomo de carbono (C) con dos de hidrógeno (H), seguida por un átomo de carbono con uno de hidrógeno y un grupo metilo, se repite una y otra vez a lo largo de la cadena principal. Esta pequeña estructura que

se reitera se llama estructura repetitiva o mejor dicho, unidad repetitiva. Para simplificar las cosas, por lo general sólo representamos una unidad de la estructura repetitiva, como la siguiente:

La unidad repetitiva se encierra entre paréntesis y el subíndice “n” indica el número de unidades repetitivas en la cadena polimérica.

¡Preguntas para aplicar conocimientos! 9. ¿Cuál es la diferencia entre monómero, polímero? 10. ¿Qué es una unidad repetitiva de un polímero?

Actualmente los polímeros son importantes por sus aplicaciones, a continuación te presentamos un cuadro en el que se muestra:

fórmula y nombre del monómero

fórmula de la unidad estructural del polímero

nombre del polímero

usos En el mundo de los polímeros, una reacción donde se enlazan unidades de monómeros formando un polímero se llama polimerización. El grupo de átomos

97

repetidos formado por la unión de los monómeros se le llama unidad estructural del polímero. Son dos los tipos de reacciones de polimerización que estudiaremos: la polimerización por adición y la polimerización por condensación como se muestra en la tabla.

Monómeros y polímeros

Monómero(s) Unidad estructural del polímero Aplicación

Adición

C C

H

HH

H

Eteno (etileno)

C

H

H

C C C C

H

H

C

H

H

HH

H H

H

H

n Polietileno

Películas, empaques botellas.

Condensación

C C

HH

H H

HO OH

1,2-Etanodiol (Etilenglicol)

C

O

OHC

O

HO

Ácido tereftálico

C

O

O CH2 CH2C

O

On

Tereftalato de polietileno

Cuerdas para neumáticos, cintas magnéticas, ropa, botellas para bebidas.

¿COMO SE OBTIENEN LOS POLÍMEROS SINTETICOS?

Procesos químicos para la obtención de los polímeros Los procesos para la producción de polímeros pueden clasificarse en dos:

La polimerización por adición

La polimerización por condensación

REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN POR ADICIÓN Durante la polimerización por adición, los enlaces covalentes (insaturados) se rompen por efecto de la temperatura, es decir el doble enlace de cada molécula (por ejemplo H2C = CH2) “se abre” y dos de los electrones que originalmente participaban en el enlace original se utilizan para formar nuevos enlaces sencillos –H2 C - CH2 – con otras moléculas. Esta reacción se caracteriza porque las moléculas de monómero se unen entre sí, sin que se pierda ningún átomo. Algunos polímeros obtenidos por este proceso son el policloruro de vinilo (PVC), acrílicos, polietileno de baja densidad (PEBD),

98

polietileno de alta densidad (PEAD), polipropileno (PP), poliestireno (PS), entre otros.

Monómeros y polímeros Polímero Unidad estructural del polímero Aplicación/Usos

Polietileno (PE)

(PEBD) (PEAD)

C

H

H

C C C C

H

H

C

H

H

HH

H H

H

H

n

Bolsas y papel de envoltura, plásticos, recipientes para alimentos, juguetes para niños, biberones

Cloruro de polivinilo (PVC)

C

H

Cl

C C C C

H

Cl

C

H

H

HH

H Cl

H

H

n

Tubería plástica, papel para carnes, tapicería, impermeables para la lluvia, cercas domésticas, mangueras para jardín.

Poliacrilonitrilo (orlón)

C

H

CN

C C C C

H

CN

C

H

H

HH

H CN

H

H

n

Tejido para ropa y tapicería, alfombras.

Polipropileno (PP)

C

H

CH3

C C C C

H

CH3

C

H

H

HH

H CH3

H

H

n

Recipientes para bebidas, cuerdas, redes de pesca, artículos de cocina.

Poliestireno

C

H

C C C C

H

C

H

H

HH

H

H

H

n

Empaques y aislantes de espuma, recipientes para plantas , recipientes desechables para alimentos, juegos de moldes

Politetrafluoroetileno

C

F

F

C C C C

F

F

C

F

F

FF

F F

F

F

n

Cubiertas antiadherentes, protectores, lubricantes.

Polimetilmetacrilato

C

R

CH3

C C C C

R

CH3

C

H

H

RH

H CH3

H

H

n

R= C

O

OCH3

Ventanas irrompibles, lentes económicos, objetos de arte.

99

ETAPAS O FASES DE LA REACCIÓN DE POLIMERIZACIÓN: INCIACIÓN, PROPAGACIÓN Y TERMINACIÓN En la polimerización del etileno, los radicales libres, inician, propagan y terminan la formación de un polímero por adición. FASE DE INICIACIÓN

1) Disociación homolítica de un peróxido, dando radicales libres alcoxilos

RO OR 2RO

2) Adición del radical alcoxilo al doble enlace C = C dando un nuevo radical

C C

H

HH

H

2RO + C C

H

HH

H

RO

FASE DE PROPAGACIÓN

3) Adición del radical producido en la etapa 2 a una nueva molécula de etileno

C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

El radical formado en la etapa 3 se adiciona a una tercera molécula de etileno, y el proceso continúa formándose largas cadenas de grupos metileno.

C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

+ n C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

n

FASE DE TERMINACIÓN

Choque de dos radicales para dar una especie neutra

100

C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

n

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

n

OR+

C C

H

HH

H

RO C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

C C

H

HH

H

n

OR

REACCIONES DE POLIMERIZACION POR CONDENSACION

La polimerización por condensación tiene lugar cuando monómeros que contienen por lo menos dos grupos funcionales (grupos funcionales activos) reaccionan químicamente y se libera una molécula inorgánica de bajo peso molecular (sencilla) la cual a menudo es agua (H2O) o metanol (CH3OH). Ejemplos de polímeros sintéticos obtenidos por este método son el PET, el poliuretano y el Nylon 6,6, entre otros, que se muestran en la siguiente tabla.

Monómeros y polímeros

Polímero Unidad estructural del polímero Aplicación/Usos

Polietilentereftalato (PET, dacrón, mylar)

C

O

O CH2 CH2C

O

On

Botellas de bebidas gaseosas, cordón para neumáticos, telas, cintas de grabación, restauración de vasos sanguíneos.

Nylon 6,6

C

O

(CH2)4 C

O

NH (CH2)6 NHn

Tapicería, ropa, alfombras, cordel de pesca, engranajes pequeños, rodamientos.

Poliuretano

C N N C

OO

O CH2 CH2

H H

n

Cojines de espuma para muebles, cubiertas a pruebas de agua, partes para calzado.

Un ejemplo de reacción de polimerización por condensación es la obtención del Nylon 6,6

101

HOOC (CH2)4 COOH + NH2 (CH2)6 NH2n n

Ácido adípico 1,6-diamino hexano

C

O

(CH2)4 C

O

NH (CH2)6 NHn

Nylón-6,6

+ H2On

Preguntas para aplicar conocimientos 11. ¿Cuáles son los procesos por los cuales se pueden obtener los polímeros?

Mencione ejemplos de polímeros que se obtienen por estos métodos. 12. ¿Cuáles son las principales diferencias entre los procesos de obtención de

polímeros?

CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS Cuando un polímero se forma por medio de uniones entre sí de un solo tipo de molécula pequeña o monómero, se le llama homopolímero. Cuando los polímeros contienen más de una clase de monómeros se llaman copolímeros. Imaginemos dos monómeros que llamaremos A y B, donde A y B pueden constituir un copolímero de distintas maneras. 1. Copolimeros Alternados Cuando los dos monómeros están dispuestos según un ordenamiento alternado, el polímero es denominado obviamente, un copolímero alternante o alternado:

2. Copolímeros en bloque.

En un copolímero en bloque, todos los monómeros de un mismo tipo se encuentran agrupados entre sí, al igual que el otro tipo de monómeros. Un copolímero en bloque puede ser imaginado como dos homopolímeros unidos por sus extremos.

102

Preguntas para aplicar conocimientos 13. Respecto a su estructura ¿cómo se clasifican los polímeros? 14. ¿Cuáles son las diferencias entre los polímeros lineales, entrecruzados y los

reticulados? 15. ¿Que es un homopolímero? 16. ¿Que es un copolímero? 17. ¿Cómo se clasifican los copolímeros y cuales son las diferencias entre ellos?

¿POR QUÉ LOS POLÍMEROS TIENEN TAN DIVERSAS PROPIEDADES?

De acuerdo a las propiedades de los polímeros, estos se pueden clasificar de diferentes formas: reticulares y lineales, de alta y baja densidad, termoplásticos y termoestables (resistencia al calor y temperatura de fusión). Las principales características que hacen de los polímeros materiales adecuados para infinidad de aplicaciones son:

Bajo peso

Posibilidad de obtener variedad de colores y texturas

Asilamiento eléctrico y acústico

Buenas propiedades mecánicas

Posibilidad de estar en contacto con alimentos sin contaminarlos

Bajo precio La mayoría de los polímeros están constituidos de tal manera que sus moléculas conforman miles de átomos dispuestos en largas cadenas lineales. Pero no tienen por qué ser necesariamente cadenas rectas. Los polímeros pueden presentar también muchos otros ordenamientos. ¿Qué tal si vemos algunos?

POLÍMEROS RETICULADOS O ENTRECRUZADOS Las cadenas pendientes tienen algunas particularidades extrañas. A veces, ambos extremos de las cadenas pendientes se encuentran unidos a las cadenas principales de moléculas poliméricas separadas. Si existe un número suficiente de cadenas pendientes unidas a dos moléculas poliméricas, puede suceder que todas las cadenas principales del polímero se encuentren entrelazadas mutuamente, formando un retículo gigantesco. Cuando esto ocurre, el polímero es en realidad una única molécula, ¡lo suficientemente grande como para tomarla con nuestras manos! Los polímeros como éstos se denominan polímeros entrecruzados. Muchos tipos de caucho, como el poliisopreno y el polibutadieno, son entrecruzados. Una cubierta de auto es en realidad una gigantesca molécula reticulada, tan grande que se necesitan dos manos para levantarla Ejemplo de un polímero entrecruzado.

103

POLÍMEROS LINEALES En su mayor parte, cuando hablamos de polímeros nos estamos refiriendo a moléculas con pesos moleculares de cientos de miles, o aún millones. También estamos hablando generalmente, de polímeros lineales. Un polímero lineal es una molécula polimérica en la cual los átomos se arreglan más o menos en una larga cadena. Esta cadena se denomina cadena principal.

Por lo general, algunos de estos átomos de la cadena están enlazados a su vez, a pequeñas cadenas de átomos. Estas cadenas pequeñas se denominan grupos pendientes. Las cadenas de grupos pendientes son mucho más pequeñas que la cadena principal. Normalmente tienen unos pocos átomos de longitud, pero la cadena principal posee generalmente cientos de miles de átomos.

POLÍMEROS RAMIFICADOS No todos los polímeros son lineales. A veces existen cadenas unidas a la cadena principal, cuya longitud es comparable con la de ésta. Esto se denomina polímero

104

ramificado. Algunos polímeros como el polietileno, pueden presentar estructuras tanto lineales como ramificadas.

Clasificación de los polímeros en base a su comportamiento al calor

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Debido a que los enlaces covalentes se rompen por efecto de la temperatura, los termoplásticos son polímeros de cadenas largas que al calentarse se ablandan y pueden volver a moldearse a presión. Representan el 78-80% de consumo total de los plásticos. A continuación se mencionan los más importantes y sus características más importantes.

Los polímeros llamados termoplásticos se agrupan en diferentes categorías como las siguientes:

105

1. POLIOLEOFINAS a) POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD)

i. Descripción: Dentro de los polímeros, el polietileno presenta la fórmula química más simple, constituida por carbón e hidrógeno. Se obtiene de la polimerización del gas etileno, producto del fraccionamiento del petróleo, mediante un proceso de alta presión. El polietileno es el plástico de mayor consumo a nivel mundial.

ii. Propiedades: El polietileno de baja densidad es un material flexible, de bajo peso, con buena resistencia a los productos químicos, no se rompe con los impactos, puede estar en contacto con alimentos y no permite el paso del agua a través de él.

iii. Aplicaciones: El mercado de mayor demanda de este plástico es para películas de empaque, laminaciones con otros materiales y para bolsas en general. Otras aplicaciones son en botellas para líquidos, tapas de botellas, juguetes, tubería de riego, recubrimiento de alambre y cable. En la siguiente tabla se mencionan los productos más importantes hechos con PEBD en el año de 1983.

b) POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD) i. Descripción: Este tipo de polímero también se obtiene a partir del gas de

etileno pero a diferencia del de baja densidad es polimerizado a baja presión con catalizadores Ziegler-Natta. Algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno, por lo que se llama polietileno ramificado, o de baja densidad, o LDPE.

ii. Cuando no hay ramificación, se llama polietileno lineal de alta densidad, o HDPE. El polietileno lineal es mucho más fuerte que el polietileno ramificado, pero el polietileno ramificado es más barato y más fácil de hacer.

Fragmento de una molécula lineal de polietileno o HDP

106

iii. Propiedades: Por presentar una mayor densidad que el polietileno de baja

densidad, este tipo presenta una mayor rigidez, dureza, mejor resistencia a todos los productos químicos, mejor resistencia a la temperatura, barrera al vapor de agua y también puede estar en contacto con alimentos.

iv. Aplicaciones: En el caso del polietileno de alta densidad existe una mayor variedad de usos con respecto al de baja densidad. Las aplicaciones más importantes se encuentran en artículos domésticos como cubetas, tinas, platos, y vasos; en envases como botellas para jugos, productos químicos, shampoos, productos farmacéuticos y depósitos de agua. También se fabrican cajas para refrescos, contenedores industriales, tarimas, juguetes, tapas y tubería. En la siguiente tabla se mencionan los productos más importantes hechos con PEAD en el año de 1983.

c) POLIPROPILENO (PP)

C C

H

CH3

H

H

C C

H

CH3

H

H

**n

polimerizaciónZieglar-Natta

propileno polipropileno i. Descripción: El propileno es un termoplástico perteneciente a la familia de

las polioleofinas, obteniendo por la polimerización del gas propileno. Los productos fabricados son translucidos y en el caso de las películas son altamente transparentes y brillantes, puede colorearse en cualquier tono y tiene la capacidad de ser metalizado.

ii. Propiedades: El polipropileno posee una alta resistencia a los ácidos y bases y a temperatura ambiente no hay ninguna sustancia orgánica que lo pueda disolver. Además, presenta resistencia a la temperatura. Tiene resistencia a la tensión, su resistencia al impacto es buena a temperatura ambiente, pero a bajas temperaturas es muy débil.

iii. Aplicaciones: Con el propileno se pueden fabricar una gran variedad de objetos, desde envases y empaques hasta artículos para la industria automotriz y electrónica. Las películas con utilizadas para empacar alimentos y productos secos, pudiendo ser metalizadas con versatilidad para el decorado, Se fabrica rafia para la confección de costales y para uso

107

industria, así como monofilamento para cuerdas. En la industria automotriz se emplea en ventiladores, conectores, cajas para acumuladores y partes interiores. Es utilizado en recipientes para alimentos, jeringas, y en algunos aparatos electrodomésticos.

d) VINÍLICOS a. Cloruro de Polivinilo (PVC)

C C HCl C C

H

Cl

H

H

C C

H

Cl

H

H

**n

acetileno

cloruro de vinilo cloruro de polivinilo

H H

i. Descripción: El PVC o Cloruro de polivinilo, es el termoplástico de mayor

versatilidad porque tiene la capacidad de modificar sus propiedades con la adición de varios productos químicos conocidos como aditivos. Los artículos resultantes pueden ser transparentes, translúcidos u opacos y su flexibilidad dependerá del contenido de un aditivo llamado plastificante.

ii. Propiedades: El Cloruro de polivinilo presenta una superficie brillante, facilidad de pigmentarse en una amplia variada de colores, alta resistencia al impacto combinada con buena resistencia a la tensión. Sus características de aislamiento eléctrico son altas. Presenta buena resistencia química a los ácidos, bases y solventes orgánicos. Puede estar en contacto con alimentos cuidando que los aditivos usados en la formulación no sean tóxicos. Otra característica importante es que todos los productos de PVC tienen la capacidad de auto extinguirse cuando se incendian.

iii. Aplicaciones: El PVC flexible tiene aplicaciones como producto transparente en películas para la envoltura de carnes, alimentos y empaque flexible. También para bolsas, porta credenciales y juguetes de playa, Como productos opacos se encuentran en suelas de zapato tenis, que también pueden ser transparente, en recubrimientos de alambre y cable. Además se fabrican telas vinílicas para tapicería y confección. Dentro de las aplicaciones más comunes del PVC cuando este es rígido se encuentra el área de envase y empaque en la que se fabrican botellas para aceite comestible, shampoo, jugo, vinagre, agua mineral, productos de limpieza y medicinas. Las tarjetas de crédito, de identificación y para otros fines, son de este material. En la siguiente tabla se mencionan los productos más importantes hechos con PVC en el año de 1983.

108

e) ESTIRÉNICOS

a. Poliestireno Cristal (PS)

C C

HH

H

C C

HH

H

**n

polimerización vinílica por radicales libres

estireno poliestireno

i. Descripción: El poliestireno cristal es el polímero base de la familia de los

polímeros de estireno. Se obtiene directamente de la polimerización del monómero de estireno dando lugar a un plástico de elevada transparencia y brillo superficial. Debido a su buen balance de propiedades y precio ha encontrado aplicación en múltiples sectores ocupando así el cuarto lugar del consumo global de plásticos en el mundo.

ii. Propiedades: Este plástico es muy fácilmente procesable. No obstante, presenta una baja resistencia al impacto que ocasiona que el material tienda a ser frágil y quebradizo. En cuando a resistencia química presenta estabilidad contra la mayoría de los ácidos inorgánicos, álcalis y sales. Es atacado por hidrocarburos clorados y aromáticos, ésteres y cetonas.

iii. Aplicaciones: Principalmente se utiliza en la fabricación de envases y empaques rígidos, por ejemplo vasos de gelatina, lácteos, también en estuches transparentes para distintos usos como cosméticos y joyería. Se fabrican en gran cantidad vajillas desechables incluyendo vasos, platos y cubiertos. Por otro lado, se han utilizado ampliamente en la fabricación de cajas para cassettes y diversas aplicaciones decorativas para el hogar, juegos de geometría para uso escolar y bolígrafos.

b. POLIESTIRENO EXPANSIBLE (EPS) i. Descripción: Este plástico tiene la característica de expandirse por la

acción del calor durante su procesamiento. Esto como resultado de impregnar al poliestireno durante su obtención con un agente expansor, generalmente n-pentano. Los productos moldeados con este plástico tienen una estructura celular de baja densidad, son de color blanco y presentan buenas propiedades de aislamiento térmico a muy bajas temperaturas. Este material comúnmente se le conoce con el nombre de “UNICEL”.

ii. Propiedades: Como se mencionó en el rubro anterior, este material presenta una alta capacidad de aislamiento térmico a muy bajas temperaturas, además de que es un material muy ligero, debido a que su densidad es muy baja.

iii. Aplicaciones: Principalmente se usa en sectores de empaque de artículos delicados ya que el EPS tiene la propiedad absorber golpes sin transmitirlos al producto empacado. Por lo mismo y debido a su buen aislamiento térmico también se utiliza para el empaque de frutas, vegetales y mariscos. En el sector de la construcción se ha utilizado para el aligeramiento de muros y

109

techos proporcionando además aislamiento térmico y acústico. Se utiliza en la fabricación de vasos desechables con propiedades de aislamiento térmico. Cuando se incorporan este material a la tierra, este proporciona la característica de retención de humedad y temperatura favoreciendo así los cultivos. En 1983, la producción de poliestireno en México, según los diferentes tipos, fue la siguiente: impacto, 52%; cristal, 35%; expandible, 13%.

f) ACRÍLICOS

a. Polimetilmetacrilato (PMMA)

C

C

CH3

CH2 C CH2 C

C

CH3

CH2

C

CH3n

O O O

OCH3 OCH3 OCH3

i. Descripción: El polimetilmetacrilato mejor conocido como acrílico se distingue principalmente por su sobresaliente claridad y transparencia comparada a la del cristal, así como su excelente resistencia al intemperismo. Se obtiene directamente de la polimerización del monómero de metil-metacrilato (MMA), aunque para grados especiales puede copolimerizarse con otros compuestos acrílicos como etil-acrilato.

ii. Propiedades: El acrílico presenta una transmisión de luz del 92%. Puede permanecer expuesto a la intemperie durante largos períodos de tiempo sin sufrir amarillamiento o rupturas, aunque para casos extremos existen grados especiales modificados con absorbedores de luz UV. Presenta resistencia química a la mayoría de los detergentes, soluciones alcalinas, ácidos e hidrocarburos alifáticos.

iii. Aplicaciones: El mercado más grande del acrílico es el de los anuncios promocionales y transformadores a pequeña escala. En el segmento de la construcción también encuentra aplicaciones decorativas, en ventanas, domos y fachadas. Actualmente se han desarrollado con éxito la fabricación de muebles sanitarios como lavamanos, tinas, jacuzzis y minerales. En la industria automotriz se utiliza principalmente en la fabricación de faros, calaveras, triángulos de seguridad, paneles de instrumentos. En aviación se utiliza en ventanas. En general se encuentra en diversas aplicaciones decorativas, artículos de oficina y artículos promocionales.

g) POLIAMIDAS a. Nylon 6 (PA 6)

110

i. Descripción: El Nylon 6 es el nombre genérico de un termoplástico perteneciente a la familia de las poliamidas que a su vez forman parte de los plásticos de ingeniería. El 6 indica el número de átomos de carbono incluidos en la molécula del monómero a partir del cual se obtiene. En el caso del Nylon 6 se trata de la caprolactama.

ii. Propiedades: Las diferentes clases de nylon o poliamidas se caracterizan por su resistencia a la tensión, rigidez y dureza. Una cualidad especial para estos materiales es su resistencia a grasas y aceites así como a la mayoría de productos químicos, además de que presenta muy buenas propiedades de barrera a gases. Tiene la característica de ser altamente higroscópicos y el nylon 6 es el que más humedad absorbe. Las propiedades del nylon 6 y del nylon 6/6, son básicamente las mismas y para muchas aplicaciones son indistintamente utilizados como resultados satisfactorios. Sin embargo, el nylon 6 presenta mayor resistencia al impacto que el nylon 6/6 y es más flexible.

iii. Aplicaciones: Con el nylon 6 se pueden fabricar engranes, rodamientos, poleas y conectores, para diversas aplicaciones en sectores automotriz, eléctrico-electrónico y doméstico. Se hacen también ventiladores, carcasas y mangos para herramientas. Por extrusión se recubren alambres y cables, se fabrica monofilamento y tubería para uso industrial y médico, se obtiene lámina y película para aplicaciones de envase y empaque. Por su buena resistencia química y baja permeabilidad a gases se emplea en envases para productos alimenticios. Por su buena resistencia térmica y química, el nylon 6/6 se utiliza en partes internas del motor de automóviles, por ejemplo, en tanques de radiador, depósitos para líquido de frenos, sujeta cables, y otros.

h) POLIÉSTERES a. Polietilentereftalato (PET)

C

O

O CH2 CH2C

O

On

grupo tereftalato grupo etileno

i. Descripción: El origen de este material fue esencialmente para la fabricación de fibra textil. Actualmente se presenta también en grados de

111

películas, botellas y cargado con fibra de vidrio para moldeo de piezas de ingeniería. Se obtiene a partir del ácido tereftálico y del etilenglicol mediante una reacción de polimerización por condensación modificando el grado de polimerización y peso molecular según el tipo de aplicación.

ii. Propiedades: Es un material altamente higroscópico. La fabricación de botellas requiere un proceso especial denominado inyección-soplo biorientado, y las características de los envases de PET son principalmente su elevada barrera a gases y aromas aunado a su apariencia transparente y brillante y su resistencia al impacto. También presenta elevada resistencia química.

iii. Aplicaciones: Como películas se emplea en laminaciones y otros materiales para empaque de productos envasados al alto vacío. Por su resistencia al rasgado y a productos químicos se aplica en fotografía, video, audio y rayos X. El uso del PET grado botella ha sido enfocado al envase de bebidas carbonatadas, conservas y cosméticos proporcionando largas vidas de anaquel. Las aplicaciones de ingeniería compiten directamente con las del PBT dirigidas principalmente a donde se requiera resistencia térmica y eléctrica, principalmente.

b. Policarbonato (PC)

C

CH3

CH3

OC

O

O

n

grupo carbonato

i. Descripción: El policarbonato es un tipo de plástico de ingeniería

transparente y susceptible de pigmentarse en una gran diversidad de colores.

ii. Propiedades: Este material se caracteriza por tener una resistencia al impacto superior a la de la mayoría de los plásticos, soporta elevadas temperaturas y es retardante a la flama. Es resistente a radiaciones ultravioleta y las condiciones de intemperismo aunque su resistencia química no es muy buena.

iii. Aplicaciones: Se emplea esencialmente para seguridad, como en ventanillas antibalas, señalización de emergencia, cascos, etc. Por sus buenas propiedades mecánicas, se fabrican carcasas de aparatos eléctricos y diversas piezas automotrices. Se usa en envases retornables (garrafones de agua purificada) y biberones para esterilización.

POLÍMEROS TERMOFIJOS O TERMOESTABLES Estos materiales se caracterizan por tener cadenas poliméricas largas y entrecruzadas, que al calentarse (aumentar la temperatura) no se ablandan formando una resina con una estructura tridimensional que no se funde. La temperatura a la que se exponen no logra romper los enlaces covalentes que

112

unen a los polímeros, es decir, polimerizan irreversiblemente bajo calor o presión formando una masa rígida y dura. Ésta es la diferencia básica entre los polímeros termoplásticos y los termofijos o termoestables. La baquelita y la melanina son ejemplos de este tipo de plásticos, ambos son resistentes a las bacterias (por lo que actúan como fuente de contaminación, no son biodegradables).

N

N

N

N

HH

N

N

H H

HH

N

N

N

N

HH

N

N

H H

HH

H

C

H

O

melamina

formaldehído

N

N

N

N

CH2

N

N

N

N

H2C

N

CH2

NCH2 CH2N

N

CH2

N

N

N

N CH2N

CH2

N

CH2

El cuadro siguiente describe las resinas termofijas más importantes y sus características más importantes.

Los polímeros termofijos pueden reforzarse para aumentar su calidad, dureza y resistencia a la corrosión. El material de refuerzo más usado es la fibra de vidrio. Ésta se usa en proporciones que varían entre 20 y 30%. El 90% de las resinas reforzadas son de poliéster. El resto lo constituyen los uretanos, fenólicos, melaninas y epóxicas.

1. URETÁNICOS Los poliuretanos son los polímeros mejor conocidos para hacer espumas. Si en este momento usted está sentado en una silla tapizada, el almohadón está hecho probablemente, de una espuma del poliuretano. Los poliuretanos son:

113

¡Mucho más que espuma!

a. Poliuretano Espuma Flexible(PUR-F) Por supuesto, los poliuretanos se llaman así porque en su cadena principal contienen enlaces uretano.

i. Descripción: La espuma flexible de poliuretano pertenece a la familia de los termofijos. Se caracteriza porque emplea como agente espumante el agua.

ii. Propiedades: Las espumas, por el hecho de ser materiales celulares presentan una elevada resistencia a la compresión, bajo peso, buena resistencia al impacto, a la tensión y a la flexión. Su densidad varía desde 0.017 g/cm3, cuando se realiza un espumado libre, hasta 0.070 g/cm3, cuando se trata de una espuma moldeada. Su color natural es blanco aunque tiende a tomar un color amarillo cuando se expone a los rayos ultravioleta.

iii. Aplicaciones: Este plástico tiene sus mayores aplicaciones en colchones, bajo alfombras, asientos para muebles y para la industria automotriz, empaque de artículos frágiles y en la industria del vestido.

2. SILICONES

a. Silicón (SI)

uretano

cadenas de uretano formando un poliuretano

114

i. Descripción: El silicón o silicones son materiales sintéticos constituidos de

combinaciones orgánicas de silicio. Se obtienen a partir de la hidrólisis de organoclorosilanos y se pueden presentar como líquidos viscosos que funcionan como aceites, antiespumantes, agentes desmoldantes o de impregnación; o bien como compuestos de moldeo.

ii. Propiedades: El polímero de silicón cuenta con una excelente elongación soportando temperaturas que van desde -80 hasta 250°C. Además posee buenas propiedades dieléctricas. En cuanto a su resistencia química no lo afectan los solventes orgánicos como son: los hidrocarburos clorados y aromáticos; lo atacan los ácidos fuertes y las bases fuertes solamente a elevadas temperaturas. También cuenta con una alta resistencia al intemperismo.

iii. Aplicaciones: Los elastómeros de silicón son utilizados en partes para automóviles tales como sellos herméticos para calentadores, alambre eléctrico para altas temperaturas. También se emplea en equipos médicos tales como mangueras para la transfusión de sangre, en implementos ortopédicos, siliconizado de frascos para envase de medicamentos y en recubrimientos para la construcción.

Preguntas para aplicar conocimientos 18. ¿Menciona las características principales que hacen posible la gran aplicación

de los materiales plásticos? 19. En función de su comportamiento al calor ¿cómo se clasifican los polímeros? 20. ¿Qué son los polímeros termoplásticos? De tres ejemplos de estos

materiales. 21. ¿Qué son los polímeros termofijos? De tres ejemplos de estos materiales. 22. ¿Cuáles son las dos principales diferencias entre el PEAD y PEBD? Menciona

sus propiedades y aplicaciones. 23. Da el nombre y dibuje el monómero del PVC y la unidad repetitiva. Mencione

sus principales propiedades y aplicaciones. 24. Da el nombre y dibuje el monómero del PS y la unidad repetitiva. Mencione

sus principales propiedades y aplicaciones. 25. ¿Cuál es el nombre del monómero y del polímero del cual esta hecho el

material que se conoce con el nombre de unicel? Mencione las principales aplicaciones del unicel.

26. Da el nombre y dibuje el monómero del PMMA y la unidad repetitiva. Mencione sus principales propiedades y aplicaciones.

27. Da el nombre y dibuje el monómero del Nylon y la unidad repetitiva. Menciones sus principales propiedades y aplicaciones.

28. De el nombre y dibuje la unidad repetitiva del PET Mencione sus principales propiedades y aplicaciones.

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29. ¿Cuál es el método de polimerización que se emplea para la obtención del PET y cuales son los dos reactivos que se utilizan? Menciones sus principales propiedades y aplicaciones.

30. ¿Cuál es el polímero que se le utiliza para hacer espumas? 31. ¿Cuáles son las principales características y aplicaciones de los polímeros de

silicón? Como podrás observar, con los ejemplos anteriores, con los polímeros sintéticos, se pueden obtener una gran variedad de estructuras moleculares, según sea el tipo de monómeros empleados y las necesidades que se quieran satisfacer, en otras palabras el hombre puede fabricar moléculas a la medida. Por ello, las propiedades (como la flexibilidad, densidad, resistencia a la tensión y a la temperatura) de las moléculas que se fabriquen a la medida dependerán principalmente de sus estructuras químicas, así que, también es posible diseñar estructuras con las características deseadas. Los polímeros por ser mas ligeros y fáciles de ser procesados, en ocasiones sustituyen a los metales y a los materiales inorgánicos, como por ejemplo las fibras, los plásticos, hules, adhesivos, pinturas, etc. Que además de ser indispensables en nuestra vida cotidiana, actualmente se utilizan en industrias como la electrónica, la biotecnología, óptica, etc. Un gran numero de materiales nuevos se obtienen a partir de mezclas de polímeros muy comunes y baratos por medio de la modificación de sus propiedades, procesamiento y estructuras químicas, pero también se obtienen de mezclas de polímeros y polvos muy finos de metales y /o vidrio.

¿EXISTEN DIFERENCIAS ENTRE LOS POLÍMEROS NATURALES Y LOS SINTÉTICOS? Como se abarcó en temas anteriores, los polímeros son moléculas de elevada

masa molecular, ésta varía de miles a millones de uma Los compuestos que se unen para dar origen a un polímero, reciben el nombre de monómeros, dichas macromoléculas son sustancias de origen natural o sintético. ¿Por qué usamos tantos polímeros hoy en día? Una razón radica en que son fáciles de sintetizar, otra consiste en que los materiales de partida para hacerlos no son costosos. Otra, aún más importante, es que los polímeros tienen una amplia gama de propiedades. Algunos pueden convertirse en fibras finas más suaves que la cera o tan fuertes como el acero. Los polímeros no se oxidan como el acero y muchos son más durables que materiales naturales como la madera. Otra razón de la gran demanda de polímeros es que son fáciles de moldear en diferentes formas o de convertirlos en fibras delgadas. No es fácil hacer lo mismo con metales y otros materiales naturales. Los polímeros tienen propiedades determinadas directamente por su estructura molecular.

uma unidad de masa atómica

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Las proteínas son polímeros naturales compuestos de aminoácidos enlazados entre sí de una forma específica. Los aminoácidos son moléculas orgánicas que tienen un grupo amino y un grupo carboxilo dichos grupos suministran sitios de enlace conveniente para unirse. Con la combinación de dos aminoácidos se produce una amida, liberando agua formando así un enlace peptídico. Esta es una reacción de condensación. Una cadena de diez o más aminoácidos unidos por enlaces peptídicos se llama polipéptido. Cuando una cadena alcanza una longitud de 50 aminoácidos, se llama proteína. Las proteínas cumplen con muchas funciones en las células vivas. Participan en las reacciones de catalización, transporte de sustancias, regulación de procesos celulares, formación de estructuras, digestión de alimentos, reciclaje de desperdicios e incluso sirven como fuente de energía cuando otras fuentes escasean. En la mayoría de los organismos, el mayor número de proteínas funcionan como

enzimas catalizadoras, catalizando las múltiples reacciones que ocurren en las células vivas. Un ejemplo de una enzima que puedes haber utilizado es la papaína, que se encuentra en la papaya, la piña y otras fuentes vegetales. La papaína es el ingrediente activo de muchos

ablandadores de carne. Cuando rocías la forma seca de la papaína en la carne húmeda activas la papaína, que rompe las fibras duras de la proteína en la carne, haciendo que la carne se vuelva más tierna.

PROTEÍNAS DE TRANSPORTE. Algunas proteínas participan en el transporte de moléculas más pequeñas por el cuerpo. La proteína hemoglobina, lleva el oxígeno en la sangre, desde tus pulmones hasta el resto del cuerpo. La hemoglobina es una proteína globular con cuatro cadenas de polipéptidos. En la figura uno, la estructura rectangular en cada cadena es un hemo, un grupo orgánico que contiene un ion hierro al cual se le une el oxigeno. La piel rosada de un cerdo se debe a la hemoglobina de su sangre.

un catalizador acelera una reacción química sin ser consumido en la reacción

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PROTEÍNAS ESTRUCTURALES

La única función de algunas proteínas es formar estructuras vitales para los organismos. La proteína estructural más abundante en los animales es el colágeno, que es una proteína fibrosa que consta de tres polipéptidos los cuales se enroscan entre sí formando fibras fuertes del tejido conectivo; es la proteína estructural más abundante en la mayor parte de los animales, presente en la piel, los ligamentos, los tendones y los huesos.

HORMONAS Son moléculas mensajeras que llevan señales de una parte del cuerpo al otro Algunas hormonas son proteínas.

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La insulina, es una pequeña hormona proteínica (51 aminoácidos) producidas por las células del páncreas. La falta de insulina produce la diabetes, una enfermedad en la cual hay demasiada azúcar en el torrente sanguíneo; debido a que la tecnología moderna ha hecho posible la síntesis de las proteínas en el laboratorio, algunas hormonas proteínicas se están produciendo para ser utilizadas como medicinas, la insulina es un ejemplo de ello. Las proteínas naturales y sintéticas se utilizan en muchos productos, desde ablandadores de carne y productos de limpieza, hasta productos para la salud y la belleza. Los carbohidratos son compuestos que contienen múltiples grupos hidroxilo (-OH) así como un grupo funcional carbonilo (C=O) y en otros casos un grupo aldehído (-CHO). Estas moléculas varían en tamaño de monómeros simples a monómeros compuestos de cientos o miles de unidades de monómeros. La pasta, la leche, la fruta, el pan y las papas son ricos en carbohidratos. La principal función de los carbohidratos en los organismos vivos es servir como fuente de energía, inmediata y almacenada

POLISACÁRIDOS En referencias de nutrición habrás visto polímeros de carbohidratos grandes, llamados carbohidratos complejos, otro nombre de un carbohidrato complejo es un polisacárido, el cual es un polímero de los azucares simples que contienen doce o mas unidades de monómeros. El mismo tipo de enlace que une dos monosacáridos en un disacárido los enlaza en un polisacárido.

¿Sabías que el uso de Facebook o Twiter libera la hormona Oxytocin?

Molécula semidesarrollada de insulina

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Los tres Polisacáridos importantes son: almidón, celulosa y glucógeno; los tres se componen exclusivamente de monómeros de glucosa.

C

C

C C

C

O H

OH

H

OH

OH

H

H

OH

CH2OH

C

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

C

O

H

OH

H

H

H

Forma cíclica Forma de cadena abierta

GLUCOSA Sin embargo esta es la única similitud, ya que los tres tienen propiedades y funciones distintas. Las plantas producen almidón y celulosa, el primero es una molécula blanda, soluble en agua, utilizada para almacenar energía. La celulosa es un polímero insoluble en agua que forma las paredes celulares rígidas de las plantas, como la madera.

GLUCÓGENO

Es la contraparte animal del almidón. Lo producen los animales para almacenar energía, principalmente en el hígado y en los músculos. ¿Cómo es posible que los tres polímeros se elaboren exclusivamente de los monómeros de glucosa y, sin embargo, tengan propiedades tan diferentes? La respuesta radica en como los enlaces que unen los monómeros se encuentran ordenados en el espacio. Debido a esta diferencia en la forma del enlace los humanos pueden digerir almidones pero no celulosa. Las enzimas digestivas no pueden ajustarse a la celulosa dentro de sus sitios activos debido al ajuste específico de llave-cerradura necesario para la acción enzimática. Por consiguiente la celulosa de las frutas, vegetales y granos que consumimos se llama fibra alimenticia por que pasa por el sistema digestivo casi sin modificarse.

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ALMIDÓN El almidón de las papas, la celulosa en las hojas de lechuga y el glucógeno en la carne son polímeros de la glucosa. La celulosa tiene una estructura lineal no ramificada semejante a una cerca de enlaces en cadena. Las moléculas de almidón pueden ser ramificadas o no ramificadas y el glucógeno es muy ramificado. Ácidos nucleícos son las moléculas que almacenan la información de la célula, desde el núcleo celular estas realizan sus principales funciones. Un ácido nucleíco es un polímero biológico cuya función es almacenar y transmitir información genética. El monómero que compone un ácido nucleíco se llama nucleótido. Cada nucleótido tiene tres partes: un grupo fosfato inorgánico, un azúcar monosacárido de cinco carbonos y una estructura que contiene nitrógeno, llamada base nitrogenada. En un ácido nucleíco el azúcar de un nucleótido esta enlazado con el fosfato de otro nucleótido por tanto los nucleótidos se encuentran hilados en una cadena o filamento que contiene grupos alternos de azúcar y fosfato. Los nucleótidos son los monómeros a partir de los cuales se forman los polímeros ácidos nucleícos

ADN contiene los planes maestros para la construcción de todas las proteínas del cuerpo en un organismo la estructura del ADN consta de dos cadenas largas de nucleótidos que giran formando una estructura en espiral. El ADN contiene cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina(A), guanina (G) timina (T), y citosina (C). Los pares de la base lado por lado están lo

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suficientemente cerca para formar puentes de hidrogeno entre ellos. La función del ADN es almacenar la información genética de una célula en el núcleo de la misma. Antes que la célula se divida el ADN se duplica de tal forma que la nueva generación de células obtenga la misma información genética determinando que las dos cadenas de la hélice de ADN son complementarias. ARN también es un ácido nucleíco su estructura general difiere del ADN en tres aspectos. El ADN contiene las bases de nitrógeno, adenina, citosina, guanina y timina. El ARN contiene adenina, citosina, guanina y uracila. La timina nunca se encuentra en el ARN. En segundo lugar el ARN contiene azúcar ribosa. El ADN contiene azúcar desoxirribosa, la cual tiene un átomo de hidrogeno en lugar de un grupo hidroxilo en una posición. La tercera diferencia entre ARN y ADN consiste en que este se organiza en una doble hélice, en la cual los puentes de hidrogeno enlazan las dos cadenas a través de sus bases; mientras que el ARN tiene un solo filamento sin formación de puentes de hidrogeno El ADN almacena información genética. El ARN permite que las células utilicen la información almacenada en el ADN. Reciclaje de los polímeros los materiales de los que se parte para la síntesis de la mayoría de los polímeros sé obtienen de combustibles fósiles. A medida que el suministro de estos se agote el reciclaje de los polímeros será más importante. Los plásticos deben organizarse de acuerdo a la composición del polímero, tarea que consume tiempo y es costosa. La industria del plástico ha tratado de mejorar el proceso mediante el suministro de códigos estandarizados que indican la composición de cada producto de plástico. Con respecto al tratamiento de los polímeros te recomendamos que reutilices y recicles. Ya que los polímeros sintéticos no son biodegradables lo que conlleva ala contaminación de tu ambiente.

Preguntas para aplicar conocimientos 32. ¿Por qué usamos tantos polímeros hoy en día? 33. ¿Qué son los plásticos? 34. Menciona propiedades del polietileno 35. Menciona usos del polietileno 36. ¿Una proteína es un polímero, explica? 37. Define enzima 38. Define péptido 39. Define enlace peptídico. 40. Define polisacárido 41. Menciona tres Polisacáridos 42. Menciona el monómero de los Polisacáridos en el punto anterior 43. ¿Qué es un nucleótido? 44. ¿Por qué los ácidos nucleícos son polímeros? 45. Enumera los nombres de los monómeros que conforman las proteínas, los

ácidos nucleícos y los carbohidratos complejos. 46. Menciona cinco diferencias entre polímeros sintéticos y los naturales 47. Menciona diferencia entre el ADN y el ARN

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¿CUALES SON LOS EFECTOS SOCIOECONÓMICOS Y AMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN Y USO

DE POLIMEROS EN MEXICO? La gran cantidad de basura que se tira anualmente en México está creando serios problemas, sobre todo cuando llega el momento de deshacernos de ella.

Si se quema, contamina el aire.

Si se entierra, se contamina el suelo.

Y si se desecha en ríos, mares y lagos, el agua también se contamina.

Día a día se consumen más productos que provocan la generación de más y más basura, y cada vez existen menos lugares en donde ponerla. Para ayudar a la conservación de nuestro medio ambiente, podemos empezar por revisar nuestros hábitos de consumo. Al comprar, evita los empaques excesivos, y prefiere los que están hechos de material reciclado (o reciclable), pregúntate si realmente lo necesitas, después, si lo puedes reutilizar, o bien, reciclar. Lo que compras, comes, cultivas, quemas o tiras, puede establecer la diferencia entre un futuro con un medio ambiente sano,

o una destrucción de la naturaleza con rapidez asombrosa. Tú puedes ser parte de la solución al problema de la basura al reducir y no mezclar (separar) para que ésta se pueda reutilizar y reciclar.

LAS 3R'S

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1. Reducir: Evitar todo aquello que de una u otra forma genera un desperdicio innecesario.

2. Reutilizar: Volver a usar un producto o material varias veces sin tratamiento. Darle la máxima utilidad a los objetos sin la necesidad de destruirlos o deshacerse de ellos.

3. Reciclar: Utilizar los mismos materiales una y otra vez, reintegrarlos a otro proceso natural o industrial para hacer el mismo o nuevos productos, utilizando menos recursos naturales.

¿CÓMO SE RECICLA EL PLÁSTICO? Los llamados materiales plásticos corresponden en realidad a un gran número de productos muy diferentes, tanto por sus materias primas como por sus procesos de fabricación y usos. Por ello, para facilitar la identificación de cada polímero, y también para ayudar a su clasificación para poder implementar sistemas de reciclado, se ha instituido el Código Internacional SPI, que permite identificar con facilidad de que material específicamente esta hecho un objeto de plástico. El Proceso de reciclado y el producto que se obtenga dependerá del tipo de plástico que se recicle. Ejemplos:

Botes de agua purificada (*Junghanns, Agua Sport, Tlacote, Evian, Sta.María, Gardel, Atlantis, Bonafont, etc.)

Botes de Aceite para cocinar. (*Aceite Capullo, Mazola, Dorela, 1-2-3,Corona, Sarita, etc.)

Botellas de refresco no retornables (*Pepsi, Barrilitos, Gatorade, Fiesta Cola, del Valle, etc.)

Botellas de refresco retornables (*Coca-Cola, Pepsi, Joya, etc.)

Botellas de Limpiadores. (*Pinol, Scotch Brite, Pino Patito, Fabuloso, Flash, etc.)

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1. Se ahorra espacio. Los rellenos sanitarios son la forma más común y rápida

para deshacernos de la basura. Sin embargo, estos suelen llenarse rápidamente debido a la alta generación de la misma; encontrar nuevos lugares para rellenos sanitarios resulta cada vez más difícil. Por otra parte, la incineración, a pesar de ser una alternativa popular, produce residuos altamente tóxicos que necesitan especial manejo.

2. Se ahorran Recursos Naturales. Como agua, energía, petróleo. En el proceso de reciclado, por lo general se utilizan menos de estos recursos, para la fabricación de materiales que cuando se parte de materia prima virgen.

3. Se reduce la Contaminación. Al crear nuevos productos (papel, aluminio,

plástico, vidrio) a partir de materiales reciclados se reduce la contaminación del aire y agua. Reciclar reduce también emisiones a la atmósfera de bióxido de carbono, el cual contribuye de una manera determinante en el efecto invernadero, el peligro global, la lluvia ácida, la ruptura de la capa de ozono, la extinción de especies y la deforestación.

¿QUÉ SE HACE CON PLÁSTICO RECICLADO? Como dijimos anteriormente, hay distintos tipos de plásticos. Estos materiales, al ser reciclados, permiten fabricar distintos productos. Para que te des una idea, a continuación te mostramos un cuadro, con los distintos tipos de plástico, donde están presentes y que materiales pueden fabricarse a través de su reciclado.

CÓDIGO USOS RECICLADO

PET

Envases de gaseosa, agua mineral, jugos, aceite

comestible, etc.

Filamento para alfombras, vestimenta.

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PEAD

Envases de leche, detergentes, champú,

baldes, etc.

Otros envases

PVC

Tuberías de agua, desagües, mangueras,

cables, etc.

Suelas de zapatos, caños, etc.

PEBD

Bolsas para residuos, películas industriales.

Film para agricultura

PP

Envase de alimentos, industria automotriz, etc.

Tuberías, artículos para industria automotriz, etc.

PS

Envases de alimentos congelados, juguetes, etc.

macetas, etc.

¿Sabías que el principal destino del reciclado de PET es la fabricación de fibras textiles?, utilizándose en la confección de alfombras, cuerdas, cepillos y escobas, zunchos, telas para prendas de vestir como el "polar", calzados, camisetas, etc. El PET reciclado no se destina a nuevos envases para bebidas o alimentos.

Preguntas para aplicar conocimientos 48. Menciones los problemas ambientales que genera la basura 49. ¿Cuál es el significado de las 3R’s? 50. ¿Cómo se identifican los polímeros para su reciclado? 51. De algunas razones por las cuales es importante reciclar los desechos 52. ¿Cuáles son los materiales plásticos que se reciclan? 53. ¿Cuál es el código de clasificación de los plásticos que se reciclan? 54. ¿Cuáles fueron los usos principales antes y después del reciclaje de los

materiales poliméricos? 55. ¿Cuál es el principal uso del PET reciclado? 56. ¿El PET reciclado se utiliza para la fabricación de envases para alimentos y

bebidas? Si/No ¿Por qué crees que sea esto?

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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