__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

1

TEMA 1

QUÍMICA Y MATERIA

1.1. Concepto de química

La química es la ciencia que describe la materia, sus propiedades físicas yquímicas, los cambios que experimenta y las variaciones de energía queacompaña a dichos procesos. La materia es todo aquello que tiene masa yocupa un lugar en el espacio, químicamente, puede clasificarse en dos grandesgrupos: sustancias puras y mezclasLa química puede dividirse de muchas maneras como general y descriptiva,orgánica e inorgánica, cuantitativa y cualitativa. La siguiente es la división másusual:a.- Química Inorgánica.- Estudia la estructura, las propiedades la obtención y

aplicaciones de las sustancias inorgánicas, o elementos y compuestospropios de cuerpos inanimados.

b.- Química Orgánica.- Estudia la estructura, propiedades, obtención natural,síntesis y aplicaciones de las sustancias orgánicas o provenientes deorganismos vivos, También se llama química del carbono.

c.- Fisicoquímica.- Estudia la interacción de la energía con la materia y losfenómenos que esto conlleva en forma cuantitativa. Esta constituida por latermoquímica, el equilibrio químico y físico, la electroquímica, la cinéticaquímica o estudio de las velocidades de reacción, la mecánica cuántica yestadística, La fotoquímica y espectroscopia, los fenómenos de transporte ysuperficie.

d.- Química Analítica.- Estudia los métodos y equipo para determinar lacomposición de la materia en forma cualitativa y cuantitativa, esta da lugar amuchas especialidades de la química como carrera profesional:bromatólogo o analista de alimentos, instrumentista o analista especializadoen equipos de precisión para análisis, Analista de minerales y rocas,Analista de aguas, Control de calidad de sustancias químicas, etc.

Importancia

La Química tiene importancia fundamental en todas las áreas de las ciencias ytecnología.

Sus fundamentos permite a los científicos separar a las sustancias en los máspequeños componentes y explicar muchas de sus características físicas yquímicas nos permite conocer la estructura y propiedades de la materia, resolverproblemas y necesidades mundiales como: diseño y síntesis de nuevosfármacos, agroquímicos, polímeros, combustibles, nuevos materiales, estudio delos procesos naturales, como las complejas reacciones bioquímicas, etc.Así también ayuda a encontrar nuevas fuentes de energía relacionadas con lacalidad de nuestro ambiente; métodos para la eliminación de los desechosnucleares.

1.2. La materia

Es todo lo que ocupa un espacio y tiene masa, es todo lo que nos rodea ya seaque se puede ver y tocar como el agua y las rocas o no como el aire.La materia está constituida por sustancias y mezclas de sustancias. Unasustancia es una especie pura y puede ser elementos o compuesto como elhidrógeno, el sodio, el cloro, el agua, el cloruro de sodio, etc.Una definición moderna dice que la materia es energía sumamente condensada.Todas las propiedades medibles de la materia pertenecen a una de las doscategorías: propiedades extensivas y propiedades intensivas.Propiedad extensiva: Depende de la cantidad de materia considerada: masa,longitud, volumen. Son propiedades aditivas.Propiedad intensiva: no dependen de cuanta materia se considere: densidad,temperatura. No son aditivas.

1.3. Cambios físicos y químicos

Un cambio físico es aquel fenómeno que transforma la materia de una forma aotra sin alterar su composición química, antes y después del cambio la sustanciasigue siendo la misma, así por ejemplo los cambios de estado físico, para elagua si se la calienta desde -5ºC hasta 105 ºC a 1 Atmósfera de presión, vapasando por los estados sólido: hielo, liquido: agua líquida y gas: vapor de agua.

S L GFusión

Solidificación

Gasificación

Licuación

Sublimación

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

2

Un cambio químico es una transformación de una sustancia en otra, también sellama una REACCIÓN QUÍMICA. Después de la reacción las sustanciasresultantes son diferentes que al inicio.Si se quema carbón, se transforma en anhídrido carbónico

C (s) + O2(g)à CO2(g)Si el anhídrido carbónico se lo burbujea en agua se transforma en ácidocarbónico.

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(ac)

Ecuación química.- Un cambio químico se denota con una ecuación química enla que se puede notar las sustancias que reaccionan, la proporción en la quereaccionan, las sustancias productos de la reacción, y los estados físicos decada sustancia: sólido (s), líquido (l), gas (g), en solución acuosa (ac). Ejemplo:La formación del agua a partir del hidrógeno y el oxígeno:

H2(g) + ½ O2(g)à H2O(l)

1.3. Clasificación

La materia se clasifica inicialmente en sustancias puras y mezclas.

Materia

Sustanciaspuras Mezclas

Elementos Compuestos Heterogéneas Homogéneas

Hierro Agua Sangre Plasma

a.- Sustancias puras.- Una sustancia es cualquier tipo de materia cuyasmuestras tienen composición idéntica, y en condiciones iguales, propiedadesidénticas. Una sustancia puede ser un compuesto o un elemento.

Elementos: Son sustancias que no se pueden separarse en sustancias massimples por medios químicos. Por ejemplo: nitrógeno, plata, aluminio, cobre,azufre, etc. A la fecha se han identificado definitivamente 109 elementos, de loscuales 83 se encuentran en forma natural en la tierra. Los demás han sidoproducidos de modo artificial por científicos mediante reacciones nucleares.

Compuestos: Son sustancias puras formada por dos o más elementosdiferentes combinados en una proporción constante. Todos los compuestos sepueden descomponer en sustancias más simples, ya sean elementos ocompuestos más sencillos.

Por ejemplo, el compuesto agua (H2O) se puede descomponer por medio de laelectricidad en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxigeno; por medio dela experimentación se ha determinado que el hidrógeno y oxigeno siempre estánpresentes en la misma proporción en masa, 11.1 % H y 88,9 % O. Por otra parte,las propiedades físicas y químicas de un compuesto son diferentes de laspropiedades de sus elementos constituyentes. Por ejemplo, el cloruro de sodio(NaCl) en un sólido blanco que habitualmente se emplea como sal de mesa, estecompuesto se forma por la combinación de sodio (un metal blanco plateado ysuave que reacciona violentamente con el agua) y cloro (un gas verde pálido,corrosivo y tóxico).

b.- Mezclas.- Muestras de materia compuesta de dos o más sustancias, cadauna de las cuales conserva su identidad y propiedades (si es heterogénea). Lassustancias químicas se pueden clasificar a la vez como sustancias elementaleso compuestos y las mezclas en homogéneas y heterogéneas. La separación delos componentes de mezclas es muy importante y las técnicas que seemplearán en esta práctica son los métodos de uso más común para separarmezclas. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Mezclas homogéneas.- Una mezcla homogénea, también llamada solución,tiene composición y propiedades constantes. Algunos ejemplos son: el aire, elagua salada, algunas aleaciones (mezclas homogéneas de metales en estadosólido), etc.

Mezclas heterogéneas.- Una mezcla heterogénea no tiene composición nipropiedades constantes. Por ejemplo: el aire con neblina, una mezcla de hierrocon azufre, una sopa de verduras, etc.; en estas se puede distinguir uncomponente del otro.

Separación de Mezclas. Las muestras de elementos y compuestos rara vez seencuentran en la naturaleza en forma pura, por lo que es necesario separarlosde las mezclas en las que se encuentran. Por otra parte, cuando se prepara uncompuesto en el laboratorio, se requieren varios pasos para separarlo en formapura de la mezcla de reacción en donde se formo. De la misma forma, en laindustria, para obtener un producto puro se necesita separarlo de la mezcladonde se formó.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

3

Las mezclas pueden separarse por métodos físicos (ver Figura 2.1.), ya quecada componente conserva sus propiedades. A continuación, se describenalgunos métodos (operaciones básicas) para separar las sustancias puras de lasmezclas. Estas operaciones se basan en distintos fundamentos, como son:cambios de fase (ver Figura 2.2.), producto de solubilidad, coeficiente de reparto,coeficiente de partición, etc.

Fig. 2.2. Los diferentes cambios de fase que puede ocurrirle a una sustancia

Símbolos.-Un elemento se representa por un símbolo químico constituido por 1,2 o 3 letras donde la primera es siempre mayúscula, ejemplo: “O” oxígeno, “Ag”plata, “Unp” unnilpentium.

Fórmulas.- Un compuesto se representa por una fórmula química que expresala proporción mínima entre los elementos que constituyen el compuesto.Ejemplo: agua H2O, sulfato de cobre CuSO4, cloruro de sodio NaCl.

Átomos, moléculas e ionesÁtomo.- Es la unidad de sustancia química y es la porción más pequeña demateria que tiene todas las propiedades que identifican a un elemento químico yestán constituidos por un núcleo donde se encuentran los neutrones y protones y

Gas

Sólido

Líquido

Mezclas

Mezclas MezclasHomogéneas Heterogéneas

Ambas separables Por medios físicos

Sustancias Puras

Compuestos ElementosSeparables por

Medios químicos(reacciones)

Figura 2.1. Métodos de separación de mezclas y sustancias puras.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

4

reúne la carga positiva y la nube electrónica constituida por los electrones queson de carga negativa. El átomo en su conjunto es de carga neutra. Ejemplo H,Cl, Na.

Molécula.- Es la unidad estructural de las sustancias, representa como estánunidos los átomos para formar las sustancias, ya sean elementos o compuestos.Ejemplo: H2, Cl2.En términos estrictos sólo existen moléculas para los elementos o compuestosunidos covalentemente como Cl2, H2O, CH4, etc., más no para las formas iónicascomo NaCl, KI, etc.

Iones.- Son átomos que han perdido o ganado electrones y que por lo tantotienen carga positiva o negativa respectivamente, ejemplo:

Formación del ión Na + Naà Na+ + 1e-

Formación del ión Cl - Cl + 1 e-à Cl-

Si tienen carga positiva se llaman cationes: K+, Ca2+, Al3+

Si tienen carga negativa se llaman aniones Cl-, S2-, N3-

Grupos de átomos también pueden formar iones:Cationes poliatómicos: ión amonio NH4

+.Aniones poliatómicos: ión sulfato SO4

2-, carbonato, CO32-

1.5. Estados de la materiaLa materia presenta propiedades físicas como su forma, color, densidad, estadofísico y propiedades químicas como su forma de reaccionar y su composición.

Estados físicos de la materia

La materia puede presentarse en los siguientes estados.a) Estado sólido.- Está constituido por partículas atrapadas en ordenamientos

reticulares, son cuerpos compactos debido a que las fuerzas de cohesión sonmayores que la fuerza de repulsión, se caracterizan por tener forma yvolumen definidos, ejemplo: la sal común, el yeso, un cristal de cuarzo, etc.

b) Estado líquido.- El líquido es fluido, adopta la forma de su recipiente y notiene una forma propia definida. Es un estado intermedio entre el sólido y elgaseoso, se caracteriza por tener volumen definido pero no tiene forma, laspartículas que lo constituyen aun tienen movimiento. Ejemplo: el agua

c) El estado gaseoso.- Está constituido por partículas pequeñas separadas porgrandes distancias en constante movimiento aleatorio. El estado gaseoso secaracteriza por no tener forma y ocupar todo el volumen del recipiente quelos contiene. Se dice que en el estado gaseoso las fuerzas de repulsión entrelas partículas son mucho mayores que las fuerzas de cohesión. Ejemplo Elaire, el cloro, el oxígeno.

d) Plasma.-Este estado de la materia es una mezcla gaseosa de iones positivosy electrones. Existe a temperaturas elevadísimas en el cual todas lasmoléculas están disociadas y casi todos los átomos ionizadosEste estado físico se obtiene como consecuencia de las reaccionestermonucleares (de fusión nuclear). Un plasma actúa como un disolventeuniversal, disuelve todo lo que toca. Se han efectuado ensayos decontención de plasmas de bajas temperaturas mediante campos magnéticosexternos

1.6. Aplicación.- La licuefacción del aireEl aire es una mezcla homogénea compuesta por nitrógeno en un 78%,oxígeno en un 21 % y otros gases como argón, dióxido de carbono, neón,helio, etc. en un 1%, distribuido aproximadamente hasta una altura de 70km en la atmósfera, el aire es una fuente natural de nitrógeno y esprecisamente del aire de donde se saca la mayoría de compuestos delnitrógeno, así por ejemplo la urea (NH2)2CO se obtiene casi completamentedel aire, primero se comprime el aire hasta licuarlo, la mezcla líquida sedestila para separar los componentes, específicamente N2 y CO2., elnitrógeno se hace reaccionar con hidrógeno para formar el amoniaco.

N2(g) + 3H2(g)à 2NH3(g)

Luego el amoniaco se hace reaccionar con dióxido de carbono acelerandola reacción con un catalizador de platino, produciéndose la urea.

2NH3(g) + CO2(g)à (NH2)2CO(s) + H2O (g)

1.7. Ejercicios

1. Indique verdadero (V) o falso (F) de las siguientes proposiciones:I. La Química implica el estudio de la materia y los cambios que en ella

ocurrenII. La Química también proporciona antecedentes históricos para atender

las propiedades del ÁtomoIII. La Química trata solamente del estudio de las propiedades físicas

A) VVV B) VFF C) VFV D) FVV E) FFF

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

5

2. ¿Cuál de los siguientes rubros del conocimiento humano no tienerelación en la química?A) Biología B) Astronomía C) MedicinaD) Teología E) Geología

3. No es campo de acción de la químicaA) preservación de alimentosB) síntesis de fertilizantesC) construcción de edificiosD) obtención de biodieselE) bioquímica

4. Respecto a las siguientes alternativasI. Agua de AzarII. HilosecoIII. AireIV. Energía nuclear¿Cuáles son ejemplos de materia?

A) Sólo I B) Sólo II C) I y II D) I, II, III E) Todas

5. De las siguientes especies, ¿Cuál es la mas pequeña porción demateria?A) Sal de mesa B) Hielo seco CO2(S)C) Molécula de agua D) Átomo de hidrogeno E) Gota de agua

6. Respecto a los estados de agregación de la materia, indique verdadero(V) o falso (F) de las siguientes proposicionesI. La materia en el estado gaseoso no tiene volumen, ni forma fijas, mas

bien, se ajusta al volumen y forma el recipiente que lo contieneII. El agua, la gasolina y el alcohol, a condiciones ambientales, ocupa un

volumen fijo pero adopta la forma del recipiente que lo contieneIII. Los cambios de estado son fenómenos físicos

A) VVV B) VFV C) VVF D) FFV E) FVV

7. Señale como verdadero (v) o falso (F)I. En el estado sólido las partículas componentes vibran u oscilan en

posiciones fijasII. En el estado líquido las partículas componentes presentan

aglomeraci n que las partículas componentes en el estado gaseosoIII. El cambio de estado sólido o liquido se denomina licuación

A) VVF B) VVV C) VFFD) VFV E) FFF

8. Señale verdadero (v) o falso (F)I. Cuando una mezcla de azufre y limaduras de hierro se quema en tubo

se obtiene una mezcla homogéneaII. El ozono (O3) y el azufre ( S8) son sustancias simplesIII. El aire es una mezcla de gases que consisten una fase

A) FFF B) FVF C) VFV D) VVV E) FVV

TEMA 2ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTÓMOS

2.1. Modelos atómicos

Las primeras ideas acerca de la existencia del átomo se dieron a conocer haceaproximadamente 600 años antes de Cristo, por los filósofos de aquellostiempos especialmente los griegos, Demócrito indicaba que la materia era unaconcentración de partículas a quienes denominó ÁTOMOS y que en griegosignifica A = sin, TOMO = división. Demócrito además manifestaba que estosátomos estaban en movimiento constante, que se combinan de manerasdiferentes y se diferenciaban entre sí en forma y disposición.

2.1.1. Teoría atómica de Dalton (1808)

Fue quien atribuyó un peso atómico a cada elemento y fue posible por primeravez ordenarlos, de esta manera se comprobó que existían relacionescuantitativas entre los elementos.Dalton planteó ciertos postulados respecto a la materia, en la actualidad algunosde ellos han perdido validez:1. La materia está constituida por partículas elementales denominadas átomos

y se caracterizan por ser indestructibles, indivisibles e impenetrables.2. Los átomos que componen un determinado elemento se caracterizan por

tener el mismo peso pero difieren en el peso de los átomos de otroselementos.

3. Los diversos compuestos químicos están formados por átomos combinadosen proporciones definidas, estos se combinan en múltiplos aritméticossencillos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

6

4. Por más violenta que sea una reacción química u otro tipo de fuerza, elátomo permanece indestructible, indivisible e impenetrable.

2.1.2. Modelo de Thompson (1 897)

Por el año de 1 833 Faraday iniciaba los descubrimientos acerca de laelectricidad, en 1 874 G.J Stoney sugirió que el fenómeno de la electricidad sedebía a una partícula denominada ELECTRÓN, y en 1897 se pudo verificarexperimentalmente la existencia del electrón por el estudio de los rayoscatódicos.Cuando en un tubo al que se le ha efectuado el vacío provisto de dos electrodosse aplica una diferencia de potencial se observa un haz luminoso entre los doselectrodos denominados rayos catódicos.• En primer lugar se determinó que estos rayos salen del cátodo (de ahí su

nombre) y se propagan en línea recta hacia el ánodo• En segundo lugar se llegó a la conclusión de que los rayos catódicos están

formados por partículas con masa porque son desviados por un campomagnético.

• Si colocamos un campo eléctrico alrededor del tubo de vació, se demuestraque los rayos catódicos tiene carga eléctrica negativa.

Así Thompson descubrió el ELECTRÓN, y demostró que es un fragmentouniversal que se encuentra en todos los átomos; además se calculó la relacióncarga-masa (q/m) del electrón:

qm

Cg

= ×1 76 108,

Más adelante Robert Millikan encontró que la carga del electrón es de

q = - 1,6 × 10 –19 C

Con las dos ecuaciones anteriores podemos determinar que la masa es:

m = 9,1 × 10 –28 g

En conclusión Thompson propuso su modelo atómico de esta manera:“El átomo es una esfera de electricidad positiva, en la cual sus electrones estánincrustados como pasas en un pastel, cada elemento tiene en sus átomos unnúmero diferente de electrones que se encuentra siempre dispuestos de unamanera especial y regular”

Carga total positiva = Carga total negativa

2.1.3. Modelo de Rutherford (1910)

Para ese tiempo ya se conocía la radiactividad descubierta por Henry Becquerelal estudiar el uranio. Se determinaron tres tipos de radiaciones: alfa, beta ygamma, los rayos alfa son partículas cargadas positivamente, las beta tienencarga eléctrica negativa y los rayos gamma son energía radiante o luz.Rutherford realizó un experimento bombardeando una lámina de oro conpartículas alfa y observó que unas pocas partículas alfa rebotaban en la lámina,llegó a la conclusión de que era una fuerza eléctrica poderosa y ubicada en unpequeño volumen desviaba a las partículas alfa.Esta deducción le permite a Rutherford descubrir el núcleo y da a conocer unaimagen distinta del átomo, donde se indica que:• El átomo es increíblemente tenue.• Es un espacio casi vacío en su totalidad.• Posee un núcleo central muy pequeño, y este es muy pesado y denso.• El núcleo es de carga positiva donde se origina la fuerza que desvía las

partículas alfa.• El átomo posee una envoltura de electrones que se encuentran rotando

alrededor del núcleo en órbitas semejante a la de un sistema planetario.

2.1.4. Modelo de Niels Bohr (1 913)

La obra de Rutherford pasó inadvertida en sus tiempos, es decir en el mundoexterior se seguía utilizando el modelo de Thompson. Niels Bohr le dio larespectiva importancia dando inicio a la teoría cuántica aplicando la hipótesiscuántica a la estructura atómica.• El átomo posee un núcleo y alrededor de este núcleo giran los electrones en

niveles circulares, de tal manera que la fuerza coulómbica que se genera enel núcleo se balancea con la fuerza centrípeta del electrón: Fa = Fc.

Carga distribuidahomogeneamente

Electrón incrustado entodas partes del átomo

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

7

• Los electrones sólo giran en aquellas regiones donde su momento angular esun múltiplo entero y positivo: n = 1,2,3, ...

• Mientras el electrón permanece en un determinado nivel no absorbe ni irradiaenergía, es decir permanece constante.

EeR

=2

2• Si un electrón se traslada de un nivel a otro, entonces debe absorber o emitir

una cierta cantidad de energía, equivalente a la diferencia de energía entrelos dos niveles. Por consiguiente si un electrón se acerca al núcleo emiteenergía y si se aleja absorbe energía, si la energía es de la dimensión de laluminosa, entonces se cumple:

E E hf i− = υ2.1.5. Modelo mecánico cuántico

El modelo actual es la evolución del modelo de Bohr. Se trata de un modelonetamente matemático y probabilístico que se basa en los siguientes principios:PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISEMBERG. “No es posible determinarsimultáneamente el momento y la posición de un electrón”PRINCIPIO DE DUALIDAD DE LA MATERIA. Louis D’Broglie atribuyo carácterdual a la materia, es decir, una partícula esta asociada con una ondaelectromagnética, o sea es materia y energía a la vezSegún Max Planck La energía de un fotón es el producto de “h” la constante dePlanck (h = 6,6x10-34 Js) por la frecuencia de la onda v .

E = hνDe otro lado el producto de la frecuencia por la longitud de onda es igual a lavelocidad de la luz:

c =λν = 3x108 m/sY de acuerdo a Einstein E = mc2

Combinando estas tres ecuaciones se obtiene que:

mch=

λOnda

Una onda es una perturbación vibracional por medio de la cual se transmiteenergía, la velocidad de propagación de la onda depende del tipo de onda y dela naturaleza del medio en el cual se transmite.

Las partes fundamentales de una onda son:- Longitud de onda ( ).- Es la distancia entre dos puntos idénticos en

ondas sucesivas.- Frecuencia ( ).- es el número de ondas que pasa por un punto

específico en un segundo.El producto de la longitud de onda por la frecuencia de una onda esigual a la velocidad de propagación.

= c

Ondas electromagnéticas

Maxwell demostró que la luz está constituidas por ondas electromagnéticas,ondas constituidas por dos componentes que vibran en planos perpendiculares:un componente eléctrico y un componente magnético, ambos con la mismalongitud de onda y la misma frecuencia. La característica de las ondaselectromagnéticas es que todas viajan a la misma velocidad 300 000 km/s o3x108 m/s en el vacio, valor que difiere muy levemente en medios naturalescomo aire o agua.

2.1.6. Modelo de Max PlanckMax Planck propuso que la luz viaja en paquetes de energía denominadosfotones o cuantos, cuya energía es proporcional a la frecuencia:

E = h. vDonde: h, es una constante proporcionalidad, llamada constante de Planck y suvalor es 6,63x10-34 J s.Ejemplo: ¿Cuál es la frecuencia de la onda y la energía de un fotón quecorresponde a luz verde del semáforo de longitud de onda 522 nm? (1 nm =1x10-9 m)

longitud de onda

amplitud

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

8

1149

18

1075,510522

103 −−

−

=== sxmx

smxcλ

υ

JxsxxsJxhE 1911434 1081,31075,51063,6. −−− === υ

Aparentemente parece una cantidad pequeña de energía, pero, de acuerdo a lafrecuencia un solo rayo lleva 5,75x1014 fotones por segundo, que es unacantidad relativamente grande.

Einstein aplicando este concepto al fenómeno fotoeléctrico generalizó que si laluz viaja en cuantos; cualquier fenómeno de absorción o de emisión de luz porun cuerpo siempre será en cantidades múltiplos de la energía de un fotón.

2.2. Principio de dualidad

En 1927 Erwin Schrödinger, aplicando el concepto de dualidad de la materia ydel principio de incertidumbre propuso una ecuación matemática complejadenominada ecuación de onda para describir el comportamiento de partículassubatómicas moviéndose con la velocidad de la luz en campos definidos.La ecuación incorpora el concepto de partícula expresada como la masa y elconcepto de onda expresado como una función de onda que depende de laposición del sistema en el espacio, aunque la función no tiene significadofísico directo el cuadrado 2 esta relacionado con la probabilidad de encontrar lapartícula en una región del espacio.

0)(82

2

2

2

2

2

2

2

=−+∂∂

+∂∂

+∂∂

ψπψψψ VEh

mzyx

Donde:ψ es la función deonda

m es la masa del electrónh es la constante de

PlanckE Energía total de la

partículaV Energía potencial

La solución matemática de la ecuación de onda requiere introducir númerosenteros que tiene que ver con la energía, probable ubicación y forma delrecorrido de la partícula. Estos números reciben el nombre de númeroscuánticos. Aproximadamente un año después de la especulación de D’Broglie deque los electrones eran partículas ondulatorias, esto fue comprobado porDavison y Germer.

La solución de la ecuación de onda es estrictamente matemática, las diferentessoluciones nos dan los números cuánticos.

La aplicación de la ecuación de onda al átomo de hidrógeno que sólo tiene unelectrón moviéndose alrededor de su núcleo ha dado lugar al modelo atómicomoderno o modelo cuántico, que establece que un átomo está constituido por unnúcleo central alrededor del cual se mueven los electrones a grandesvelocidades del orden de la velocidad de la luz, distribuidos en niveles deenergía, subniveles de energía, orbitales y con spin magnético y tiene uncarácter de partícula y de onda.

2.3. Principio de incertidumbre de HeisembergEste principio establece que es imposible conocer simultáneamente el momentode un electrón (definido por el producto de la masa por la velocidad) y suposición en el espacio.Lo que nos indica que los electrones en los átomos no tienen una distribucióntan precisa como la propuesta por Bohr sino más bien es una distribucióncompleja y con interacción entre los mismos electrones.

2.4. El núcleo atómicoEs la parte central del átomo y en él se encuentra concentrada casi toda la masadel átomo, se encuentran principalmente protones y neutrones.Para evitar la repulsión entre los protones en el núcleo se tiene a los mesonesdescubiertos por ANDERSON la presencia de estos fue premeditada porYUKAWA.El mesón tiene igual carga que el electrón pero su masa es 200 veces mayorcon un tiempo de vida de 200 millonésimas de segundo. El mesón π muestrauna gran afinidad con protones y neutrones a tal punto que se trasladaconstantemente de una partícula a otra cambiando su carga y evitando larepulsión de los protones.

2.4.1. Propiedades definidas por el núcleoNúmero atómico (Z).- Esta dado por el número de protones de un átomo y a suvez permite identificar al elemento químico, todos los átomos de un mismoelemento tienen el mismo número de protones y la tabla periódica está ordenadaen función a Z.

Z = p+

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

9

Ejemplos:

Z = 1 Hidrógeno H

Z = 2 Helio He

Z = 6 Carbono C

Z = 8 Oxígeno O

Z = 15 Fósforo P

Numero másico (A).- También se denomina número másico o índice de masa,indica en número total de nucleones que tiene el átomo, es decir protones yneutrones.

A = p+ + n°

Ejemplo: El Sodio tiene 11 protones y 12 neutrones à A = 23

Representación de un átomo.- Un átomo se representa por su símbolo X, elnúmero atómico a la izquierda inferior y el número de masa a la izquierdasuperior:

XAZ

Ejemplos:

Isótopos.- Son de átomos que pertenecen a un mismo elemento pero poseendiferente número de neutrones. Es decir, tienen igual número atómico perodiferente número de masa.

Ejemplos:

Isótopos del hidrógeno:Hidrógeno

H11

H21

H31

Deuterio Tritio

1 p+ , 0 n° 1p+ , 1 n° 1p+ , 2 n°

Isótopos del carbono

6 p+ , 6n° 6p+ , 7 n° 6p+ , 8n°

C126

C136

C146

Los isótopos son muy importantes en el estudio de la química porque en formanatural existen siempre los mismos isótopos de un elemento y en la mismaproporción, y es indispensable su conocimiento para determinar la masa atómicade un elemento.

Isóbaros.- Se trata de átomos que poseen diferente número de protones perocon igual número de masa, es decir, diferente número atómico pero igualnúmero de masa.Ejemplos:

K4019 Ca

4020 C

146 N

147

Isótonos.- Son átomos de diferentes elementos que poseen el mismo númerode neutrones.Ejemplos

C126 B

11

5

n° = 6

S3216P

31

15

n° = 16

2.5. RadioactividadLos átomos de un elemento dado pueden tener diferente número de neutrones y,por tanto, diferente número de masa; el número de masa es el número total denucleones (protones y neutrones) que hay en el núcleo. Los átomos que tienenel mismo número atómico pero distinto número de masa se conocen comoisótopos. Por ejemplo los tres isótopos de Uranio presentes en la naturaleza seidentifican como uranio–233, uranio–235 y uranio–238, donde los sufijos

U23492

Ca4020

P3115

Na23

11 A = 23 = 11 + 12

A = 234 = 92 + 142

A = 40 = 20 + 20

A = 31 = 15 + 16

n°p+

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

10

numéricos representan el número de masa. Estos isótopos también se designan,usando símbolos genéricos, como

UyU,U, 23892

23592

23392

El subíndice es el número atómico y el superíndice es el número de masa.Los diversos isótopos tienen diferente abundancia natural. Por ejemplo el 99,3por ciento del uranio natural es uranio–238, el 0,7 por ciento es uranio–235 ysólo hay trazas de uranio–233.

Los distintos núcleos también tienen diferente estabilidad. Las propiedadesnucleares de un átomo dependen del número de protones y neutrones que hayen su núcleo. Los núcleos que son radiactivos se llaman radionúcleos y losátomos que contienen estos núcleos se conocen como radioisótopos. En 1 896,el físico Henri Becquerel estudiaba el fenómeno fosforescencia en minerales deuranio cuando descubrió accidentalmente la radiactividad. Becquerel efectuómuchos más experimentos y encontró que el uranio metálico producía lasmismas emisiones que las sales de uranio, pero más fuertes aún, Becquerelestaba totalmente desconcertado ¿De dónde provenía toda esa energía? Lareducción nada tenía que ver con la fosforescencia.Marie Curie y su esposo Pierre posteriormente llamaron radiactividad alfenómeno. Confirmaron que el Uranio metálico mismo era radiactivo, así tambiénMarie Curie probó que la pechblenda, una mena común que contiene uranio yotros metales (como plomo, bismuto y cobre) que era más radiactiva que eluranio puro.Rutherford descubrió que la radiación alfa, α se compone de partículas que, alpasar por un campo eléctrico, son atraídas hacia el lado negativo del campo, dehecho, sus posteriores estudios revelaron que estas partículas alfa son núcleos

de helio, +242 He de poder limitado de penetración y pueden ser detenidos por la

piel, la ropa o varias hojas de papel. En el mismo experimento, Rutherfordencontró otro tipo de radiación más penetrante a la que llamó radiación beta, β,partículas con carga negativa, atraídas por la placa electrónicamente positiva.Becquerel mostró que estas partículas tienen una carga eléctrica y una masaiguales a las del electrón. Las partículas beta son electrones expulsados a granvelocidad de algunos núcleos radiactivos. Son más penetrantes que laspartículas alfa ya que se requiere un trozo de aluminio de un espesor de por lomenos 3,2 cm para detenerlos, y penetrar aproximadamente 1 cm en los huesoso tejidos vivos.Posteriormente, P. Willard descubrió la radiación gamma, γ. Es una forma deradiación electromagnética como los rayos X y no son afectadas por un campoeléctrico. La radiación gamma es más penetrante y puede atravesar totalmente

el cuerpo humano. Se requiere gruesas capas de plomo o de concreto paradetener los rayos gamma.La capacidad de penetración relativa de los tres tipos principales de radiaciónnuclear se presenta en la figura siguiente.

Alfa (α )Beta (β )

Gamma (γ )

Papel 0,5 cm de espesor Pb 10 cm de espesor Pb

Las características de las emisiones α, β y γ se resumen en la siguiente tabla

Nombre Símbolo Carga Masa (g/partícula)

Alfa ,He 42

242

+ +2 6,65×10-24

Beta e, 01-

01−

-1 9,11×10-28

Gamma ,00

0 0

2.6. Reacciones nucleares

Con excepción del hidrógeno ( H11 ), todos los núcleos contienen dos tipos de

partículas fundamentales, los protones y los neutrones. Algunos núcleos soninestables y emiten partículas y/o radiación electromagnética de maneraespontánea (decaimiento radiactivo), fenómeno al que se le llama radiactividad.Todos los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos.

Por ejemplo el polonio–210 ( Po21084 ), decae de modo espontáneo a Pb206

82 yemite una partícula α.

Po21084 → Pb206

82 + He42

2+

Otro tipo de radiactividad conocida como transmutación nuclear, se produce albombardear el núcleo con neutrones, protones y otros núcleos. Se puede lograrpor medios artificiales, y también puede suceder en el espacio. Por ejemplo,cuando el isótopo de nitrógeno 14 captura un neutrón del sol se convierte en.

N147 + n1

0 → C146 + H1

1

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

11

El decaimiento radiactivo y la transmutación nuclear son reacciones nucleares,que son muy distintas a las reacciones químicas. La diferencia entre estasreacciones se resume en la tabla siguiente:

Comparación de las reacciones químicas y las reacciones nucleares

Reacciones Químicas Reacciones Nucleares1. Sólo los electrones de los

orbitales atómicos estánimplicados en la ruptura yformación de enlaces.

2. Los átomos se arreglan por laruptura y formación de enlacesquímicos

3. Las reacciones se acompañan porla absorción o liberación decantidades de energíarelativamente pequeñas

4. Las velocidades de reacción seven afectadas por la temperatura,presión, concentración ycatalizadores.

1. Pueden estar implicados losprotones, neutrones, electrones yotros partículas elementales.

2. Los elementos (o los isótopos delos mismo elementos) seinterconvierten los unos en losotros.

3. Las reacciones van acompañadaspor la absorción o liberación deenormes cantidades de energía.

4. Las velocidades de reacción, porlo general, no se ven afectadaspor la temperatura, la presión olos catalizadores.

Balanceo de las Ecuaciones NuclearesEn una ecuación nuclear además de escribir los símbolos de las distintoselementos químicos, también se debe indicar, de manera clara, protones,neutrones y electrones. Se debe conseguir el número de protones neutrones quehay en cada especie.Los símbolos de las partículas elementales son los siguientes:

Al balancear cualquier ecuación nuclear se deben cumplir las siguientes reglas:a) El número total de protones y neutrones en los productos y reactivos debe

ser el mismo (para conservar el número de masa)b) El número total de cargas nucleares en los productos y reactivos debe ser

el mismo (para conservar el número atómico)Fisión nuclearLa fisión nuclear es el proceso en el que el núcleo pesado, número de masa>200, se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o

más neutrones. Este proceso libera gran cantidad de energía. Por ejemplo lafisión nuclear del Uranio–235 cuando captura un neutrón se fisiona para formados núcleos más pequeños.

La reacción representativa es:

n3XeSrnU 10

14354

9038

10

23592 ++→+

Esta es una reacción demasiado exotérmica. La energía liberada es 2,0 × 1013 J.Así también, se producen más neutrones que los que se capturaron al inicio delproceso. Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que esuna secuencia de reacciones de fisión nuclear autosostenidas. Los neutronesque se generan durante las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión enotros núcleo que a su vez producen más neutrones, y así sucesivamente. Enmenos de un segundo, la reacción se vuelve incontrolable, liberando grancantidad de calor. Una de las aplicaciones de la fisión nuclear fue el desarrollode la bomba atómica.Muchos neutrones emitidos durante el proceso de fisión se capturarán por otrosnúcleos

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

12

Fusión nuclearLa fusión nuclear es la combinación de pequeños núcleos en otros más grandes,está libre, en gran parte, del problema de desecho de desperdicios.Cuando dos núcleos ligeros se combinan o se fusionan para formar núcleos másgrandes y más estables, se liberará una cantidad considerable de energía en elproceso. Esta es la base de la investigación para el aprovechamiento de lafusión nuclear en la producción de energía.La fusión nuclear ocurre de manera continua en el sol, formado principalmentepor hidrógeno y helio, mantiene la temperatura interior del sol a unos 15 millonesde grados Celsius. Se supone que se llevan a cabo las siguientes reacciones defusión:

HHHH2HeHeHe

HeHH

01

21

11

11

11

42

32

32

32

21

11

++→+

+→+

→+

2.7. Aplicaciones de los isótopos

2.7.1. Isótopos en medicinaAlgunos radionúclidos se utilizan en medicina como trazadores radiactivos,pueden utilizarse para marcar un elemento en los compuestos. Si empleamos undetector de radiaciones puede seguirse el recorrido de ese elemento a través delcuerpo. Así se inyectan en el flujo sanguíneo soluciones que contienen Na-26para seguir el recorrido de la sangre y localizar obstrucciones en el sistemacirculatorio.El Talio-201, tiende a concentrarse en los tejidos musculares sanos del corazón,mientras que el Tecnecio-99 se encuentra en los tejidos anormales. Ambospueden usarse para obtener una visión del daño producido en el corazón.El Yodo-131, se concentra en la glándula tiroides, el hígado y ciertas partes delcerebro se utiliza para seguir el bocio y otros problemas de tiroides y tambiénpara los tumores del hígado y cerebrales.El calor generado por la desintegración del Plutonio-238 puede convertirse enenergía eléctrica para marcapasos, cuyo mecanismo permite utilizarlo durante10 años antes que sea necesario reemplazarlo.

2.7.2. Usos agrícolasLas muestras marcadas de fertilizantes se utilizan para investigar que nutrientesabsorben las plantas y estudiar el aumento de las cosechas.La irradiación gamma de algunos alimentos permite almacenarlos durante largosperiodos de tiempo. Por ejemplo, retrasa la germinación de papas y cebollas.Control de orugas de moscas por técnica radiológica, que consiste en irradiar almacho con rayos gamma lo que altera sus células reproductivas y se lo esterilizaal aparcarse con las hembras no produce descendencia con lo cual, se reduce oelimina la población de moscas.

2.7.3. Determinación de la edad

a) Con Carbono-14La técnica del Carbono-14 es útil para estimar la edad de productos de origenorgánico, con una antigüedad inferior a 50 000 años. El radioisótopo carbono-14se produce continuamente en la atmósfera superior al capturar los átomos denitrógeno neutrones de los rayos cósmicos.

HCnN 11

146

10

147 +→+

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

13

El Carbono-14 reacciona con moléculas de oxígeno y forma 214 CO cuya

cantidad permanece constante en la atmósfera por la emisión beta con una vidamedia de 5730 años.

NC 01-

147

146 +→

Las emisiones del Carbono-14 en tejidos muertos disminuyen con el tiempo y laactividad por gramo de carbono es una medida del tiempo que ha pasado desdesu muerte.

b) Con Potasio-40El Potasio-40 está presente en todos los organismos vivos. Se desintegra aArgón-40 mediante captura electrónica, con una vida media de 1 300 millones deaños.

AreK 4018

01-

4019 →+

Puede utilizarse para datar objetos de hasta un millón de años; determinando larelación de K40

19 a Ar4018 en la muestra.

c) Método de Uranio-PlomoSe basa en la serie radiactiva natural de Uranio-238 que termina con laproducción de plomo- 206 estable.Con este método se estima la edad de minerales que contengan Uranio devarios miles de millones de años de antigüedad.

2.7.4. Aplicaciones industrialesa) El flujo de líquido o un gas que ocurre a través de una cañería bajo

tierra se mide mediante un contador Geiger al inyectarle una muestraque contenga una sustancia radiactiva.

b) Fugas en las cañerías.c) El espesor de un metal se correlaciona con la intensidad de la radiación

que lo atraviesa.

2.8. Corona y envoltura

Números cuánticosSon cuatro parámetros que explican de manera satisfactoria el movimiento delos electrones en un átomo, se representan por n, l, m y s; los dos primeros sonenergéticos y los dos últimos magnéticos.

Número cuántico principal (n)Indica el nivel de energía en que se encuentra un electrón.Indica el tamaño de la nube electrónica.Hace referencia a la distancia promedio entre el electrón y el núcleo.Señala el valor energético de un electrón en dicho nivel:

En = 22

242

hnz.e.m.2- π

En = energía total del electrónm = masa del electrónz = carga nuclearh = constante de PLANCKn = No cuántico principal

Sus valores son números enteros positivos: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ....

Número cuántico secundario o azimutal ( l ).- Llamado también parámetro dela forma de la nube electrónica o angular.Indica el subnivel energético del electrón.Esta relacionado con la forma del orbital atómico.Sus valores van desde 0 hasta n-1.

0 1 2 3 ... ( n - 1 ).s p d f ….

Número cuántico magnético o de orientación ( m )Indica el número de posibilidades de orientación espacial de los subniveles o elnúmero de orbitales atómicos.Sus valores son: m = 2l + 1 , es decir dependen de l , por ejemplo cuando l = 1,hay tres valores permitidos para m.Para cada subnivel l , m puede tomar valores enteros que van desde -l hasta +lincluyendo cero. Si l = 2 entonces: m = -2, -1, 0, +1 y +2.Cada orientación u orbital puede alojar a un máximo de 2 electrones.

Número cuántico de spin ( s )Indica el sentido de rotación del electrón sobre su propio eje, el giro de loselectrones en el orbital debe ser opuesto para anular la repulsión electrostática.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

14

Sus valores son s = -12

y +12

(el signo es convencional)

Por conveniencia es mejor empezar por los valores de "m" y "s" negativos.

2.9. Distribución electrónica

Principio de AufbauEl ordenamiento de los electrones en un átomo no necesariamente es en elorden de los niveles porque a medida que los niveles aumentan, sus subnivelesse traslapan y entonces hay subniveles de niveles inferiores con mayor energíaque otros subniveles de niveles superiores, por ejemplo el subnivel 3d es demayor energía que el subnivel 4s y por lo tanto el 4s se ocupará antes que el 3dEl orden de llenado es entonces en estricto orden de energía, ocupándoseprimero los subniveles de menor energía.

El modo más práctico y sencillo es con la regla del serrucho o construcciónprogresiva AUFBAU.

4f 6f5f

3d 6d5d4d

2p 3p 4p 5p 6p 7p

NIVEL 1 2 3 4 5 6 7

SUB

NIVEL

4s 5s 6s 7s3s2s1s

Ejemplos:11Na 11 e- 1s2, 2s2, 2p6,3s1

17Cl 17 e- 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5

A esta se llama distribución electrónica basal o en el estado fundamental, porquecorresponde a un átomo en estado libre de interacciones, cuando un átomo estáformando enlaces la distribución electrónica sufre transformaciones.Excepciones en la distribución electrónica basal:

1. En los elementos: 24Cr, 29Cu, 41Nb, 42Mo, 43Tc, 44Ru, 46Pd, 47Ag, 78Pt, 79Au, loque resulta con el serrucho no es correcto. Se debe pasar un electrón delpenúltimo subnivel al último.

Ejemplo: 29Cu 29 e- 1s2, 2s2, 2p6,3s2, 3p6, 4s1, 3d10

En el 46Pd se deben pasar 2 electrones.

2. En el 57 La y los lantánidos se coloca un electrón en el subnivel 5d antes deque ocupe el 4f.

Ejemplo: 60Nd Xe 6s2 , 4f 3, 5d1

3. En el actinio y los actínidos se coloca un electrón en el subnivel 6d antesque ocupe el 5f.

Ejemplo: 102No Rn 7s2,5f13, 6d1.Se llaman especies isoelectrónicas a los átomos neutros o iones que tienenigual distribución electrónica, es decir, igual número de electrones.

Ejemplo: El ión Na+ es isoelectrónico con el ión F--

11Na+ 10e- 1s2, 2s2, 2p6

9F- 10e- 1s2, 2s2, 2p6

Regla de la máxima multiplicidad de Hund“En un mismo subnivel, antes que cualquiera de sus orbitales contengaelectrones apareados, los otros deben contener por lo menos un electrón".Es decir, en los subniveles p, d, f, los orbitales se llenan uno a uno con unelectrón, cuando cada orbital tiene al menos un electrón, recién se aparean loselectrones.El 8O tiene una distribución basal 1s2, 2s2, 2p4. En el último subnivel hay 4electrones, se puede pensar que todos están apareados, pero aplicando laRegla de Hund, la distribución electrónica desglosada es:

8O

↑↓1s

↑↓2s

↑↓2px

↑2py

↑2pz

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

15

Principio de exclusión de Pauli“Dos electrones en un mismo átomo no pueden tener sus 4 números cuánticosiguales (n, l, m, s) al menos se debe diferenciar en el spín”. Por ejemplo elprimer y segundo electrón de cualquier átomo.

n l m s

e1 3 1 -1 - ½

e2 3 1 -1 + ½

2.10. Propiedades magnéticas

Paramagnetismo.- Un átomo o ión es paramagnético, cuando es atraído porun campo magnético, este fenómeno se debe a la existencia de electronesdesapareados y por lo tanto spin.Ejemplo: 8O → 1s2, 2s2, 2p4

Aplicando la regla de Hund al último subnivel 2px2 2py1 2pz1

Tiene 2 electrones desapareados, por lo tanto es paramagnético.

Diamagnetismo.- Cuando un átomo o ión no es atraído por los camposmagnéticos debido a que no tiene electrones desapareados y por lo tanto todossus espines están neutralizados.Ejemplo:8Ne→ 1s2,2s2,2p6

Aplicando la Regla de Hund al último subnivel 2px2 2py2 2pz2

No hay electrones desapareados.

Ferromagnetismo.- Es una forma extrema de paramagnetismo, en la que sepuede llegar a una magnetización permanentemente, mientras que elparamagnetismo se muestra tan solo, en presencia del campo magnéticoaplicado.Son ferromagnéticos: Fe, Co, Ni, Gd, y sus aleaciones.La susceptibilidad magnética de una sustancia se expresa como momentomagnético: (µ ) y esta determinado por el número de electrones desapareados(n ).

µ = +n n( )2

2.11. Ejercicios1. Indique verdadero (V) o falso (f) según corresponda

I. El átomo es la particula más pequeña de un elemento que conserva laidentidad de dicho elemento

II. Según Dalton todos los átomos de un elemento son idénticos.III. Teniendo en cuenta que los elementos tienen isótopos, los átomos de

un elemento no son idénticos.IV. En un átomo eléctricamente neutro, el número de electrones es igual al

número de protones.

A) FVFF B) VVFV C) VFVV D) VVVV E) FVFV

2. Respecto a las partículas subatómicas del átomo, indique la alter-nativa que contiene la relación correcta:a. Nube electrónicab. Núcleoc. Nube electrónicaI. Hay partículas de carga negativa (e-)II. El número de electrones es igual al número de protones.III. Hay protones y neutrones.

A) aIII, bIII, cI B) aI, bIII, cII C) aII, bIII, cID) aII, bIII, cIII E) aI, bII, cIII

3. ¿Qué proposiciones son correctas acerca del átomo y sus partes?I. El diámetro del núcleo atómico es aproximadamente 10000 veces más

pequeño que el diámetro del átomo.II. El núcleo atómico posee elevada densidadIII. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de

neutronesA) Sólo I B) Sólo II C) Sólo IIID) I y II E) II y III

4. Se denominan partículas subatómicas fundamentales:A) Electrones, positrones y protonesB) Protones, neutrones y positronesC) Protones, neutrones y deuteronesD) Neutrones, protones y electronesE) Partículas α , partículas β y rayos γ

5. Respecto a las partículas subatómicas principales: protón, electrón,neutrón, indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda:I. Las partículas más livianas se encuentran alrededor del núcleo.II. Las partículas más pesadas se encuentran en el núcleo del átomo.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

16

III. La masa del protón es mayor que la masa del neutrón.IV. Todas las partículas que se encuentran en el núcleo presentan carga

positiva.A) VVVV B) VFVF C) FVFV D) VVFF E) VVFV

6. Con respecto a las partículas subatómicas fundamentales señale loincorrecto:A) El neutrón, es la partícula de mayor masa y no tiene carga eléctrica.B) El protón, es la partícula positiva y su masa es ligeramente menor que

la Masa del neutrón.C) El electrón, es la partícula negativa, cuya masa es aproximadamente

1836 veces menor que la masa del protónD) El protón y el neutrón constituyen los nucleones fundamentalesE) En el ión −414

6 C hay 20 partículas subatómicas fundamentales.7. Los isótopos del hidrógeno se diferencian en:

A) Masa atómica promedio B) Carga nuclearC) Electrones D) NeutronesE) Protones

8. Marque el enunciado falso con respecto a los isótopos.A) Poseen el mismo número de protonesB) Poseen diferente número de neutronesC) Poseen diferente número de masaD) Poseen diferentes propiedades químicasE) Poseen diferentes propiedades físicas

9. Con respecto al siguiente núclido marque lo incorrecto.

SC269110

A) Posee 269 nucleones fundamentalesB) Posee 110 protonesC) Posee 110 electronesD) Posee 159 neutronesE) Posee sólo 379 partículas subatómicas

10. Si el átomo de un deteminado elemento contiene: 6 protones, 8neutrones y 6 electrones, ¿Qué alternativa contiene un isótopo delátomo dado?A) 6 protones, 8 neutrones y 8 electronesB) 6 protones, 6 neutrones y 6 electronesC) 6 protones, 6 neutrones y 7 electronesD) 8 protones, 6 neutrones y 6 electrones.E) 8 protones, 8 neutrones y 6 electrones

11. Clasifique como falso (F) o verdadero (y), según corresponda, a cadauna de las siguientes proposiciones:I. El número de nucleones fundamentales de un átomo está determinado

por su número de masa.II. La elevada densidad del núcleo se puede justificar por la existencia de

la fuerza electromagnética.III. Los electrones de los átomos de oxigeno son mas pesados que los

electrones del hidrógeno.IV. Los isótopos de un elemento sólo se diferencian en el número de

neutrones.A) VFFF B) VFFV C) VVFF

D) FFFV E) VFVV

12. La especie iónica X4- tiene el mismo número de electrones que el ionY3+. Este último posee 88 nucleones fundamentales y 59 neutrones.¿Cuál es la carga nuclear del anión?A) 12 B) 22 C) 32 D) 42 E) 52

13. La plata tiene dos isótopos, uno de neutrones (abundancia porcentual51,839%) y el otro de 62 neutrones. Teniendo en cuenta que el númerode este elemento Atómico de este elemento es 47, indique si lasproposiciones son verdaderas (V) o falsas (F)I. La abundancia porcentual más pesada es: 48,161%.II. La cantidad de nucleones en el átomo más liviano 107.III. Los átomos de este elemento son idénticos.

A) VVV B) FFF C) VFV D) VVF E) VFF

14. Acerca de la teoría atómica de Dalton (1808), marque lo que no podríadeducirse de ella.A) Todo cuerpo está constituido, de átomos que son partículas muy

diminutivas, indivisibles e indestructibles.B) Los átomos de un elemento, son idénticos en masa y propiedadesC) Los átomos de elementos diferentes son diferentes en masa y en

propiedadesD) Los átomos de elementos diferentes se combinan para formar la

molécula de un compuesto.E) Los átomos se desintegran las reacciones nucleares.

15. Marque como verdadero (V) o falso (F) respecto a la Teoría Atómica deDalton, según corresponda:I. Átomos de un mismo elemento son iguales en tamaño y propiedadesII. Átomos diferentes no pueden formar compuestos.III. El átomo es la partícula fundamental más pequeña e indivisible de la

materia que mantiene todas las propiedades de la sustancia A) VVV B) VVF C) VFF D) FVF E) VFV

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

17

16. Con respecto a la teoría de Dalton, indique lo incorrecto.A) Los elementos están formados de partículas muy pequeñas llamadas

átomos.B) Los átomos de un elemento son semejantes; particularmente en masa.C) Los cambios químicos se producen por unión íntima, de sus átomos, en

la relación de números enteros simples.D) Los átomos permanecen indivisibles en una reacción químicaE) Según esta teoría el átomo está formado por electrones

17. La teoría atómica de Dalton es inconsistente con la existencia de:A) Átomos B) Isótopos C) ElementosD) Compuestos E) Sustancias

18. Con respecto al modelo atómico de Thomson (1897) marque loincorrecto:

A) Está basado en el estudio de los rayos catódicos.B) Thomson midió la relación carga/masa del electrón, que es

1,76.108 coulomb/gramo.C) El modelo atómico de Thomson, era semejante a un budín con pasas,

(electrones).D) La carga negativa de los electrones neutralizada por la carga positiva

de la esfera atómica.E) El átomo no era eléctricamente neutro

19. ¿Cuáles de las siguientes proposiciones son incorrectas respecto a loplanteado en el modelo de Thomson?

I. La masa del átomo está distribuida en todo el volumen del átomo.II. El átomo consiste en una masa de carga negativa en el cual están

incrustados los cationes.III. Según este modelo los átomos pueden formar iones.

A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo IIID) I y II E) II y III

20. Thomson consideró el átomo:A) Como Mi núcleo cargado positivamente rodeado de cargas negativas

(electrones)B) De naturaleza corpuscular y ondulatoriaC) Eléctricamente neutro, estando sus electrones sin movimientoD) Como una esfera de carga positiva con electrones inmersos en ella,

de tal forma que se neutralizaE) Como un sistema planetario.

21. A continuación se proponen 4 contribuciones que fueron elevantes enel avance de la química y la física.I. Descubrimientos del electrón, al determinar la relación e/m de los rayos

catódicos.II. Propuesta del modelo planetarioIII. Propuesta del primer modelo atómicoIV. Descubrimiento de los rayos X.¿Cuáles son contribuciones de J. J. Thomson?

A) Sólo I B) I y II C) I y III D) I, II y III E) Todos

22. Marque los enunciados incorrectos respecto al modelo Rutherford.I. Utilizó los núcleos de helio para bombardear láminas delgadas de

metales preciosos.II. Concluye en un átomo nucleadoIII. La masa del átomo está repartida en todo el volumen del átomo.

A) Sólo III B) Sólo II C) Sólo I D) III y II E) III y I

23. Con la experiencia de Rutherford -Geiger y MaridenA) Se demostró la validez del modelo atómico de Thomson.B) Se pudo demostrar la relación e/m de las partículas αC) Se pudo deducir la existencia del núcleo atómico.D) Se dedujo que los niveles energéticos en el átomo están cuantizados.E) Se pudo concluir que las partículas α rebotan en la lámina metálica.

24. Con respecto al modelo atómico de Rutherford (1911) marque loincorrectoA) Está basado en la desviación de las partículas alfa (α ), cuando son

bombardeadas a través de una lamina de oroB) Las particulas alfa que se desvían o rebotan, lo hacen con el núcleo atómico.C) Rutherford descubre que todo átomo posee un núcleo positivo.D) El núcleo atómico posee densidad muy baja.E) El modelo atómico de Rutherford semejante al sistema planetario en

miniatura.

25. Marque como verdadero (V) o falso (F) respecto al modelo atómico deBohr.I. El modelo de Bohr es válido para átomo de hidrógeno exclusivamenteII. Se demuestra la estabilidad del ele tren dentro del átomo de hidrógenoIII. El electrón en el átomo de hidrógeno posee energía variable en una

órbita definidaA) VVV B) FVF C) FVV D) VVF E) VVV

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

18

26. En relación al modelo atómico de Bohr para el átomo de hidrógeno,indique verdadero.(V) o falso (F):I. En la órbita basal, el electrón tiene menor velocidad.II. En la transición electrónica de n=5 a n=2 se origina un espectro de

emisiónIII. La longitud de onda mínima para las series espectrales de Balmer es

4/RHA) VFV B) VVV C) FVF D) FVV E) VVF

27. El electrón de un átomo de hidrógeno realiza una transición desde elnivel n=6 hasta un nivel inferior emitiendo una radiación con λ=410,29 mm¿Cuál fue el nivel inferior?

RH = 109678 cm-1; 1 cm =107 mm

A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5

28. El electrón de un átomo de hidrógeno, luego de estar en el estadobasal, absorbe una cantidad de energía que lo lleva a incrementar el

radio de su órbita en 12,72ο

A . Calcule la energía del electrón en sunueva órbita.

A) –13,6 B) –3,4 C) –1,5 D) –0,85 E) –0,54

29. ¿Cuál de las siguientes proposiciones es verdadera?A) Thomson concluyó que los protones están distribuidos dentro del

átomo como “las pasas están distribuidos eh un budín”.B) Rutherford explicó el espectro, continuo del átomo de hidrógeno.C) Thomson determinó la relación e/m del protón.D) La contribución del modelo de Rutherford es haber introducido la idea

de núcleo atómicaE) El modelo de Rutherford explicaba la estabilidad de los átomos en

base a la existencia de órbitas en forma de espiral.

30. Marque como verdadero (V) o falso (F) según correspondaI. Si el modelo de Ruitherford fuese cierto el átomo debería colapasar o

desaparecerII. El modelo de Bohr introduce el concepto de niveles discretos de

energía.III. El modelo de Thomson es conocido como el modelo de “Budín de

pasas”

A) FFF B) FFV C) FVV D) FVF E) VVV

TEMA 3

PERIODICIDAD QUÍMICA

Tabla Periódica

En 1869, el químico ruso Dimitri Mendeleiev, publicó una tabla de los elementosa la que llamo Tabla Periódica, donde mostró que las propiedades de loselementos se repiten periódicamente a intervalos regulares. Este hecho seconoce hoy como la Ley Periódica. La ley periódica resume muchasobservaciones sobre las propiedades de los elementos. Se puede establecer comosigue: cuando los elementos se acomodan en orden creciente de sus númerosatómicos, muestran propiedades similares periódicamente. Todos los elementosestán ordenados de acuerdo con el valor creciente de sus pesos atómicos,formando hileras horizontales llamados periodos, con propiedades físicas yquímicas que cambian en forma progresiva a través de la tabla, y columnasverticales llamadas grupos o familias, con propiedades similares. La IA elaborarla tabla periódica actual, los elementos fueron acomodados uno tras otro, engrupos, debido a sus propiedades químicas semejantes. Por ejemplo, todos loselementos del grupo IA, son metales que, cuando reaccionan, forman iones con unacarga de 1+. Si se examinan las configuraciones electrónicas de estos elementos,se verá que el nivel electrónico exterior para cada uno no tiene sino un electrón enun sub. Nivel s. En forma semejante, todos los elementos del grupo IIA tienen unaconfiguración electrónica en el nivel exterior que se podría generalizar como ns2. Dehecho, examinando cualquier grupo dentro de la tabla periódica, se ve que todos loselementos en el grupo tienen la misma estructura electrónica en el nivel exterior.Las estructuras electrónicas similares conducen a propiedades físicas y químicassemejantes.

3.1. Ley periódicaDespués de muchos intentos de clasificar los elementos, desde Dobereiner(triadas) hasta Mendeleiev (periodicidad por masa atómica), Moseley llegó a laconclusión de que si se ordenan los elementos por su número atómico, seencuentran propiedades comunes para ciertos elementos, así por ejemplo, el 11,19, 37, 55 y 87 tienen propiedades comunes que se incrementan o disminuyensegún su número atómico y constituyen los metales alcalinos. Gracias a estaconclusión se estableció la Ley Periódica para clasificar los elementos en unaTabla Periódica:"Las propiedades químicas de los elementos son una función periódica de susnúmeros atómicos crecientes".

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

19

3.2. Tabla periódica de Moseley y IUPAC (2003)

Descripción de la tabla periódica moderna.La tabla periódica moderna es la conclusión de los diversos intentos que sehicieron para buscar una clasificación natural de los elementos. Esta tablaperiódica puede ser de forma corta o forma larga; pero, en cualquiera de susformas no se debe olvidar que la periodicidad es una función de los númerosatómicos y por ese motivo se clasifica de acuerdo al orden creciente de losmismos.

Tabla periódica moderna (IUPAC 2003)

periodos 7

6

5

4

3

2

1

18 grupos (columnas)

104 105 106 107 108 109

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 1

110 111

El número de elementos oficialmente reconocidos por IUPAC es 111 y estánordenados en grupos y períodos.

3.3. Grupos y periodosLos grupos.- son las columnas de arriba hacia abajo; enumerados del 1 al 18 oen números romanos del I al VIII familias A y B..

Grupo 1 o IA Metales alcalinos: Li , Na, K, Rb, Cs, Fr.Grupo 2 o IIA Metales alcalinotérreos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba,

Ra.Grupo 3 o IIIB Grupo del escandio: Sc, Y, La, AcGrupo 4 o IVB Grupo del titanio: Ti, Zr, Hf, Rf.Grupo 5 o VB Grupo del vanadio: V, Nb, Ta,Db.Grupo 6 o VIB Grupo del cromo: Cr, Mo, W,Sg.Grupo 7 o VIIB Grupo del manganeso: Mn, Tc, Re,Bh.Grupos 8, 9 y 10 o VIIIB Fe, Co, Ni; Ru, Rh, Pd y Os, Ir, Pt. Hs, Mt, Ds.

Grupo 11 o IB Grupo del cobre: Cu, Ag, Au,Uuu.Grupo 12 o IIB Grupo del cinc: Zn. Cd, Hg.Grupo 13 o IIIA Grupo del boro: B, Al, Ga, In, Tl.Grupo 14 o IVA Grupo del carbono: C, Si, Ge, Sn, Pb.Grupo 15 o VA Grupo del nitrógeno: N, P, As, Sb, Bi.Grupo 16 o VIA Calcógenos o grupo del oxígeno.- O, S, Se, Te, Po.Grupo 17 o VIIA Halógenos: F, Cl, Br, I, At.Grupo 18 o VIIIA Gases nobles: He, Ne, Ar, Kr, Xn, Rn.El hidrógeno aunque se ubica en el grupo 1 no es un metal alcalino.Los períodos.- son las filas horizontales de izquierda a derecha, enumeradasdel 1 al 7.

En cada uno de los períodos encontramos los siguientes números de elementos: 1er período 2 elementos (del H al He) 2do período 8 elementos (del Li al Ne) 3er período 8 elementos (del Na al Ar) 4to período 18 elementos (del K al Kr) 5to período 18 elementos (del Rb al Xe) 6to período 32 elementos (del Cs al Rn) 7mo período 25 elementos (del Fr al Uuu)

Después del uranio (z = 92) todos los elementos se llaman transuránidos yson artificiales; es decir, se obtienen en el laboratorio y no se han encontrado enforma natural.

Categorías en las que se agrupan los elementosElementos representativos, s y p.- También conocidos como elementos de losgrupos principales, son los elementos que se encuentran en los extremosizquierdo y derecho de la tabla; al lado izquierdo los metales tienen unaconfiguración electrónica que termina en orbitales “s”; y a la derecha, los nometales cuya configuración electrónica termina en orbitales “p”. Todos tienenincompletos los subniveles s o p del máximo número cuántico principal. Estoselementos muestran en general variaciones distintivas y muy regulares de suspropiedades con el número atómico.Elementos de transición o metales de transición, d.- Se les considera comotransiciones entre los elementos alcalinos de la izquierda y los formadores deácidos a la derecha. Todos son metales y se caracterizan por un aumentoprogresivo de electrones en los orbitales d, incluye las siguientes series:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

20

Primera serie de transición 21Sc a 29CuSegunda serie de transición 37Y a 47AgTercera serie de transición 57La a 79AuCuarta serie de transición no está completa

Elementos de transición interna, f.- Incluye:Lantánidos. Primera serie de transición interna 58Ce a 71LuActínidos. Segunda serie de transición interna 90Th a 103Lr

f

d

s p

elementos de trans ición interna

58

90

Lantánidos

Actínidos

89

57

elementos de trans ición

elementos representativos

7

6

5

4

3

2

1

Grupos representativos de la tabla periódicaa) Metales alcalinos: Li, Na, K, Rb, Cs, ns1

• No aparecen en la naturaleza en estado libre porque se oxidan confacilidad.

• Se obtienen de sus sales fundidas por electrólisis.• Las elevadas reactividades se ilustran mediante sus reacciones con el

agua. El potasio, rubidio y cesio arden al ser sumergidos en agua según:K(s) + H2O(l) → [K+ + OH-](ac) + H2(g) + 481,16 kJ

• Sus átomos muestran la máxima tendencia a perder electrones.• Al aumentar el número atómico aumenta la densidad, volumen atómico,

radio atómico, etc.

• Son metales muy blandos.• Al aumentar el número atómico aumentan sus puntos de fusión.• Se conservan en petróleo o atmósfera inerte.• Forman hidróxidos sólidos blancos.

b) Metales Alcalinotérreos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, ns2

• Sus actividades aumentan de arriba hacia abajo.• Casi todos sus compuestos son iónicos.• No aparecen libres en la naturaleza.• Se obtienen por electrólisis de sus cloruros fundidos.• Tienen tendencia a perder dos electrones y formar cationes divalentes.• Los metales de este grupo son más duros que los metales alcalinos.• Tienen puntos de fusión y ebullición mayores que los metales alcalinos.• Los metales de este grupo no forman iones complejos, ni sus óxidos se

reducen fácilmente con carbón.• Estos metales se obtienen por electrólisis de sus sales fundidas.

c) Halógenos: F, Cl, Br, I, ns2np5

• A medida que aumenta el número atómico, son mayores el punto de fusión,ebullición, densidad, etc.

• La estabilidad del ion haluro frente a la oxidación disminuye al aumentar elnúmero atómico.

• Las moléculas de los halógenos en estado gaseoso son diatómicas;• Tienden a formar ácidos y luego sales.

3.4. Elementos de los bloques: s, p, d, fSe denominan elementos representativos a los elementos que se encuentran enlos extremos izquierdo y derecho de la tabla; al lado izquierdo los metales cuyaconfiguración electrónica termina en orbitales “s” y a la derecha los no metalescuya configuración electrónica termina en orbitales “p”.Los elementos situados en la parte central Grupos del 3 al 12 o familias B, sedenominan elementos de transición y sus distribuciones electrónicas terminan enorbitales “d”.Los elementos de la parte inferior se denominan elementos de transición interna:lantánidos o tierras raras y actínidos se caracterizan porque su distribuciónelectrónica termina en orbitales “f”.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

21

Utilizando la numeración romana, los grupos se dividen en familias A y familiasB.

3.5. Propiedades periódicasLas variaciones de las propiedades dependen de las configuraciones electró-nicas (ordenamiento electrónico del átomo en su estado basal), en especial de laconfiguración de la capa externa ocupada y de su distancia con respecto alnúcleo.Radio atómico.- El tamaño de un átomo está directamente relacionado con elradio atómico. El radio atómico de un átomo individual no puede medirsedirectamente, porque no existe aislado. Por lo tanto el radio atómico se definecomo la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos adyacentes deuna molécula homonuclear, como Cl2, H2, Br2, etc.En la tabla periódica el radio atómico en los grupos aumenta de arriba haciaabajo, así en el primer grupo el Li es el más pequeño y el Fr el más grande.Esto se debe a que el electrón del último nivel se va alejando del núcleoconforme se incrementa el número atómico, al ocupar niveles de mayor energía.

Rn

Xe

Kr

Ar

Ne

HeH

Fr

Cs

Rb

KNa

Li

el radio atómico disminuyeaumenta

En un período el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, esta tendenciano parece lógica ya que en los períodos también se va incrementando elnúmero atómico; pues bien, en un período el número de niveles ocupados es elmismo, pero conforme se va avanzando a la derecha se incrementa el númerode protones y el número de electrones, aumentando así la atracción entre elnúcleo y la nube electrónica, causando una contracción del átomo y por lo tantoen un periodo es más pequeño el átomo mientras mayor sea el número atómico.Energía de ionizaciónLa primera energía de ionización o primer potencial de ionización es la cantidadmínima de energía que se requiere para remover al electrón enlazado con menorfuerza en un átomo aislado para formar un ión gaseoso con carga +1.Ejemplos:

Lio (g) + 520 kJ/mol à Li+ (g) + e-

Ko(g) + 418,8 kJ/mol à K+

(g) + e-

Cao(g) + 589,5 kJ/mol à Ca+

(g) + e-

Si se desea arrancar más de un electrón a un átomo neutro, entonces usaremoslos términos: 1ra energía de ionización, 2da energía de ionización, etc. Estaenergía se incrementa al tratar de sacar más electrones, por ejemplo:

(1ra) Coo(g) + 757,3 kJ/mol à Co +

(g) + e-

(2da) Co+(g) + 1 644 kJ/mol à Co 2+

(g) + e-

(3ra) Co2+(g) + 2 231,7 kJ/mol à Co 3+

(g) + e-

Rn

Xe

Kr

Ar

Ne

HeH

Fr

Cs

Rb

K

Na

Liaumenta

a u m e n t a

En la tabla periódica varía de la siguiente manera:• En un grupo, la energía de ionización de los átomos aumenta de abajo hacia

arriba. Esto se debe a que al aumentar el número de niveles el electrónperiférico se encuentra más alejado del núcleo y por consiguiente tendrámenor fuerza de atracción.

• En un período la energía de ionización de los átomos aumenta de izquierda aderecha. Esto se debe a que aumenta la carga nuclear y de igual manera lafuerza de atracción de los electrones.

Resumiendo: Los elementos con bajas energías de ionización pierden electronesmás fácilmente. Formando iones positivos.

Afinidad electrónicaLa afinidad electrónica (AE) de un elemento es la cantidad de energía que seabsorbe cuando se añade un electrón a un átomo gaseoso aislado para formarun ión con carga 1. Los elementos con afinidades electrónicas muy negativasganan electrones con facilidad para formar iones negativos (aniones). Porejemplo:Br(g) + 1 e- à Br--

(g) + 322 kJ/mol (emite)O (g) + 1 e- à O-

(g) + 142 kJ/mol (emite)O-

(g) + 1 e- à O2-(g) - 378 kJ/mol (absorbe)

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

22

Rn

Xe

Kr

Ar

NeHeH

Fr

Cs

Rb

KNa

Liaumenta

a u m e n t a

Considerando la afinidad como energía liberada cuando un átomo gana unelectrón la tendencia en la tabla periódica es la siguiente.• En un grupo o columna la afinidad electrónica aumenta de abajo hacia arriba.• En un período la afinidad electrónica aumenta de izquierda a derecha.La afinidad electrónica es lo contrario de la energía de ionización. Los elementoscon afinidades electrónicas muy negativas ganan fácilmente electrones, comolos halógenos.

Electronegatividad.- La electronegatividad de un elemento mide la tendenciarelativa del átomo a atraer electrones hacia sí cuando se combina químicamentecon otro átomo. Las electronegatividades de los elementos se expresan en laescala de Pauling.

Rn

Xe

Kr

Ar

Ne

HeH

Fr

Cs

Rb

K

Na

Li

disminuye

aumenta

a u m e n t a

En los grupos la electronegatividad va disminuyendo de arriba hacia abajo,conforme aumenta el número atómico, mientras que en los períodos seincrementa de izquierda a derecha.Los elementos más electronegativos están en el lado derecho superior de latabla (Halógenos F) y los menos electronegativos se ubican en el lado inferiorizquierdo (metales alcalinos, Fr).

Radios iónicos.- Muchos elementos del lado izquierdo de la tabla periódica, alcombinarse pierden electrones y quedan convertidos en cationes. Mientras quelos elementos del lado derecho tienden a ganar electrones y trasformarse enaniones.Comparando los átomos neutros con sus iones positivos o negativos, se puedeafirmar:a) Los iones simples con carga positiva (cationes), son siempre más pequeños

que sus respectivos átomos neutros.Na > Na+ Mg >> Mg2+

b) Los aniones son siempre más grandes que los átomos neutroscorrespondientes:

P3 - > P Cl- > Cl

3.6. Tendencias del punto de ebullición y punto de fusiónEn un grupo los puntos de fusión y de ebullición se incrementa de arriba haciaabajo, así por ejemplo en los halógenos los puntos de ebullición para el Cl2, Br2 yI2 son: -34,6ºC, 58,6ºC y 184,4ºC respectivamente.En un periodo, para los metales aumentan de izquierda a derecha y en los nometales se incrementan de derecha a izquierda.

Carácter metálico y no metálicoA lo largo de cualquier periodo, las propiedades físicas y químicas de loselementos cambian de manera gradual de metálicas a no metálicas. Lacomparación de las propiedades de los elementos del mismo grupo es másválida si se trata de elementos del mismo tipo en relación con su caráctermetálico.

ValenciaEs el número de electrones que un átomo puede ganar o perder para conseguiruna distribución electrónica de gas noble, como el máximo de electrones enúltimo nivel ocupado o nivel de valencia es 8, entonces, las valencias fluctúanentre 1 y 4Cada elemento sólo tiene una valencia y depende del grupo en que seencuentra:

Grupo IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

Valencia 1 2 3 4 3 2 1 0

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

23

Estado de oxidaciónEs el número aparente de electrones ganados o perdidos en promedio por losátomos de un elemento cuando forma un compuesto. Así por ejemplo el Na en elNaCl pierde un electrón por átomo por lo tanto su número de oxidación es +1.El O en el H2O aparentemente gana 2 electrones por lo tanto su número deoxidación es -2.

Grupo IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

Números deoxidación

+1 +2 +3 +4+2

-4

+5+3

-3

+6+4+2

-2

+7+5+3+1-1

0

3.7. Ejercicios

1. Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:I) Mendeleiev clasificó los elementos químicos en orden creciente de sus

“pesos atómicos”, agrupándolos en grupos y en periodos, primando siemprelas propiedades químicas y físicas.

II) Meyer al clasificar los elementos químicos en orden creciente de sus “pesosatómicos”, dejó espacios vacíos para ubicar los futuros elementos nodescubiertos

III) La periodicidad establecida por Mendeleiev le permitió predecir lapropiedades de algunos elementos aún no descubiertosA) V V V B) F F FC) V V F D) V F V E) F V V

2. Indique la proposición incorrecta, respecto a la Tabla Periódica.A) Meyer pone en manifiesto que se obtienen curvas periódicas al representar.;

frente al “peso atómico”, diversas propiedades como: fusibilidad, volatilidad,maleabilidad, fragilidad y comportamiento electroquímico.

B) Mendeleiev ordena los elementos en forma de tabla, de acuerdo a su “pesoatómico” y desde el punto de vista química

C) Mendeleiev considera en su ordenamiento los periodos.D) Sólo Meyer dejó espacios vacíos en 12 tablas para ubicar elementos aun no

conocidos.E) La ley periódica surgió de modo empírico antes de conocerse sus

fundamentos

3. Diga que proposiciones son correctasI. Actualmente los elementos químicos se ubican en 18 grupos y 7

periodos.II. El primer, segundo y tercer periodo contienen 2,8 y 18 elementos

químicos; a partir del cuarto periodo son 32 elementos, hasta el séptimoque aun es incompleto.

III. Los grupos 1, 2, 3, 4 y 5 contienen 7 elementos químicos cada unoA) Solo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y II E) II y III

4. Según la ley periódica moderna marque lo correcto:I) Fue establecida por Mendeleiev en 1913.II) Las propiedades físicas de los elementos no tienen variación.III) Las propiedades físicas y químicas de los elementos varían en función

periódica de números atómicos.IV) Las propiedades químicas de los elementos varían en función periódica

de sus masas atómicas.V) Las propiedades químicas de los elementos varían en función periódica

de sus valencias.

5. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda:I. Los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18 son elementos representativos.II. Los grupos 3 al 12 son elementos de transición.III. Los electrones de valencia de los elementos de transición se ubican en

orbitales s y d.IV. Los gases nobles ubican sus electrones de valencia en orbitales s y p,

excepto el helio.I) VVV B) FFFF C) FVFV D) VFVF E) VVFV

6. Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes relaciones:I. Periodo - arreglo horizontalII. Grupo - diferente nivel de valenciaIII. Periodo - igual nivel de valenciaIV. Grupo - igual configuración electrónica en la última capa.

A) FFFF B) VFFF C) VVFF D) VVVF E) VVVV

7. Indique cuál de las siguientes preposiciones es incorrecta:I) Los metales alcalinotérreos tienen sus electrones de valencia en subnivel

s.II) Los no metales y los semimetales tienen electrones de valencia en

subniveles s y pIII) Los no metales y los semimetales están ubicados en el mismo bloque de

la tabla PeriódicaIV) En el grupo de los halógenos no existen semimetales.V) Ningún elemento de transición es no metal

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

24

8. Dada la configuración de los siguientes elementos:

[ ][ ][ ] 52

102

102

32:434:

34:1

psHeCpdsArB

dsArA

I) A y B son metalesII) A y B son no metalesIII) A y C son no metalesIV) B y C son no metalesV) A y B son no metales

9. Diga qué proposición es correcta:I. Los elementos: Hg, Cu, Au, P, Ca, Na, son metalesII. Los elementos: C, B, N, S, O, Cl , son no metales.III. Los elementos: Cr, Mn, Zn, Al , Ge, Te son semimetalesIV. Los elementos metálicos, no metales, semimetales y gases nobles,

constituyen todos los elementos químicos existentesA) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo IV E) I y II

10. Señale las proposiciones correctas.I. Los elementos representativos sólo terminan en subniveles s, en su

configuración electrónica.II. Todos los elementos de transición son metales.III. Los elementos representativos, todos son no metales.A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo IIID) I y II E) II y III

11. Qué configuración no corresponde al elemento indicado?I. [ ] 51

24 34: dsArCrII. [ ] 1102

31 434: pdsArGaIII. [ ] 2

55 6: sXeCsA) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y II E) II y III

12. Indique la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:I. Se trata de un elemento representativo, 19K.II. Se trata de un elemento de transición, 21ScIII. La configuración electrónica de un elemento alcalino terreo termina en

s1

A) VVV B) VFV C) VVF D) FVV E) VFF

13. Señale las proposiciones verdaderas (V) o las falsas (F)I. Son ejemplos de metales del bloque s: H, Na, K, Ca.II. Son elementos de transición: Fe, Co, Ni.III. Los elementos del bloque f son metalesA) VVV B) FVF C) VFV D) FVV E) FFF

14. Indique la veracidad (V) o falsedad (F) de las proposiciones siguientes:I. El hidrógeno es un alcalino (Z = 1)II. El elemento con Z= 17 pertenece al bloque “p”III. El elemento con (Z =30) pertenece a un elemento de transiciónA) VVV B) FFV C) FFV D) VFV E) VVF

15. Un elemento con la configuración de valencia:5s24d105p4 se llamaA) Teluro B) Antimonio C) GermanioD) Zinc E) Selenio'

16. Determine la ubicación de un elemento que tiene un catión divalentecon 36e- , señalando su periodo y grupo respectivo.A) P: 3 B) P: 4 C) P: 4 G: IIA G: VIA G: IA

D) P: 3 E) P: 5 G: VIA G: IIA

17. Indique la veracidad (V)o falsedad (F) de las siguiente proposiciones:I. El Oxígeno (Z=8) pertenece a la familia de los anfígenosII. Los elementos de transición interna pertenece al grupo IIIB.III. El 29Cu pertenece al grupo VIIIB.A) VVV B) VFV C) VVFD) VFF E) FVV

TEMA 4

ENLACES QUÍMICOS

IntroducciónEn la mesa de casi todas las cafeterías podemos encontrar dos sustanciascristalinas blancas: sal de mesa y azúcar granulada. A pesar de su aspecto tansimilar, la sal de mesa es cloruro de sodio, NaCl soluble en agua, que se

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

25

compone de iones sodio, Na+ e iones cloruro, Cl- . El azúcar granulada nocontiene iones, mas bien, consta de moléculas de sacarosa, C12H22O11, en losque existen fuertes enlaces covalentes entre los átomos de cada molécula.Generalmente nos hacemos las siguientes preguntas respecto a la naturalezade las sustancias:¿Por qué reaccionan los átomos de los distintos elementos?¿Por qué algunas sustancias se componen de iones y otras de moléculas?¿Cuáles son las fuerzas que contienen unidos a los átomos en las moléculas y alos iones en los compuestos iónicos?¿Qué formas adoptan?

Las respuestas se encuentran en las estructuras electrónicas de los átomos encuestión y en la naturaleza de las fuerzas químicas dentro de los compuestos.En esta balota se examinará las relaciones entre estructura electrónica, fuerzasde enlace químico y propiedades de las sustancias.Las fuerzas químicas se clasifican en: enlaces iónicos, enlaces covalentes yenlaces metálicos.

Enlace Químico

Puede definirse como las fuerzas que mantiene unidos a los átomos deelementos y compuestos se llaman enlaces químicos. Para que se forme unenlace químico, entre dos átomos, debe haber una disminución neta de energíapotencial del sistema, es decir, los iones o moléculas producidas por lasdistribuciones electrónicas deben estar en un estado enerogético mas bajo queel de los átomos aislados.

Clasificación

ENLACEQUIMICO

ENLACEINTERATOMICO

FUERZAS DEVAN DER WAALS OFUERZASINTERMOLECULARES

- Normal o no polar- Covalente polar- Coordinado

- Puente de hidrógeno- Fuerzas de dispersión de London Interacción dipolo – dipolo Interacción dipolo – dipolo inducido

- Covalente- Ionico

- Metálico

4.3. Representación Lewis, regla del octetoLos símbolos de electrón punto, llamados también símbolos de puntos de Lewis,son una forma de mostrar los electrones de valencia de los átomos y deseguirles el camino durante la formación de enlaces.

El símbolo de electrón-punto para un elemento consiste en el símbolo químicodel elemento más un punto por cada electrón de valencia. Por ejemplo, el Flúortiene la configuración electrónica 1s2, 2s2, 2p5, por tanto, su símbolo de electrón-punto muestra siete electrones de valencia:

.F:••

••

Debido a que se consideran los electrones de valencia, es decir los electronesde los orbitales s y p.

Observe que los puntos se colocan en los cuatro lados del símbolo atómico:arriba, abajo y a la izquierda, a la derecha. Cada lado puede dar cabida a doselectrones como máximo. Los cuatro lados del símbolo son equivalentes, lacolocación de dos electrones o de uno es arbitraria.

4.3.1. Símbolos de electrón-punto

Elemento Configuraciónelectrónica

Símbolo deelectrón-punto

Nº de grupo en latabla periódica

Li [He]2s1

Li •

1 , IA

Be [He]2s2

• Be •

2 , IIA

B [He]2s2 2p1

B •

•

•

13 , IIIA

C [He]2s2 2p2

C •

•

•

•

14 , IVA

N [He]2s2 2p3

:N•

•

•15 , VA

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

26

O [He]2s2 2p4

O: •

•

••

16 , VIA

F [He]2s2 2p5

F: •

••

••

17 , VIIA

Ne [He]2s2 2p6

:: Ne••

••

18 , VIIIA

Los electrones de valencia que participan en los enlaces químicos se denominanelectrones de valencia. El término valencia está relacionado con la formación deenlaces químicos.Los electrones de valencia son los que residen en la capa electrónica exteriorparcialmente ocupada de un átomo.El número de electrones de valencia de cualquier elemento es el mismo que elnúmero de grupo en el que está el elemento de la tabla periódica. Por ejemplo,los símbolos de Lewis para el oxígeno y el azufre, miembros del grupo 16, tienenseis puntos.

Oxígeno [He]2s2 2p4

Azufre [He]3s2 3p4

Los átomos con frecuencia ganan, pierden o comparten electrones tratando dealcanzar el mismo número de electrones que los gases nobles más cercanos aellos en la tabla periódica. Los gases nobles con excepción del helio, tienen ochoelectrones valencia. Muchos átomos que sufren reacciones también terminan enocho electrones de valencia.

4.3.2. Regla del OctetoLos átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeadospor ocho electrones de valencia. Un octeto de electrones de valencia dispuestosalrededor del átomo como en la configuración del Neón es:

:Ne: ••

••

4.3.3. Excepciones a la Regla del OctetoTiene limitaciones al tratar las siguientes situaciones en la que intervienenenlaces covalentes:

1) Moléculas con número impar de electrones: En las moléculas como ClO2, NO y NO2 el número de electrones es impar.

Por ejemplo, el NO contiene 5 + 6 = 11 electrones de valencia, es imposible

aparear totalmente estos electrones para lograr un octeto alrededor de cadaátomo.

2) Moléculas en las que un átomo tiene menos de un octeto:

Cuando hay menos de ocho electronesalrededor de un átomo en una molécula o ión.Esta situación la presentan los compuestosde boro y berilio. Por ejemplo, el trifluoruro deboro, BF3

B

F

F F

Sólo hay seis electrones alrededor del boro. El comportamiento químico escongruente con esta representación.

3) Moléculas en las que un átomo tiene más de un octeto:

Consiste en moléculas o iones en lo quehay más de ocho electrones en la capa

de valencia de un átomo. Por ejemplo, laestructura Lewis para el PCl5 es:

PCl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

El fósforo, P tiene 10 electrones, su capa de valencia está expandida. Otrosejemplos con capas de valencia expandidas son SF4, AsF6

-, ICl4.-

4.4. Enlace IónicoEl término enlace iónico se refiere a las fuerzas electrostáticas que existen entreiones con carga opuesta. Los iones pueden formarse a partir de átomos portransferencia de uno o más electrones de un átomo a otro. Las sustanciasiónicas casi siempre son el resultado de la interacción entre metales de extremaizquierda de la tabla periódica y no metales de extrema derecha (excluidos losgases nobles).El Enlace iónico o electrovalente se forma cuando uno o más electrones del nivel devalencia de un átomo, se transfieren al nivel de valencia de otro, transformándoseambos en iones positivo y negativo, respectivamente, y atrayéndose entre síelectrostáticamente. El átomo que ha perdido uno o más electrones de valenciaposee carga positiva (ion positivo o catión); del mismo modo, el átomo que haganado uno o más electrones posee carga negativa (ion negativo o anión); a estosiones se les conoce por electrolitos, porque estos conducen la corriente eléctrica.Los compuestos que contienen enlace predominante iónico se conocen comocompuestos iónicos. Esta atracción electrostática entre los iones de carga contraria

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

27

es el enlace llamado iónico. Los compuestos iónicos en estado fundido o ensoluciones acuosas contienen iones (átomos con carga eléctrica), los cualesoriginan una diferencia del potencial, que permite el paso de la corriente eléctrica.Por lo general, estos compuestos son sólidos con puntos de fusión altos (> 400ºC), muchos de ellos son solubles en agua, la mayoría es insoluble en solventesno polares, los compuestos fundidos, así como, sus soluciones acuosasconducen bien la electricidad porque contienen partículas móviles con carga. Porejemplo: NaCl, MgCl2, Li2O, CaO, Al2O3, Mg3N2, etc.Cuando el sodio metálico, Na (s), se pone en contacto con Cloro gaseoso, Cl2(g)ocurre una reacción violenta. El producto de esta reacción tan exotérmica escloruro de sodio sólido.

kJ/mol410,9-fH(s)NaCl2(g)Cl21

(s)Na =∆→+ o

El cloruro de sodio se compone de iones Na+ y Cl-, que están dispuestos en unamatriz tridimensional, cada uno de los iones Na+ está rodeado por seis iones Cl-,y cada ión Cl- está rodeado por seis iones Na+, según de siguiente figura:

La formación del ión Na+ (catión) a partir de Na y del ión Cl- (anión) a partir delCl2, indica que un átomo de sodio, perdió un electrón, y que un átomo de cloro loganó:

−→−+

++→

Cle1Cl

-1eNaNa

El NaCl es representativo de los compuestos iónicos, implica un metal conenergía de ionización baja y un no metal con elevada afinidad por los electrones.Según los símbolos de electrón-punto se puede representar esta reacción comosigue:

−••

••

••

••

••

++→+ :Cl::Cl NaNa

Muchas otras reacciones comunes llevan a la formación de enlaces iónicos. Porejemplo, al quemar calcio en presencia de oxígeno se forma óxido de calcio:

[ ] [ ] [ ]NeArsp2s1s4s

2Ca

(s)CaO22(g)O)(2

4222

OAr

Ca

sCa

+→+

→+

2:O: −••

••

•

••

••

•••

Hay una transferencia de dos electrones del átomo de calcio al átomo deoxígeno. El ión Calcio (Ca2+) formado tiene la configuración electrónica delargón, el ión óxido es isoelectrónico con el neón y el compuesto, CaO, eseléctricamente neutro.En muchos casos, el catión y el anión en un compuesto no tienen la mismacarga. Por ejemplo cuando el litio se quema en aire y forma óxido de litio (Li2O),la ecuación balaceada es:

[ ][ ]NeHe42p22s21s12s21s

O)2(Lio2

22

O2LiO4

OO(s)22(s))(

−+→+

→+••

••

•

••

••

•• LiLi

Li s

El oxígeno recibe dos electrones de cada uno (de los átomos de litio) paraformar el ión óxido.

Energía reticularEnergía reticular se define como la energía requerida para separarcompletamente un mol de un compuesto iónico sólido en sus iones y no sólo dela interacción catión con un anión.La energía reticular es una medida cuantitativa de la estabilidad de cualquiersólido iónico. Depende de las interacciones de todos los iones y no sólo de lainteracción catión con un anión.La energía reticular se define como la energía requerida para separarcompletamente un mol de un compuesto iónico sólido en sus iones en estadogaseoso.La energía reticular se puede calcular utilizando la ley de Coulomb (si se conocela estructura y la composición de un compuesto iónico) la cual establece que “laenergía potencial (E) entre dos iones es directamente proporcional al productode sus cargas e inversamente proporcional a la distancia que los separa”. Para

Cl-Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+

Cl-Na+ Cl- Na+ Cl- Na+

Na+ Cl-Na+ Cl- Na+ Cl-

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

28

iones individuales de Li+ y Cl- separados por una distancia r la energía potencialdel sistema está dada por:

rQQ

E FLi −+

= k Donde: +LiQ y −F

Q son las cargas de los iones Li+ y F-

k = constante de proporcionalidad

E, es una cantidad negativa entonces la formación de un enlace iónico a partirde Li+ y F- es un proceso exotérmico. En consecuencia para invertir el procesose debe aportar energía, es decir la energía reticular del LiF es positiva, por loque el par de iones Li+ y F- enlazado es más estable que los iones separados.También se puede determinar la energía reticular indirectamente mediante elciclo de Born-Haber. Este procedimiento relaciona las energías reticulares de loscompuestos iónicos con las energías de ionización, afinidad electrónica y otraspropiedades atómicas y moleculares. El cielo de Born – Haber define lasdistintas etapas que preceden a la formación de un sólido iónico.Existe cierta correlación entre la energía reticular y el punto de fusión. Cuantomayor es la energía reticular más estable es el sólido y los iones se enlazan conmás fuerza. Por ello, se requiere mayor energía para fundir dicho sólido y éstetendrá mayor punto de fusión que aquel que tenga menor energía reticular.Ejemplos de energía reticulares y puntos de fusión.

Compuesto Energía reticular(kJ/mol)

Punto de fusión (ºC)

LiF 1017 854

LiCl 828 610

LiBe 787 550

LiI 732 450

NaCl 788 801

NaBr 736 750

NaI 686 662

KCl 699 772

KBr 689 735

KI 632 680

4.5. Enlace CovalenteEl enlace covalente se debe a que se comparten uno o más pares de electronesentre dos átomos, debido a que diferencia de electronegatividades no essuficientemente grande como para que se efectúe una transferencia deelectrones; por lo tanto, no pierden ni ganan electrones, sino que los comparten.Por consiguiente, este tipo de enlace se encuentra en todas las moléculasconstituidas por elementos no metálicos, combinaciones binarias que estoselementos forman entre si, tales como hidruros gaseosos y en los compuestosde carbono. En la mayoría de los enlaces covalentes participan dos, cuatro oseis electrones, es decir, uno, dos o tres pares de electrones; formado enlacescovalentes simples, dobles o triples, por aportes equitativos de cada átomo. Loscompuestos que contienen enlace predominantemente covalente se llamancompuestos covalentes. Por lo general, estos compuestos son gases, líquidos osólidos con puntos de fusión bajos (< 300 ºC), muchos de ellos son insolubles enagua, la mayoría es soluble en solventes no polares, los compuestos líquidos ofundidos no conducen la electricidad, las soluciones acuosas de la mayoría delos compuestos covalentes suelen ser malas conductoras de la electricidadporque no contienen partículas con carga.Según la teoría de enlace de valencia (TEV), los enlaces covalentes se formanpor el solapamiento de dos orbitales atómicos, cada uno de los cuales tiene unsolo electrón.Los ejemplos más comunes de enlaces covalentes se observan en lasinteracciones de los elementos no metálicos entre sí.La molécula de hidrógeno, H2, utilizando la simbología Lewis se forma según:

HHHH :→+ ••

El par de electrones compartidos proporciona a cada átomo de hidrógeno doselectrones en su orbital de capa de valencia (1s), teniendo la configuración delgas noble helio. La energía mínima que corresponde a la disposición másestable aparece a una distancia internuclear de 0,74 Å. De forma análoga,cuando dos átomos de cloro se combinan para formar la molécula Cl2 se tiene:

::::: ClClClCl••

••

••

••

••

••

••

••

••

→+ :

Cada átomo de cloro, al compartir el par de electrones de enlace, adquiere ochoelectrones (un octeto) en su capa de valencia.Al escribir estructuras Lewis normalmente indicamos con una línea cada par deelectrones compartido entre dos átomos y los pares de electrones no

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

29

compartidos se dibujan con puntos siguiendo esta convención, las estructuras deLewis para H2 y Cl2 se dibujan así:

:ClCl:HH••

••

••

••

Los pares de electrones compartidos no se encuentran en posiciones fijas entrenúcleos.Para los no metales, el número de electrones de valencia es igual al número degrupo. Por lo que elementos del grupo 17, forman un enlace covalente paraalcanzar el octeto, elementos del grupo 16 como O, formarán dos enlacescovalentes, los elementos del grupo 15 como N, formarán tres enlacescovalentes y los elementos 14 como C, formarán cuatro enlaces covalentes. Porejemplo:

NH

H

H C

H

H

H

HFH OH

H

4.5.1. Enlace Covalente normal o no polarSe produce entre dos átomos idénticos (electronegatividades iguales),generando una distribución simétrica de la densidad electrónica alrededor de losnúcleos de los dos átomos; es decir, el par de electrones se comparte demanera igual. Todas las moléculas diatómicas homo nucleares, como H2, O2, N2,F2 Cl2, etc., poseen este tipo de enlace.

En el caso de la molécula de hidrógeno, H2 la densidad electrónica se representa:

+ +

Moléculas biatómicas homonucleares.Presentan enlace covalente no polar: H2, O2, N2, F2 y Cl2.

4.5.2. Enlace covalente polar o enlace polarSe produce entre dos átomos con diferentes electronegatividades, generandouna distribución asimétrica de la densidad electrónica, la densidad electrónica se

distorsiona en dirección del átomo más electronegativo; es decir, el par deelectrones se comparte en forma desigual, generando dipolos, cargas parcialesde signo contrario. Todas las moléculas diatómicas heteronucleares, como HF,HCl, HBr, HI, etc., poseen este tipo de enlace.Por ejemplo el fluoruro de hidrógeno, HF, en este enlace, el H y F no son átomosidénticos y no atraerán a los electrones con la misma fuerza. El átomo de flúortiene mayor electronegatividad (4,0) respecto al hidrógeno (2,1) por lo queatraerá al par electrónico compartido con mucha más fuerza que el hidrógeno.Presentan distribución asimétrica de la densidad electrónica, se distorsiona en ladirección del átomo de flúor más electronegativa.

HF ( F > H) →

H F

-δδ +

x H Fδ -δ+

La δ+ sobre el átomo de H indica una “carga positiva parcial”. La δ- sobre el Flúorindica una “carga negativa parcial” o sea que el extremo de flúor es negativo conrespecto al extremo del hidrógeno.

Los enlaces covalentes polares pueden considerarse como intermedios entre losenlaces covalentes puros y los enlaces iónicos. La polaridad a veces se describecomo carácter iónico parcial que normalmente aumenta al hacerlo la diferenciade electronegatividad entre los átomos unidos.La separación de cargas de un enlace covalente polar crea un dipolo, polosnegativo y positivo que aparecen en el proceso de separación de cargas.A mayor diferencia de electronegatividades (∆EN) mayor será el dipolo o mayorla separación de la densidad electrónica en la molécula. Por ejemplo, siconsideramos las moléculas covalentes HF, HCl, HBr y HI sus dipolos sondiferentes porque el F, Cl, Br, y I tienen distinta electronegatividad.

H - F H - Cl H - Br H - I

2,1 4,0 2,1 3,0 2,1 2,8 2,1 2,5

∆(EN) 1,9 0,9 0,7 0,4

Una regla que ayuda a distinguir un enlace polar, no polar o un enlace iónico esla diferencia de electronegatividades entre dos átomos enlazados si es dos o

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

30

mayor forma enlace iónico, cuando es menor que 0,9 se forma un enlace nopolar y enlace polar cuando la diferencia está entre 0,9 y 1,7. El HF, H2O, HCl,presentan enlace covalente polar.

4.5.3. Enlace covalente coordinadoSe define como un enlace covalente en el cual uno de los átomos cede los doselectrones.Se produce cuando dos átomos comparten un par de electrones, pero dicho parprocede solamente de uno de los átomos combinados; es decir, uno de losátomos aporta el par de electrones (donante) y el otro aporta un orbital vació(aceptor). Los compuestos de coordinación presentan este tipo de enlace; estoscompuestos presentan iones metálicos de transición, los cuales poseen orbitalesd vacíos que pueden aceptar compartir pares electrónicos.

La reacción del trifluoruro de boro con el amoníaco representada con estructurade Lewis el boro sólo tiene seis electrones de valencia a su alrededor según,

El enlace BßN difiere de los otros debido a que el par de electrones es cedidosolamente por el átomo de N. Este tipo de reacción se define como un ácido-base Lewis.

Ácido Lewis.- Es toda sustancia capaz de aceptar un par de electrones encompartición. H+, Na+, AlCl3.

Base Lewis.- Es toda sustancia capaz de donar un par de electrones encompartición, Ejemplo Cl-, NH3,De acuerdo a esta definición, una reacción de neutralización es la formación deun enlace covalente coordinado entre el donador del par y el aceptor del par.

4.5.4. Enlace covalente: simple, doble, tripleEn muchas moléculas, los átomos completan un octeto compartiendo más de unpar de electrones entre ellos.Cuando se comparte un par de electrones constituye un solo enlace covalente,enlace sencillo. Cuando se comparten dos pares de electrones, se dibuja dos

líneas, que representan un doble enlace. Un triple enlace corresponde a trespares de electrones que se comparten. Por ejemplo:

HF CO2 N2

H – FOCO

••

••

••

••== :: NN ≡

La distancia entre los átomos enlazados disminuye al aumentar el número depares de electrones que se comparten. Por ejemplo:

N – N N = N N ≡ N

1,47 Å 1,24 Å 1,10 Å

4.5.5. ResonanciaEl término resonancia en sí mismo significa el empleo de dos o más estructurasde Lewis para una molécula particular. Ninguna de las estructuras de resonanciarepresenta adecuadamente a la molécula real. Presentan enlaces conjugados.Los dobles enlaces están alternados con uno simple. Ejemplo:

C CC C

Al dibujar la estructura de Lewis del ozono (O3), el enlace doble se puedecolocar en cualquier extremo de la molécula, dando dos estructuras equivalentessegún:

O O O OO O

Ninguna de estas dos estructuras explica las longitudes de enlaces conocidos enel O3. Se utilizan ambas estructuras de Lewis para representar la molécula deozono.

OO OO O O

La doble flecha indica que las estructuras mostradas son estructuras deresonancia.

La estructura de resonancia para el ion carbonato es:

O OC

O

C OO

O

O C

O

O

+ NH

HH F

F

F

H

HHNBBF

F

F

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

31

La estructura de resonancia para la molécula de benceno es:

4.5.6 Propiedades de las sustancias covalentes1. Gas, líquido o sólidos de bajo punto de fusión.2. La mayoría son insolubles en disolventes polares.3. La mayoría son solubles en disolventes no polares.4. Los líquidos y sólidos no conducen la electricidad5. Las disoluciones acuosas son malas conductoras de la electricidad

porque no contienen partículas cargadas.6. Presentan bajo punto de ebullición.

4.6. Enlace MetálicoLos enlaces metálicos se encuentran en metales sólidos como cobre, hierro, yaluminio. En los metales, cada átomo metálico está unido a varios átomosvecinos. Los electrones de enlace tienen relativa libertad para moverse dentro detoda la estructura tridimensional. Los enlaces metálicos originan propiedadesmetálicas típicas como:

1) Una superficie metálica reciente tiene un lustre característico.2) Presentan elevada conductividad térmica, así los metales que podemos

manipular con las manos desnudas producen una sensación fría.3) Tienen una alta conductividad eléctrica; la corriente eléctrica fluye

fácilmente a través de ellos.4) La conductividad térmica de un metal es por lo común paralela a su

conductividad eléctrica.5) Casi todos los metales son maleables y dúctiles pueden formar hojas

delgadas y alambres.Casi todos los metales forman estructuras sólidas en los que los átomos estándispuestos como esferas empacadas de manera compacta.

4.7. Enlace intermolecular Fuerzas de Van der WaalsLas propiedades físicas de los líquidos y sólidos moleculares, se deben en granmedida a las fuerzas intermoleculares, fuerzas que existen entre moléculas. Lasintensidades varían dentro de un intervalo amplio, pero generalmente sonmucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes. Por ejemplo, sólo se

requiere 16 kJ/mol para vencer las atracciones intermoleculares entre lasmoléculas HCl en el HCl líquido y vaporizado. En cambio, la energía necesariapara romper el enlace covalente y disociar el HCl en átomos de H y Cl es de 431kJ/mol.Muchas propiedades de los líquidos, incluido punto de ebullición reflejan laintensidad de las fuerzas intermoleculares. Cuanto más intensas son las fuerzasde atracción, más alta es la temperatura a la que el líquido hierve. Asimismo, elpunto de fusión de un sólido se incrementa al elevarse la intensidad de lasfuerzas intermoleculares.

4.7.1 Enlace de hidrógenoLos puentes de hidrógeno son un tipo especial de atracción intermolecular queexiste entre el átomo de hidrógeno de un enlace polar (sobre todo un enlace H –F, H – O o H – N) y un par de electrones no compartido en un ión o átomoelectronegativo cercano (usualmente un átomo F, O o N de otra molécula). Lospuentes de hidrógeno pueden considerarse como atracciones dipolo – dipoloúnico.Por ejemplo:

a) HF H – F.... H - :F••

••

(Los puntos (....) representan el Puente de hidrógeno)

b) H2O

H

OH :|

••

−¨¨

H

OH :|

••

−

Las líneas continuas representan Enlaces covalentes

c) NH3

NHH

H

: .... H NH

H:

OHH

.... :F:: ••

••NHH

H

: H OH

:....••

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

32

NH

H

H

:H O

H: ....••

Los puntos de ebullición de los hidruros simples de los elementos de los grupos16 y 17 se muestran a continuación.

Compuesto Punto deebullición (ºC)

Compuesto Punto deebullición (ºC)

H2O 100 HF 19H2S -62 HCl -84H2Se -42 HBr -67H2Te -4 HI -35

-100

100

0

50 100 1500

OH2

SH2

SeH2 TeH2

Temperatura (ºC)

Masa molecular

FH

ClHBrH

IH

En general, el punto de ebullición se eleva al aumentar el peso molecular,porque las fuerzas de London o dispersión son más grandes. La excepciónnotable a esta tendencia es el H2O, cuyo punto de ebullición es mucho más altoque el que esperaríamos con base en su peso molecular. Los compuestos NH3 yHF también tienen puntos de ebullición anormalmente altos. Además, estoscompuestos tienen muchas otras características que los distinguen de otrassustancias con peso molecular y polaridad similares. Por ejemplo el agua tieneun punto de fusión alto, calor específico alto y calor de vaporización alto. Todas

estas propiedades indican que las fuerzas entre las moléculas H2O sonanormalmente intensas.Estas fuertes atracciones intermoleculares del H2O son el resultado de lospuentes de hidrógeno.

Importancia de los puentes de hidrógeno1) Son importantes para estabilizar las proteínas, que son componentes clave

de la piel, los músculos y otros tejidos estructurados de los animales.2) Hacen posible la transmisión de información genética mediante el DNA.3) La densidad del hielo a 0ºC (0,917 g/mL) es menos que la del agua líquida a

0ºC (1,00 g/mL), lo que se puede entender en términos de las interaccionesde puente de hidrógeno entre moléculas del agua, esto es

a. Adoptan la disposición ordenada abierta.b. Una masa dada de hielo ocupa un mayor volumen que la misma

masa de agua líquida.

Longitud del enlace de H

Enlace covalente Enlace de H

4) La densidad del hielo en comparación con la del agua líquida afectaprofundamente la vida en la Tierra. El hielo flota en ella. Cuando se forma

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

33

hielo por lo frío del tiempo, cubre la superficie de un lago y aísla el agua queestá abajo. Si el hielo fuera más denso que el agua, el hielo que se forma enla superficie de un lago se hundiría al fondo y el lago podría congelarse porcompleto. Casi ningún organismo acuático podría sobrevivir en talescondiciones.

5) El agua es una de las pocas sustancias que se expande al congelarse,debido a que la estructura del hielo es más abierta que la del agua líquida.Esto hace que las tuberías de agua se revienten cuando el clima está frío.

4.7.2 Fuerzas dipolo – dipolo, dipolo inducido-dipolo, fuerzas de London ode dispersiónLas fuerzas de London se presentan en todas las sustancias moleculares. Sonel resultado de la atracción entre los extremos positivo y negativo de dipolosinducidos en moléculas adyacentes. Un dipolo inducido se forma temporalmentecuando los electrones de una molécula adquieren momentáneamente unadistribución no uniforme por la polarización.

+ +- -

Cuantos más electrones haya en una molécula más fácilmente podránpolarizarse. Las fuerzas de London varían entre 0,05 y 40 kJ/mol.Las fuerzas dipolo-dipolo son interacciones no covalentes entre dos moléculaspolares o dos grupos polares de la misma molécula si esta es grande.

4.7.3. Momento Dipolo: Producto de la carga por la distancia entre las cargasen una molécula.

4.8. Ejercicios1) Cuando el elemento magnesio se combina con el elemento cloro,

cada átomo de magnesio…A) Gana dos electrones B) Pierde dos electronesC) Pierde un electrón D) Gana un electrónE) No gana ni pierde electrones

2) Si se tiene los elementos X17 y W37 al combinarse ambosque clase de enlaces formaran:A) Covalente puro B) Covalente polar C) metálicoD) Iónico E) Covalente dativo

3) Determine cuál de las siguientes moléculas tiene uno o masenlaces covalentes dativosA) CO2 B) H2O C) O2 D) S03 E) HCl

4) Si el elemento “X” tiene caracterizado a su último electrón con el

siguiente conjunto de números cuánticos: 4, 1, 0, -21

luego al

enlazarse con un átomo “Y” perteneciente al grupo de losalcalinos ¿Qué fórmula tendrá el compuesto formado?

A) yx B) y2x C) yx2 D)y2x3 E) yx3

5) Señale el número de enlaces sigma y pi, respectivamente queexisten en la molécula de acetileno

A) 3,3 B) 2,2 C) 2,3 D) 3,2 E)1,2

6) Marque verdadero (V) o falso (F) según convenga

. Hay compuestos binarios formados por un metal y un no metal, no soniónicos

. Hay compuestos iónicos formados solo por átomos no metálicos

. En el Al2O3 se transfieren 6 electrones de valencia

. En el Ca3N2 el calcio es anión y el nitrógeno catiónA) VVFF B) VVVV C) VFVF D) VFFF E) VVVF

7) ¿Qué molécula presenta mayor número de electrones no enlazantes?

A) NH3 B) H2O C) CH4 D) O3 E) H2

8) ¿Cuál de las siguientes moléculas no cumple con la regla del octeto?

A) F2 B) HCl C) N2 D) NH3 E) BF3

9) ¿Cuántos pares solitarios se pueden encontrar en una molécula deH2SO4?

A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5

10) Señale el número de enlaces sigma y pi, que existen en la moléculadel C2H2

A) 3,2 B) 1,2 C) 2,3 D) 2,2 E) 1,3

11) El número total de electrones de valencia que debe tener el siguientecompuesto AlCl3 es:

A) 8 B) 12 C) 16 D) 18 E) 24

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

34

12) ¿Cuál de los siguiente conceptos no corresponden al enlace covalente?A) Puede ser polarB) Por lo general se da entre líquidos o gasesC) Puede ser apolarD) En el, los átomos comparten electronesE) Es característico entre los elementos del grupo VIIA con los del IA

13) Los átomos transfieren electrones y se mantienen unidos por atracciónelectrostática. Corresponde a un enlace

A) Covalente polar B) Covalente apolar C) Covalente dativo D) Iónico E) Metálico

14) La molécula donde no se cumple el octeto es: A) Cl2 B) N2 C) BH3 D) PH3 E) HI

15) Sabiendo las electronegatividades (E.N) de A y B A=0,8 B=3,5 el tipo deenlace que formara A y B al combinarse es: A) Electrovalente B) Covalente apolar C) Covalente polar D) Covalente dativo E) metálico

16) ¿Qué compuesto tendrá sus enlaces esencialmente covalentes?

A) H3PO4 B) H2SO4 C) C3H6O D) N2 E) HCl

17) Señale el número de enlaces Dativos en cada caso I. P2O5 II. Cl2O7

A) 2,6 B) 3,5 C) 3,6 D) 6,3 E) 5,3

18) ¿Cuál de las siguientes moléculas no tiene enlaces Pi:

A) C2H2 B) N2 C) Cl2 D) C2H4 E) O2

19) Señalar la cantidad de pares solitarios que presenta: HClO4

A) 3 B) 2 C) 1 D) 0 E) 4

20) ¿Qué molécula presenta el fenómeno resonancia?

A) CO B) HI C) O2 D) O3 E) Cl2

TEMA 5

FUNCIONES INORGÁNICAS

Función QuímicaSe designa como función química a la presencia de un elemento(s) común a unconjunto de compuestos, que determinan características comunes al conjunto decompuestos, ello no descarta que los compuestos que se clasifican dentro deuna función química puedan tener propiedades físicas y químicas diferentes.

Clasificación de los Compuestos Inorgánicos

Anteriormente, se indicó que los compuestos inorgánicos pueden serclasificados como iónicos o covalentes, de acuerdo al tipo de enlace quepredomine en ellos. Sin embargo, para una mejor clasificación de loscompuestos inorgánicos, se han aplicado dos criterios (ver Tabla 5.1.), deacuerdo al numero de elementos en el compuesto y de acuerdo al grupofuncional.

Nº de Elementos Grupo Funcional

Binarios

Óxidos Metálicos

Óxidos No metálicos

Hidruros metálicos

Hidruros No metálicos

Sales Haloideas

Ternarios

Hidróxidos

Ácidos Oxácidos

Sales Oxisales

Cuaternarios Complejos

Tabla 5.1. Clasificación de los compuestos inorgánicos.

5.1. HidrurosLos hidruros son compuestos binarios, formados por hidrógeno con otroselementos. Tienen propiedades físicas y químicas muy variadas que se

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

35

relacionan con el mayor o menor carácter covalente de sus enlaces y laselectronegatividades de sus componentes. El átomo de hidrógeno posee unúnico electrón (1s1), que en unos casos se cede fácilmente al otro elemento,mientras que en otros es el hidrógeno el que capta o comparte un electrón delotro elemento. De esta forma se completa el orbital 1s y adquiere laconfiguración electrónica del helio (1s2).

ELEMENTO + HIDRÓGENO à HIDRURO

Clasificación: Los hidruros pueden ser hidruros iónicos, covalentes eintersticiales.a) Hidruros iónicos. Resultan de la combinación directa del hidrógeno

molecular con un metal alcalino o alcalinotérreo. El hidrógeno trabaja connúmero de oxidación de –1.

METAL ALCALINO + HIDRÓGENO à HIDRURO IONICOALCALINOTERREO + HIDRÓGENO à HIDRURO IONICO

Li (s) + H2 (g)à 2 LiH(s)

Ca (s) + H2 (g) à CaH2 (s)

Propiedades. Son sólidos de alto punto de fusión. Reaccionan con el aguay forman hidróxidos liberando hidrógeno.

CaH2 (s) + H2O(l) à Ca(OH)2(ac) + H2(g)

Nomenclatura. Se nombra con la palabra hidruro seguido del nombre delmetal en genitivo. Ejemplo:

NaH Hidruro de sodioCaH2 Hidruro de calcioAlH3 Hidruro de aluminio

b) Hidruros Covalentes. Cuando el hidrógeno está enlazado covalentementea un no metal. Son aquellos en donde el hidrógeno actúa con el número deoxidación +1. Ejemplo.

NO METAL + HIDRÓGENO à HIDRURO COVALENTE

Propiedades. Son gases y líquidos en condiciones estándar. En cada grupola estabilidad térmica disminuye al descender a lo largo de una familia.

Nomenclatura. Tienen nombres comunes. Ejemplo:BH3 BoranoSbH3 EstibinaArH3 ArsinaSiH4 Silano

c) Hidruros Intersticiales. Cuando el hidrógeno reacciona con los metales detransición. En muchos hidruros metálicos, la proporción de átomos de metala átomos de hidrógeno no es una relación de números enteros y tampocoes fija. La composición puede variar dentro de ciertos límites, de acuerdocon las condiciones. Ejemplo. TiH1.8.

METAL TRANSICIÓN + HIDRÓGENO àHIDRURO INTERSTICIAL

Propiedades. Conservan su conductividad metálica y otras propiedadesmetálicas.Nomenclatura. Tienen nombres comunes. Ejemplo:

TiH2 Hidruro de titanio5.2. Óxidos

Son compuestos binarios, que se forman por la combinación del oxígeno conestado de oxidación –2 con un elemento cualquiera.

ELEMENTO + OXÍGENO à ÓXIDO

Clasificación: Los óxidos pueden clasificarse como:Óxidos Metálicos u óxidos básicosOxidos No metálicos, u óxidos ácidos (anhídridos)Oxidos anfóterosOxidos neutros.

Óxidos básicos u óxidos metálicosSe obtienen por la combinación del oxígeno con un elemento metálico.

METAL + OXÍGENO à ÓXIDO BASICO

Propiedades. Son sólidos que se pueden preparar por reacción directa entreun metal y el oxígeno, ya sea a temperatura ambiente o a temperaturaselevadas. Estos óxidos son compuestos iónicos, tienen carácter básico,cuando se disuelven en agua forman hidróxidos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

36

Nomenclatura.En nomenclatura común se nombra con la palabra óxido seguido del nombredel metal con la terminación OSO (menor estado de oxidación) e ICO (mayorestado de oxidación), cuando el metal tiene un solo estado de oxidación laterminación no cambia.La nomenclatura IUPAC recomienda la sistemática, que consiste en nombrarcon la palabra óxido acompañada de un prefijo numérico (mono, di, tri, etc)que indica el número de átomos de oxígeno en la fórmula. Le sigue lapreposición de y el nombre del otro elemento, también acompañado de sucorrespondiente prefijo numérico.Ejemplo:

Na2O Oxido de sodio Común Monóxido de disodio IUPAC

Cu2O Oxido cuproso Común Monóxido de dicobre IUPAC

CuO Oxido cúprico Común Monóxido de cobre IUPAC5.2.2. Óxidos no metálico u óxidos ácidos (Anhídridos) Compuestos que

resultan de la combinación de un no metal con el oxígeno.

NO METAL + OXÍGENO à ÓXIDO ACIDO (ANHÍDRIDO)

Propiedades. Generalmente son gases que se pueden preparar por reaccióndirecta entre un no metal con el oxígeno. Estos óxidos son compuestoscovalentes, tienen carácter ácido, cuando se disuelven en agua forman ácidos.

NomenclaturaLa nomenclatura común nombra con la palabra Anhídrido seguido de laterminación del metal con la terminación OSO (menor estado de oxidación) eICO (mayor estado de oxidación), cuando el no metal tiene un solo estado deoxidación la terminación es ICO, y cuando tiene tres o cuatro estados deoxidación se sigue en el orden:

Anhídrido hipo..................osoAnhídrido...........................osoAnhídrido............................icoAnhídrido per.....................ico

La nomenclatura IUPAC recomienda la nomenclatura sistemática, es decirusando los prefijos de cantidad; mono, di, tri, etc. Ejemplo:

Boro B2O3 Anhídrido bórico Común Trióxido de diboro IUPACFósforo: (3,5)P2O3 Anhídrido fosforoso Trióxido de difósforoP2O5 Anhídrido fosfórico Pentóxido de difósforoAzufre: (4, 6)SO2 Anhidrido sulfuroso Dióxido de azufreSO3 Anhidrido sulfúrico Trióxido de azufreCloro (1, 3, 5,7)Cl2O Anhidrido hipocloroso Oxido de dicloroCl2O3 Anhidrido cloroso Trióxido de dicloroCl2O5 Anhidrido clorico Pentóxido de dicloroCl2O7 Anhidrido perclorico Heptóxido de dicloro

5.2.3. Óxidos anfóteros. Son aquellos que se comportan como ácidos y comobases. Al reaccionar con el agua forman bases o ácidos. Ejemplo:

Al2O3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 Hidróxido de aluminio

Al2O3 + H2O 2 HAlO2 Ácido alumínico

5.2.4. Óxidos neutros. Son aquellos que en agua no producen ni ácidos nibases. Por ejemplo:

CO Monóxido de carbonoNO Monóxido de nitrógenoNO2 Dióxido de nitrógeno

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

37

5.3. Función PeróxidosSe forman al agregar un átomo de oxígeno a aquel óxido básico que se haoriginado con la mayor valencia del metal. El oxígeno participa con el estado deoxidación 1– del oxígeno. Se caracterizan por presentar el enlace O-O peroxo (O2

2-), por lo tanto no se debe simplificar lo subíndices.Na2O2 Peróxido de SodioBaO2 Peróxido de BarioH2O2 Peróxido de hidrógeno

5.4. Función HidróxidoEstos compuestos resultan por combinación del óxido básico con agua, de talmanera que se genere el grupo oxidrilo (OH-) en la base

ÓXIDO BASICO + AGUA à HIDRÓXIDO

Propiedades. Los hidróxidos presentan las siguientes propiedades:• Presentan el grupo funcional OH- , que al disolverse en agua se disocian

generando el ión oxidrilo (OH-).• Dan color azul al indicador tornasol rojo.• Tienen sabor a lejía.• Son untuosas al tacto.• Poseen propiedades detergentes y jabonosas.• Reaccionan con ácidos para formar sales.

NomenclaturaCuando el metal presenta un solo estado de oxidación la ambas notaciones sonlas mismas es decir se nombra con la palabra hidróxido seguido del nombre delmetal. Ejemplo:

K2O + H2O à 2 KOH Hidróxido de potasioBa(OH)2 Hidróxido de bario

Al(OH)3 Hidróxido de aluminio

Para nombrar hidróxidos en donde el metal presenta dos estado de oxidación, lanomenclatura común nombra usando las terminaciones OSO e ICO cambiando lapalabra oxido por hidróxido. Mientras que la IUPAC usa la nomenclatura sistemática

Fe (OH)2 Hidróxido ferroso Común Dihidróxido de hierro IUPAC

Fe (OH)3 Hidróxido férrico Común Trihidróxido de hierro IUPAC

Co (OH)2 Hidróxido cobaltoso ComúnDihidróxido de cobalto IUPAC

Co (OH)3 Hidróxido cobáltico ComúnTrihidróxido de cobalto IUPAC

5.5. ÁcidosLos ácidos son sustancias hidrogenadas, al disolverse en agua liberan ioneshidrógeno (H+).Propiedades: Presentan propiedades opuestas a los hidróxidos tales como:• Al disolverse en agua se ionizan produciendo iones hidrógeno ( H+).• Reaccionan con hidróxido formando sales.• Enrojecen el indicador tornasol.• Son muy corrosivos.• Reaccionan con metales liberando hidrógeno.Clasificación: Pueden ser: ácido hidrácidos y ácidos oxácidos.

5.5.1. Ácidos hidrácidosResultan de la combinación del hidrógeno con un no metal del grupo VI A(Calcógenos) y no metal del grupo VII A (halógeno). Son hidrácidos porque aldisolverse en agua y disociarse generan disoluciones ácidas.

NO METAL + HIDROGENO à ACIDO HIDRACIDO

Br2(l) + H2(g)à 2 HBr(g)

Nomenclatura.La nomenclatura común nombra con la palabra ácido seguido de la terminaciónhídrico.La nomenclatura IUPAC designa con el nombre del no metal terminado en uro,seguido de la palabra hidrógeno en genitivo, a la que se antepone el prefijo di, trisegún la cantidad de hidrógenos. Ejemplo:

HF Fluoruro de hidrógenoHCl Cloruro de hidrógenoHBr Bromuro de hidrógenoHI Ioduro de hidrógenoH2S Sulfuro de dihidrógenoH2Se Seleniuro de dihidrógeno

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

38

H2Te Teleruro de dihidrógeno

Toman este nombre cuando están puros en la fase gas, pero cuando están ensolución acuosa se les nombra como ACIDO con la terminación HÍDRICO.

HF Ácido fluorhidricoHCl Ácido clorhídricoHBr Ácido bromhidricoHI Ácido iodhidricoH2S Ácido sulfhidricoH2Se Ácido selenhidricoH2Te Ácido Telurhidrico

5.5.2. Ácidos oxácidosLlamados también oxiácidos, se producen al combinar el óxido ácido (anhídrido)con el agua.

OXIDO ACIDO + AGUA à ACIDO OXACIDO

Nomenclatura.La nomenclatura común usa los mismos prefijo y terminaciones que los óxidosácidos, pero cambiando la palabra anhídrido por ácido. Ejemplo:

SO3 + H2O à H2SO4

Anhídrido sulfúrico ácido sulfúrico Cl2O + H2O à H2Cl2O2 à HClOAnhídrido hipocloroso ácido hipocloroso

N2O5 + H2O à H2N2O6 à HNO3

Anhídrido nítrico ácido nítrico

También se nombra usando prefijos de cantidad, para nombra los oxígenos eltérmino “oxi” u “oxo” precedida de los prefijos mono, tri, tetra, etc. según elnúmero de átomos de oxígeno, seguido del nombre del elemento no metálicoterminado en “ATO”, y de la palabra hidrógeno en genitivo, a la cual también seantepone los prefijos mono, di tri, etc. según el número de átomos de hidrógeno.Ejemplo:

H2SO4 Tetroxosulfato de dihidrógeno

HNO2 Dioxonitrato de hidrógeno

H2CO3 Trioxocarbonato de dihidrógeno

5.5.3. Oxácidos Especiales

a) PoliácidosSe forman al combinarse una molécula de agua con más de una molécula deóxidos ácidos.

n OXIDO ACIDO + AGUA à POLIACIDO

Para nombrarlos se usa el nombre del ácido normal, pero en este caso seutilizan prefijos que indiquen el número de elementos no metálicos en lamolécula.

2 SO2 + H2O à H2S2O5

Anhídrido sulfuroso Ácido disulfuroso 2 B2O3 + H2O à H2B4O7

Anhídrido bórico Ácido tetrabórico 2 CrO3 + H2O à H2Cr2O7

Anhídrido crómico Ácido dicrómico

b) Ácidos polihidratados.En este caso combinamos al óxido ácido con más de una molécula. Esto noocurre con cualquier no-metal, solamente con algunos como por ejemplo:fósforo, arsénico, antimonio.

OXIDO ACIDO +n AGUAàACIDO OXACIDO POLIHIDRATADO

Para nombrarlos se usa el nombre normal del ácido pero agregando ciertosprefijos de acuerdo al siguiente cuadro:

PREFIJO Estado Oxidación par Estado Oxidación impar

Meta 1 anhídrido + 1 H2O 1 anhídrido + 1 H2O

Piro 2 anhídrido + 1 H2O 1 anhídrido + 2 H2O

Orto 1 anhídrido + 2 H2O 1 anhídrido + 3 H2O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

39

Ejemplos con estado de oxidación par: SO3 anhídrido sulfúrico1 SO3 + 1 H2Oà H2SO4 ácido meta sulfúrico1 SO3 + 2 H2Oà H4SO5 ácido ortosulfúrico2 SO3 + 1 H2Oà H2S2O7 ácido pirosulfúrico

Ejemplos con estado de oxidación impar: P2O5 anhidrido fosfórico1 P2O5 + 1 H2O à H2P2O6 à HPO3 ácido meta fosfórico1 P2O5 + 2 H2O à H4P2O7 à H4P2O7 ácido piro fosfórico1 P2O5 + 3 H2O à H6P2O8 à H3PO4 ácido orto fosfórico

Es necesario tener en cuenta que se puede obviar el término meta y orto paraalgunos casos. Por ejemplo:H3PO2 ácido ortohipofosforoso se le llama ácido hipofosforoso

H3PO3 ácido ortofoforoso se llama ácido fosforosoH3PO4 ácido ortofosfórico se llama ácido fosfórico

5.6. SalesSon compuestos que se obtienen al sustituir en forma parcial o total loshidrógenos de un ácido por elementos metálicos. Experimentalmente seobtienen por reacción de neutralización entre un ácido y una base.

ACIDO + BASE à SAL + AGUA

Clasificación: Las sales se clasifican:Por su origen: sales haloideas y sales oxisales.Por su Constitución: Sales neutras, ácidas, dobles.

5.6.1. Sales HaloideasSon sales binarias que resultan de la reacción de un ácido hidrácido y una base.

ACIDO HIDRACIDO + BASEà SAL HALOIDEA + AGUA

Ejemplo:HCl + NaOHà NaCl + H2O

Nomenclatura. La IUPAC y el sistema común coinciden en la notación, el aniónse hace terminar en “uro” seguido del nombre catión. Ejemplo:

NaCl Cloruro de sodioAlBr3 Bromuro de aluminioCuS Sulfuro de cobre o sulfuro cúprico

5.6.2. Sales oxisales Cuando la reacción es entre un ácido oxácido y una base.

ACIDO OXACIDO + BASE à SAL OXISAL + AGUA

Ejemplo:H2SO4 + 2 NaOH à Na2SO4 + 2 H2O

Nomenclatura.La nomenclatura común se cambian las terminaciones OSO e ICO del ácidorespectivo por ITO y ATO.Ejemplos:

H2SO4 Na2SO4

Ácido sulfúrico Sulfato de sodioHNO3 Cu(NO3)2

Ácido nítrico Nitrato cúpricoHClO KClOÁcido hipocloroso Hipoclorito de potasio

La nomenclatura sistemática de la IUPAC, es usando prefijos de cantidad similara los oxiácidos. Ejemplo:

Na2CO3 Trioxocarbonato de disodioCaSO4 Tetraoxosulfato de calcio

5.6.3. Sales neutras Son aquellas donde se ha sustituido totalmente los hidrógenos del ácido de donde

provienen, por elementos metálicos.CaSO3 Sulfito de calcio Trioxosulfato de calcio (IUPAC)AlCl3 Cloruro de aluminio Tricloruro de aluminio (IUPAC)KClO4 Perclorato de potasio Tetraoxoclorato de potasio (IUPAC)

5.6.4. Sales ácidas En este caso la sustitución de hidrógenos ha sido parcial, para reemplazarlo

por metales. Por ejemplo:NaHSO4 Sulfato ácido de sodio

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

40

hidrógenoTetraoxosulfato de sodioAl(H2PO4)3 Fosfatodiácido de aluminio

Tris(dihidrógenotetraoxofosfato) de aluminioNaHS Sulfuro ácido de sodio

5.6.5. Sales doblesSon aquellas en las que existen 2 y 3 elementos metálicos diferentesrespectivamente. Para formar estas sales uniremos el ion negativo del ácidocon el ion positivo de los metales, pero en este último caso el número deoxidación será igual a la suma de los iones respectivos de los metales.

Para la nomenclatura sólo seguiremos las reglas ya conocidas peronombrando los diferentes metales y colocando cuando crea conveniente losprefijos DOBLE y TRIPLE respectivamente.

NaKSO4 Sulfato doble de sodio y potasioBaNa(NO3)3 Nitrato doble de bario y sodioCaNaPO4 Fosfato doble de calcio y sodio

5.6.6. Sales hidratadasGeneralmente son sales que cristalizan con varias moléculas de agua. Ejemplo:CaSO4.2 H2O Sulfato de calcio dihidratadoCuSO4 5 H2O Sulfato cúprico pentahidratadoNa2CO3.10 H2O Carbonato de sodio decahidratadoCaCl2.5 H2O Cloruro de calcio pentahidratado.

5.7. Ablandamiento del aguaEl agua que contiene una concentración relativamente al de Ca2+, Mg2+ y otroscationes divalentes se conoce como agua dura. Aunque la presencia de estosiones no constituye en general una amenaza para la salud, puede hacer que elagua sea inadecuada para ciertos usos domésticos e industriales. Por ejemplo,estos iones reaccionan con los jabones para formar una nata de jabón insoluble,que es lo que forma anillos de las tinas de baño. Además, se pueden formardepósitos minerales cuando se calienta el agua que contiene estos iones.Cuando se calienta el agua que contiene iones calcio y iones bicarbonato, sedesprende dióxido de carbono. En consecuencia, la solución se hace menosácida y se forma carbonato de calcio, que es insoluble:

Ca2+(ac) + 2 HCO3

-1(ac) à CaCO3 (s) + CO2(g) + H2O(l)

El CaCO3 sólido recubre la superficie de los sistemas de agua caliente y de lasteteras, y esto reduce la eficiencia de calentamiento. Estos depósitos, llamadosincrustaciones, pueden ser especialmente graves en las calderas donde el aguase calienta a presión en tubos que corren a través de un horno. La formación de

incrustaciones reduce la eficiencia de la transferencia de calor y reduce el flujode agua a través de los tubos.La eliminación de los iones que causan el agua dura se llama ablandamiento delagua. No todos los sistemas municipales de suministro de agua requierenablandamiento. Cuando el mismo es necesario, el agua se tomas por lo generalde fuentes subterráneas en las que ha tenido un contacto considerable conpiedra caliza, CaCO3, y otros minerales que contienen Ca2+, Mg2+, y Fe2+. Elproceso cal-carbonato se emplea para operaciones de ablandamiento de aguasmunicipales en gran escala. El agua se trata con cal, CaO [o cal apagada,Ca(OH)2], y carbonato de sodio, Na2CO3. Estas sustancias químicas causan laprecipitación del Ca2+ como CaCO3 (Kps = 2,8x10-9) y del Mg2+ como Mg(OH)2(Kps = 1,8x10-11)

Ca2+(ac) + CO3

-2(ac) à CaCO3 (s)

Mg2+(ac) + 2 OH-1

(ac) à Mg(OH)2 (s)

El intercambiador de iones es un método doméstico típico para ablandar agua. Eneste proceso el agua dura se hace pasar a través de una resina de intercambio deiones: perlas de plástico con grupos aniónicos unidos de forma covalente. Estos gruposcon carga negativa tienen iones Na+ unidos a ellos para balancear sus cargas. Losiones Ca2+ y otros cationes del agua dura son atraídos hacia los grupos aniónicos ydesplazan los iones Na+ con carga más baja hacia el agua. Así pues, un tipo de iónintercambia por otro. Para mantener el balance de cargas, dos iones Na+ pasan alagua por cada ión Ca2+ que se retiraEl agua ablandada de esta manera contiene una concentración mayor de ionesNa+. Aunque los iones Na+ no forman precipitados ni causan otros problemasque se asocian con los cationes del agua dura.

5.8. Ejercicios1. Cuando los ácidos fuertes reaccionan con os carbonatos hay

desprendimiento de gas A) Monóxido de Carbono B) Vapor de aguaC) Hidrógeno D) Dióxido de carbonoE) Oxigeno

2. Según el Ácido de Origen las Sales se clasifican en:A) Ácidas y Básicas B) Oxisales, Básicas y DoblesC) Ácidas, Básicas y Neutras D) Haloideas y ÁcidasE) Oxisales y Haloideas

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

41

3. En el siguiente grupo de bases fuertes hay una incorrectaA) Al (OH)3 B) Na OHC) Ba (OH)2 D) Sr (OH)2E) K OH

4. De la combinación de dos moles de anhídrido con una de agua seobtiene:A) Hidrácido B) PoliacidoC) Polihidratado D) TioacidoE) Sulfoacido

5. La formula del Sulfito ferrico es:A) Fe (SO4)3 B) Fe (SO3)2C) Fe2 (SO3)3 D) Fe2 (SO4)3E) Fe2 (SO3)

6. El compuesto H3PO4 se llama:A) Ortofosfito de Hidrógeno B) Acido PirofosforosoC) Acido Pirofosfórico D) Acido FosfóricoE) Acido Fosforoso

7. Si se deja reaccionar al oxido de Calcio con el anhídrido carbónico, seforma:A) Carbonato de calcio y AguaB) Acido Carbónico e Hidróxido de CaC) Solo carbonato de calcioD) Monóxido de carbono e HidróxidoE) Acido carbónico y Calcio Metálico

8. La formula Na H2BO3, indica que es una salA) Doble B) Compleja C) Acida D) Básica E) Oxisal Hidratada

9. Son características de óxidos no metálicosI. Están formados por dos no metalesII. La mayoría son sólidos, poco solublesIII. Su enlace son de tipo covalenteIV. Al disolverse en el agua se convierten en hidróxidos

Son correctos:A) I, II, IV B) Sólo I C) Sólo III D) Todos E) I, III

10. El cobre al reaccionar con el oxigeno forma dos óxidos cuyas fórmulascorrectas son:

A) CuO2, CuO B) Cu2O, CuO2 C) CuO, Cu2O3 D) Cu2O, CuO E) CuO2, Cu2O3

11. ¿Cuál de las formulas no guarda relación con el nombre?A) NaHCO3: Bicarbonato de Sodio

B) (NH4)2 NO3: Nitrato de AmonioC) Cr(OH)3: Hidróxido de Cromo (III)D) K2MnO4: Permanganato de PotasioE) H2SO4: Sulfato de Dihidrógeno

TEMA 6

REACCIONES QUÍMICAS

6.1. DefiniciónLas reacciones químicas son representaciones de las transformaciones químicaspermanentes de las sustancias en la cual se altera su naturaleza química,formando nuevas sustancias (productos) con propiedades diferentes a lassustancias que le dieron origen (reaccionantes).Las reacciones químicas modifican la composición y las propiedades de lassustancias que forman parte de ellas. El estudio de las mismas es de vitalimportancia no sólo como ciencia sino por su amplia aplicación en la industria yen muchas disciplinas relacionadas con la química, biología, diferentes ramasde la Ingeniería, Medicina, etc. son muy importantes.En la naturaleza y en laboratorio ocurren diferentes reacciones químicas, y estasson representadas a través de las ecuaciones químicas, que nos proporciona losmedios para:1- Resumir la reacción2- Mostrar las sustancias que reaccionan, y los productos formados.3- Indica las cantidades totales las sustancias que intervienen en la reacción.

6.2. Ecuación químicaLas ecuaciones químicas no sólo permiten la interpretación del cambio químicoque está ocurriendo, sino que indican como reaccionan ciertos materialesquímicos cuando se mezclan así como los productos que puede obtenerse. Lasreacciones químicas siempre implican un cambio, donde los átomos, moléculase iones se reacomodan para formar nuevas sustancias. Las sustancias queparticipan en la reacción se llaman reactivos y las sustancia formadas son losproductos.Durante las reacciones químicas se rompen enlaces y se forman otrosproductos, y los reactivos y productos suelen estar como sólidos, líquidos ygaseosos. Además en una reacción química debe cumplir la Ley deconservación de la masa Los átomo no se crean ni se destruyen, todos losátomos que existen en los productos deben estar presentes en los reactivos.Las reacciones químicas se representan por medio de una ecuación química.Las ecuaciones se representan mediante símbolos y fórmulas de los elementos

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

42

y compuestos involucrados en la reacción. Los reactivos se indican en la parteizquierda y los productos en la derecha.

REACTIVOS → PRODUCTOSPara representar una ecuación química, se debe tener en cuenta lo siguiente:• Una sal soluble o solución acuosa se indica por la fórmula de los iones que

forman el compuesto, colocando como subíndice (ac) luego de la fórmula osímbolo de compuestos.

• Un compuesto insoluble o ligeramente soluble se representa por una fórmulamolecular de compuestos seguida del símbolo (s).

• Un gas insoluble o ligeramente soluble se representa por la formulamolecular del gas seguida del símbolo (g).

• Un compuesto líquido (l).Por ejemplo para representar la siguiente ecuación:

A2 (s) + 2 BC (ac) → 2 AB (ac) + C2 (g)

A2 es un sólido o un compuesto insoluble(o precipitado), BC, y AB soncompuestos solubles en agua (acuosas) y C2 es un gas.6.3. Clases de reacciones químicas. Las reacciones químicas pueden ser:

6.3.1. Reacciones de combinación Son reacciones en las que dos o más sustancias reaccionantes se combinan

para formar un sólo producto es decir un sólo compuesto.SUSTANCIA + SUSTANCIA → COMPUESTO

Las reacciones de combinación pueden ser:Combinación de dos elementos para formar un compuesto.

H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g)

Combinación de un elemento y un compuesto para formar un compuesto.2 CO (g) + O2 (g) → 2 CO 2 (g)

Combinación de dos compuestos para formar otro compuesto.SO3 (g) + H2O (l) → H2SO4 (ac)

6.3.2. Reacciones de descomposición Son aquellas en las que un compuesto se descompone para producir dos o mássustancias. Pueden descomponerse en: dos elementos, un elemento y uncompuesto y dos ó mas compuestos. Estas reacciones son no espontáneas esdecir se llevan a cabo solamente por la acción de un factor externo como elcalor, corriente eléctrica, etc. Las reacciones de descomposición son reaccionesopuestas a las reacciones de combinación.

COMPUESTO → SUSTANCIA + SUSTANCIA

La descomposición de un compuesto se puede producir dos elementos. Porejemplo de la electrólisis del agua se obtiene oxígeno e hidrógeno gaseoso.

Electrólisis2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

La descomposición de un compuesto se puede producir un elemento y uno omás compuestos. Por ejemplo el clorato de potasio por acción del calor sedescompone en :

2 KClO3 (s)∆ → 2 KCl (s) + 3 O2 (g)

Descomposición de un compuesto da otros compuestos. Cuando el carbonatode calcio (caliza) se calienta se descompone en óxido de calcio y dióxido decarbono.

CaCO3(s)∆ → CaO(s) + CO2 (g)

6.3.3. Reacciones de desplazamiento simpleSon aquellas donde un elemento desplaza a otro en un compuesto, quedando elelemento desplazado en forma libre.Una forma sencilla de predecir si ocurriría una reacción de sustitución, tanto enel caso de sustitución de hidrógeno como de metal, es referirse a una serie deactividad metálicaDe acuerdo con esta serie cualquier metal ubicado arriba del hidrógeno losustituiría del agua o de un acido. De hecho, cualquier especia de la listareaccionara con cualquier otra especie que se encuentre debajo de ella y no alcontrario.

Cu(s) + 2 AgNO3(ac) → Cu(NO3)2(ac) + 2 Ag(s)

Zn(s) + H2SO4(ac) → ZnSO4(ac) + H2(g)

Cl2(g) + 2 NaBr(ac) → 2 NaCl(ac) + Br2(l)

Zn (s) + 2 HCl (ac) → ZnCl2 (ac) + H 2 (g)

6.3.4. Reacciones de metátesis o doble desplazamiento Cuando reaccionan dos compuestos para formar dos nuevos compuestos, sinque se produzcan cambios en sus números de oxidación. En estas reaccioneslos iones de los dos compuestos cambian o intercambian iones formando nuevoscompuestos. Las reacciones de metátesis pueden ser :

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

43

NEUTRALIZACIÓN. Es la reacción de un ácido y una base para formar una sal yagua, es decir se eliminan las propiedades corrosivas del ácido y cáusticas de labase. Ecuaciones moleculares

En las reacciones de doble desplazamiento se debe considerar tresecuaciones :La ecuación molecular, en la que se considera todo los compuestos queparticipan en los reaccionantes y productos por ejemplo:

KOH (ac) + HCl (ac) → KCl (ac) + H2O (l)

La ecuación iónica total, en este caso considera a los compuestos acuososen forma iónica tal como:

[K+(ac) + OH−

(ac)] + [H+(ac) + Cl −

(ac)] → [ K+(ac) + Cl −

(ac)] + H2O(l)

La ecuación iónica neta, para ello se deben simplificar los iones comunes enambos miembros de la reacción, por ejemplo, los iones K+ y Cl− aparecen enambos lados de la ecuación no cambian con la reacción, por lo tanto sesimplifican entonces obtenemos:

H+(ac) + OH −

(ac) → H2O (l)

PRECIPITACIÓN. Cuando reaccionan dos compuestos para formar otroscompuestos poco solubles o insolubles llamados comúnmente precipitados quese forman en el seno de una disolución. La reacción de cloruro de bario ycarbonato de sodio en disolución acuosa forman un compuesto insoluble(llamado precipitado) de sulfato de bario, la ecuación molecular es:

BaCl 2 (ac) + Na 2CO3 (ac) → BaCO3 (s) + 2 NaCl (ac)

La ecuación iónica total es:[Ba2+

(ac) + 2 Cl−(ac)] + [2 Na+(ac) + CO3

2 −(ac) ] → BaCO3(s) + 2 [Na+

(ac) + Cl −(ac) ]

Eliminando los iones Na+ y Cl − obtenemos la ecuación iónica neta:Ba2+

(ac) + CO32 −

(ac) → BaCO3 (s)

6.4. Reacciones de oxido reducción (REDOX)Son reacciones en las que experimenta cambios en su estado o numero deoxidación, en ellas hay transferencia de electrones, es decir ganancia opérdida de electrones, por que más de un elemento sufre cambio en suestado de oxidación, o sea en la misma ecuación en los reaccionantesaparece con un estado de oxidación y en los productos con otro estado de

oxidación. En una reacción redox siempre se da una Oxidación y unaReducción. estos ocurren en forma simultánea, nunca se dará solamente laoxidación o la reducción, ya que en la oxidación se pierde electrones y en lareducción se ganan electrones. Por ejemplo en la reacción del cobre con elácido nítrico, el cobre se oxida y el nitrógeno en el nitrato se reduce.

3 Cu(s) + 8 HNO3 (ac) → 3 Cu(NO3)2 (ac) + 2 NO (g) + 4 H2O (l)

Reacciones redox pueden considerarse a las de reacciones de combinacióno descomposición en donde participa un elemento como reaccionante oproducto, así como también se considera a las reacciones dedesplazamiento simple.

6.4.1. Número de oxidación o estado de oxidaciónEs el número de electrones que gana o pierde un átomo de dichoelemento al formar el compuesto. En el caso de iones atómicos sencillos,corresponde a la carga real del ión. En compuestos covalentes (conenlace covalente), los números de oxidación se asignan siguiendo unasreglas arbitrarias, tal como al elemento más electronegativo se le asignaun número de Oxidación negativo, y al elemento menos electronegativose le asigna el número de oxidación positivo.Para identificar el número de oxidación de un elemento en un compuestose debe tener presente las siguientes reglas:

1. El número de oxidación de un átomo al estado elemental libre nocombinado es cero (0), ya sea en forma mono o poliatómica. Ejemplo:Cu0, H2

0, N20, S8

0.2. El hidrógeno en los compuestos tiene un número de oxidación +1.

Ejemplo: HCl, HNO3, NH3; a excepción de los hidruros de metalesfuertemente electropositivos que trabaja con _1. Ejemplo: NaH, BaH2 .

3. El oxígeno en las combinaciones actúa con _2, Ejemplo: CaO, HNO3,NaOH, CuSO4 ; a excepción en los peróxidos donde trabaja con 1−,Ejemplo: H2O2 , Na2O2, BaO2.

4. Los metales alcalinos en todos sus compuestos trabajan con 1+ ysiempre dan compuestos iónicos, Ejemplo: NaCl, KI, LiBr.

5. Los metales alcalinotérreos siempre forman compuestos iónicos con2+, Ejemplo: Ca(OH)2, CaO, MgSO4, BaCl2.

6. Los halógenos cuando forman halogenuros lo hacen con 1-, dandocompuestos iónicos, Ejemplo: NaCl, CaCl2, AlCl3, cuando formancompuestos oxigenados (al combinarse con el oxígeno) lo hacen connúmeros de oxidación positivos, ejemplo: HClO (cloro +1), NaIO4(yodo +7), etc.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

44

7. En todo compuesto di o poliatómico, suponiendo que todos suscomponentes son iones o compuestos covalentes, la suma de susnúmeros de oxidación (carga), es cero, Ejemplo:

Na2CO3, Na2+1 C+4 O3

−2 = 2 (+1) + (+4) +3 (−2) = + 2 + 4 − 6 = 0.

8. La carga de un ión (mono atómico), siempre es el número deoxidación del elemento de dicho ión. En un ión poliatómico es la sumade los números de oxidación de los átomos constituyentes la queindica la carga del ión.

Ejemplo: Cuál es el número de oxidación del Mn en el Permanganatode potasio (KMnO4).

KMnO4 K es metal alcalino entonces está con +1O no es peróxido entonces está con −2Mn no se conoce entonces XKMnO4 = (+1) + (X) + 4 (−2) = 0

= +1 + X − 8 = 0 ⇒ X= +7 El número de oxidación del Mn es +7.

9. En una molécula neutra, la suma de los números de oxidación detodos los átomos debe ser cero. En un ión poli atómico, la suma delos números de oxidación de todos sus elementos debe igualar lacarga neta del ión.

6.4.2. Oxidación y reduccióna) OXIDACIÓN. Es un incremento algebraico del número o estado de oxidación

y corresponde a una pérdida real o aparente de electrones.b) REDUCCIÓN. Es la disminución algebraica del número o estado de

oxidación, corresponde a una ganancia real o aparente de electrones. Para identificar la oxidación y la reducción, hacemos una escala de números

de oxidación de la siguiente forma:

0 +1 +2 +3 +4 +5-1-2-3-4-5

oxidación -1 e- (aumento)

reducción +1e- (disminución)

Todo cambio de número de oxidación que tiende hacia la derecha es Oxidación,y todo cambio de número de oxidación que tiende a la izquierda es unaReducción. Ejemplo: Determinar la oxidación y reducción en:

0 +1+5 -2 +1 +5 -2 +2 -2 +1 -23 Ag + 4 HNO3 → 3 AgNO3 + NO + 2 H2O

Cambian su número de oxidación la plata de 0 a +1, va hacia la derechaentonces es la oxidación y el N va de +5 a +2, va hacia la izquierda entonces esla reducción.

0 +5 +1 + 23 Ag + 4 HNO3 → 3 AgNO3 + NO + 2 H2O

OXIDACIÓN: Ag −1 e − → Ag+

REDUCCIÓN: NO3− + 4 H + + 3 e − → NO + 2H2O

En las reacciones químicas, los electrones no se crean ni se destruyen, por loque la oxidación y la reducción siempre se producen simultáneamente en unmismo grado. De tal forma que la cantidad de electrones que pierde uncompuesto el otro compuesto las gana produciendo una transferencia deelectrones para dar una reacción de oxidación-reducción (redox).

6.4.3. Agente oxidante y agente reductora) AGENTE OXIDANTE. Los agentes oxidantes son sustancias cuyos

átomos aceptan electrones y oxidan a otras sustancias, ellas siempre sereducen. Los agentes oxidantes son las especies que:• Oxidan a otras sustancias.• Ganan electrones real o aparentemente.• Se reducen.

Si una sustancia se reduce (gana electrones), hace que otra los pierda.Por lo tanto, es un agente oxidante por que provoca una oxidación.

b) AGENTE REDUCTOR. A las sustancias cuyos átomos donan electronesy reducen a otras sustancias se les denominan agentes reductores, ellassiempre se oxidanLos agentes reductores son las especies que:• Reducen a otras sustancias.• Pierden electrones real o aparentemente.• Se oxidan.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

45

Si una sustancia se oxida al perder electrones hace que otras los ganen,por lo tanto, es un agente reductor por que provoca la reducción.

Ejemplo: En la siguiente ecuación:

0 0

3 Cu+2SO4 + 2 Al → Al2+3(SO4)3 + 3 Cu

La oxidación es Al0

→ Al 3+. La reducción es Cu2+ → Cu

El agente oxidante es el CuSO4.

El agente reductor es el Al.

6.5. Balanceo de ecuaciones redox: método ion electrónEl método del ión electrón se basa en el concepto de que la oxidación consisteen la pérdida de uno o más electrones, en cambio, la reducción es la gananciade uno o más electrones. Por tanto, la reacción global se divide en dossemireacciones, una para la oxidación y la otra para la reducción. Lasecuaciones de las dos semireacciones se balancean por separado (elementos ycarga). A continuación, se iguala el número de electrones que se gana y sepierde en ambas. Por ultimo, se suman las semireacciones resultantes paraobtener la ecuación total balanceada. Las siguientes reglas ayudaran a aplicareste método, en el balanceo de las ecuaciones redox.

1. Establecer una ecuación iónica que incluya aquellos reactivos y productos quecontengan los elementos, que sufren una variación del número de oxidación.

2. Escribir una ecuación para la semirreacción de reducción, con el elementoque sufre una disminución en su número de oxidación; y una para lasemirreacción de oxidación, con el elemento que sufre un aumento en sunúmero de oxidación. Las especies deben ser escritas en forma iónica omolecular. Los compuestos iónicos se separan en sus iones componentes,señalando con toda claridad sus cargas correspondientes. Los óxidos y loscompuestos covalentes no se separan en iones.

3. Balancear los átomos de cada una de las semirreacción por separado,teniendo en cuenta el medio de la reacción.v Para reacciones en medio acido o neutro agregar H2O para balancear

los átomos de O, y H+ para balancear los átomos de H. Por cada átomode oxigeno en exceso en un lado de la ecuación, agregar una moléculade H2O al otro lado; y por cada átomo de hidrógeno en exceso en unlado, agregar H+ al otro lado.

v Para reacciones en medio básico agregar H2O y OH para balancear losátomos de H y O. Por cada átomo de oxigeno en exceso en un lado dela ecuación, agregar una molécula de H2O al mismo lado y dos OH alotro lado; y por cada átomo de hidrógeno en exceso en un lado,agregar un OH al mismo lado y una molécula de H2O al otro lado.

4. Balancear las cargas de cada una de las semireacciones por separado, añadirelectrones (e ) en forma de reactivos (semirreacción de reducción) oproductos (semi-reacción de oxidación) de tal manera que la ecuación tengacarga cero. El balance de carga siempre debe hacerse después del balancede átomos, nunca antes.

5. Multiplicar cada semirreacci´on por un número apropiado, de modo que elnumero total de electrones perdidos por en agente reductor sea igual alnumero de electrones ganados por el agente oxidante.

6. Sumar las dos semireacciones que resultan de estas multiplicaciones. En laecuación iónica resultante anular todos los términos comunes en amboslados. Todos los electrones se anulan automáticamente.

7. Transformar la ecuación iónica obtenida en una ecuación molecular, esto serealiza añadiendo a cada lado de la ecuación, números iguales de iones queno sufren transferencia de electrones. Balancear estas especies, respetandolos coeficientes ya obtenidos.

8. Finalmente, comprobar la ecuación final, contando el número de átomos decada elemento en ambos lados de la ecuación y calculando la carga neta encada uno de ellos.

Este método es sistemático y normalizado y por lo tanto exacto, se fundamentaen el balanceo de las ecuaciones en forma separada y completa, describiendoSEMIREACCIONES de oxidación y reducción igualando los átomos, luego elnúmero de electrones que se ganan en ambas semireacciones. Finalmente sesuman las semireacciones resultantes para obtener la ecuación totalbalanceada.

Las ecuaciones redox, en la mayoría de casos procede en un medio ácido(H+), en medio básico (OH−).

6.5.1. En medio ácidoEjemplo: Balancear la siguiente ecuación: KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → O2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

1. Se identifica los elementos que cambian su número de oxidación parareconocer la oxidación y la reducción.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

46

+1+7 -2 +1 -1 +1+6-2 0 +2 +6 -2 KMnO4 +H2O2 + H2SO4 → O2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

Se oxida el oxígeno del peróxido de (-1) a (0) en oxígeno molecular y sereduce el Manganeso de +7 en el permanganato de potasio a Mn (+2) enel sulfato de manganeso (II).

2. Todas las formas iónicas se parten en anión y catión y las formasmoleculares se conservan. Teniendo en cuenta que en solución acuosa seionizan los ácidos, los hidróxidos y las sales.

K+1(MnO4)-1 + H2O2 + H2+ 1(SO4)-2 → O2 + Mn+2 SO

4-2+ K2SO4 + H2O

3. Sacar las semirreacciones con los iones o moléculas que contengan a loselementos cambiantes.

Semi reacción de Oxidación (S.R.O.) H2O2 → O2

Semi reacción de Reducción (S.R.R.) MnO4− → Mn 2+

4. Se balancea por masa, primero todos los elementos diferentes de H yoxígeno, luego se balancean estos teniendo en cuenta las siguientesreglas:a. Si en un lado sobra un oxígeno, en el otro se forma un agua y se

contrarresta con dos iones hidrógeno o dos protones (H+):O + 2 H + → H2O

b. Si en un lado sobra un hidrógeno en el otro se forma un ión hidrógeno: H → H +

S.R.O. H2O2 → O2 + 2 H+

S.R.R. MnO4− + 8 H+ → Mn 2+ + 4 H2O

5. Se balancea por carga aumentando electrones (e-) en el lado necesariode tal manera que en ambos lados haya el mismo número de cargas delmismo signo (o sea la carga total de la reacción sea cero).

S.R.O H2O2 → O2 + 2 H+ + 2 e−

S.R.R. MnO4− + 8 H+ + 5 e− → Mn 2+ + 4 H2O

6. Se multiplica cada semirreacción por el número de electrones de la otrareacción y luego se suma miembro a miembro.

5 H2O2 → O2 + 2 H+ + 2 e−

2 MnO4− + 8 H+1 + 5 e− → Mn 2+ + 4 H2O

5 H2O2 → 5 O2 + 10 H+ + 10 e−

2 MnO4− + 16 H+1 + 10 e− → 2 Mn 2+ + 8 H2O

5 H2O2 + 2 MnO4− + 16 H+1 → 5 O2 + 10 H+ + 2 Mn 2+ + 8 H2O

7. Se reducen términos comunes: (en este caso hay)5 H2O2 + 2 MnO4

− + 6 H+1 → 5 O2 + 2 Mn2+ + 8 H2O 8. Cada semirreacción regresa a sus compuestos de origen llevando los

coeficientes hallados. 2 KMnO4 + 5 H2O2 + 3 H2SO4 →5 O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O

6.5.2. En medio básicoSe sigue los mismos pasos que para el medio ácido, teniendo en cuentaque:

a) Por cada oxígeno que sobre en un lado en el otro se forman 2oxidrilos y se contrarrestan con un agua: O2- + H2O → 2 OH − .

b) Por cada hidrógeno que sobre en un lado, en el otro se forma un aguay se contrarrestan con un oxidrilo: H + + OH − → H2O

Ejemplo:0 -1 +5

Cl2 + NaOH → NaCl + NaClO3

El Cloro se oxida y se reduce a la vez.Oxidación: Cl2 → ClO3

−

Reducción: Cl2 → Cl −

1 2 Cl2 + 12 OH− − 10 e− → 2 ClO3− + 6 H2O

5 10 Cl2 + 2 e− → 2 C l −

Cl2 + 12 OH− + 5 Cl2 → 2 ClO3− + 6 H2O + 10 C l −

6 Cl2 + 12 OH− → 2 ClO3− + 6 H2O + 10 C l − (entre 2)

3 Cl2 + 6 OH− → ClO3− + 3 H2O + 5 C l −

3 Cl2 + 6 NaOH → 5 NaCl + NaClO3 + 3 H2O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

47

6.5.3. Balanceo de ecuaciones iónicas

Ejemplo:MnO4

− + SO32 − → Mn2+ + SO4

2 −

1. Identificación del estado de oxidación y reducción:+7 +4 +6

MnO4− + SO3

2 − → Mn2+ + SO42 −

2. Semirreacción de: Oxidación: SO3

2 − → SO42 −

Reducción: MnO4 − → Mn2+

3. Balanceo por masa:

SO32 − + H2O → SO4

2 − + 2 H+

MnO4− + 8 H+ → Mn2+ + 4 H2O

4. Balanceo por carga y multiplicación cruzada de los coeficientes de electrones

5 SO32 − + H2O − 2 e− → SO4

2 − + 2 H+

2 MnO4− + 8 H+ + 5 e− → Mn2+ + 4 H2O

5 SO32 − + 5 H2O + 2 MnO4

− + 16 H+ → 5 SO42 − + 10 H+ +2 Mn2+ + 8 H2O

5 SO32 − + 2 MnO4

− + 6 H+ → 5 SO42 − +2 Mn2+ + 3 H2O

6.6. Ejercicios1. Indique la clase de reacción de :

a) CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(ac)

b) N2O3 (s) + H2O(l) → HNO2 (ac)

c) NaI (ac) + Cl2 (g) → I2(s) + NaCl(ac)

d) Ba(NO3)2 (ac) + Na2CO3 (ac) → BaCO3 (s) + NaNO3 (ac)

2. Completar e indicar la clase de reacción de :a) Cl2O5 (g) + H2O(1) →b) H2SO4 (ac) + NaOH (ac) →

c) NaCl(ac) + F2 (g) →

d) N2 (g) + H2 (g)∆ →

e) SO2(g) + O2 (g) →

f) NaCl (l) → isElectrolis

3. Haga las ecuaciones iónicas totales y netas de:a) CaCl2 (ac) + H2SO4 (ac) → CaSO4 (s) + HCl (ac)

b) AlCl3 (ac) + NH4OH (ac) → Al(OH)3 (s) + NH4Cl (ac)

c) H3PO4 (ac) + Ca(OH)2 (ac) → Ca3(PO4)2 (s) + H2O (l)

4. Formule e indique la clase de reacción.

a) Si reacciona un trozo de potasio con agua.

b) Si el sulfuro ferroso reacciona con el oxígeno produce dos compuestos.

c) Si combustiona propano en aire.d) Si reacciona cobalto metálico con un exceso de ácido nítrico, se libera un

gas dióxido de nitrógeno dejando como residuo una sal de cobalto.

e) Se desprende dióxido de carbono cuando se hace reaccionar carbonatode calcio con ácido clorhídrico.

5. Balancear por el método ión electrón en medio ácido las siguientesreacciones redox :a) MnO + PbO2 + HNO3 → HMnO4 + Pb(NO3)2 + H2O

b) KI + KIO3 + H2SO4 → I2 + K2SO4 + H2O

c) K2Cr2O7+ H2SO4 + CH3CH2OH → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + CH3CHO + H2O

d) BaSO4 + Na2CO3 + C → Na2S + BaCO3 + CO

e) P4 + HClO3 + H2O → H3PO4 + HCl

f) PbO2 + HI → PbI2 + I2 H2O

g) Zn + H2MoO4 + H2SO4 → ZnSO4 + Mo2(SO4)3 + H2O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

48

6. Balancear por el método ión electrón en medio básico las siguientesreacciones redox:a) NaClO3 + MnO2 + KOH → K2MnO4 + KCl + H2O

b) Mn2+ + Ag+ → MnO2 + Ag

c) MnO4− + HSnO2

− → SnO32− + MnO2

d) MnSO4 + KMnO4 + KOH → MnO2 + K2SO4 + H2O

e) P4 + KOH → K3PO3 + H2

f) Al + NaOH + H2O → NaAlO2 + H2

7. Por reacción entre el carbonato de sodio y el cloruro de bario ensolución acuosa se forma un compuesto insoluble, la fórmula es:a) NaCl b) BaCO3 c) Na2CO3 d) BaCl2 e) NaHCO3

8. Cuando el etanol arde en presencia de aire, produce anhídrido carbónicoy agua más energía.

CH3CH2OH + O2à CO2 + H2O + EnergíaA qué clase de reacción corresponde:a) Combinación.b) Descomposición.c) Desplazamiento doble.d) Redox.e) Desplazamiento simple.

9. Respecto a la reacción redox siguiente:K2Cr2O7 + FeSO4 + HCl à CrCl3 + Fe2(SO4)3 + FeCl3 + KClLas proposiciones son verdaderas y falsas.I. El agente oxidante es el K2Cr2O7

II. El agente reductor HClIII. El cromo se reduce de +6 a +3IV. El cloro se oxida de –1 a +1

El orden correcto es:a) VFVF b) VFVV c) VVVF d) FVFV e)VFFV

10. Señalar la relación incorrecta:a) C2O4

2-à CO2 : Oxidaciónb) CH3OHà HCHO : Reducciónc) H2O2à O2 : Oxidaciónd) Cr2O7

2-à Cr3+ : Reduccióne) MnO2à MnO4

- : Oxidación

11. Cuántos electrones se requieren para balancear la siguientesemireacción de oxidación:

P4 + 16 H2O - ......e-à 4 PO43- + 32 H+

a) 5 b) 10 c) 15 d) 20 d) 3

12. Asigne números de oxidación a cada elemento de los siguientescompuestos e iones:a) SO3 b) HNO3 c) LiOH d) Fe(OH)3

e) HClO3 f) CuCl2 g) K2CrO4 h) Ni(OH)2

i) N2H4 j) NO3- k) SO4

2- l) S2O32-

13. Decide cuáles de las siguientes reacciones son de oxidación –reducción. En cada caso, explique su decisión e identifique losagentes oxidantes y reductores.a) Na (OH) (ac) + HNO3(ac) → NaNO3(ac) + H2O(l)

b) 4Cr(s) + 3O2(g) → 2Cr2O3(s)

c) NiCO3(s) + 2HCl(ac) → NiCl2(ac) + H2O(l) + CO2(g)

d) Cu(s) + Cl2(g) → CuCl2(g)

e) Fe(s) + 2HCl(ac) → FeCl2(ac) + H2(g)

f) 2Al(s) + 3CuSO4(ac) → Al2(SO4)3(ac) +3Cu(s)

g) Au(s) + 3AgNO3(ac) → Au(NO3)3(ac) + 3Ag(s)

h) CdCl2(ac) + Na2S(ac) → CdS(s) + 2NaCl(ac)

14. Escriba semirreacciones de oxidación y de reducción para lassiguientes ecuaciones redox netas. Demuestre que su suma es lareacción neta.a) Cd(s) + Cu2+

(ac) → Cu(s) + Cd2+(ac)

b) Zn(s) + 2H3O+(ac) → Zn2+

(ac) + H2(g) + 2H2O(l)

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

49

c) 2Al(s) + 3Zn2+(ac) → 2Al3+

(ac) + 3Zn(s)

15. Balancee la ecuación para la reacción de Zn con Cr2O72- en solución

ácida.Zn(s) + Cr2O7

2-(ac) → Cr3+

(ac) + Zn2+(ac)

TEMA 7ESTEQUIOMETRÍA

La palabra “estequiometría” se deriva del griego stoicheion, que significa“primer principio o elemento”, y metron, que significa “medida”.La estequiometría describe relaciones cuantitativas:a. Entre los elementos en los compuestos (estequiometría de composición).b. Entre las sustancias químicas cuando sufren cambios químicos (estequio-

metría de la reacción).

7.1. Unidades químicas de masa7.1.1 Peso atómico (PA) o masa atómicaPromedio de las masas atómicas de todos los isótopos de un mismo elemento,se expresa en unidades de masa atómica (uma). El Carbono de masa 12 sirvecomo patrón, de modo que una unidad de masa atómica se define como 1/12de la masa de un átomo de carbono-12.

uma = 1/12 masa de carbono 12

Masa de un átomo de carbono 12 = 12 uma

100)(%...)(%)(% 2211 nnMMMatómicoPeso +++

=

Ejemplo:¿Cuál es el peso atómico del vanadio si tiene dos isótopos: 50V con una masaatómica de 49,9472 uma, su abundancia es 0,75 % y 51V que tiene una masaatómica de 50,9490 uma cuya abundancia es 99,25%?Solución:

Masa 50V (% abun) + Masa 51V (% abun)P.A.V =

100

49,9472 uma (0,75) + 50,9490 uma (99,25)P.A. V = = 50,9415 uma

100

7.1.2. Peso fórmula (PF)Es la suma de los pesos atómicos de los elementos en la formula, contando cada unoel número de veces que aparece en ella. El peso fórmula da la masa de una unidadfórmula en uma. El termino “peso formula” se usa tanto para sustancia iónicas comomoleculares. Ejemplo el Peso fórmula del NaCl es 58,45 uma.

7.1.3. Peso Molecular o masa molar (PM)Es la suma de los pesos atómicos de los elementos en la fórmula, contandocada uno el número veces que aparece en ella. El peso molecular esespecíficamente para sustancias moleculares (no iónicas). Ejemplo el pesomolecular del CO2 es 44 g/mol

7.1.4. El MolEs la Cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos,moléculas, partículas, etc.) como átomos hay en exactamente 12 g de carbono12. Este número es igual a 6,022045x1023.

1 mol = 6,022045 x1023 átomos (moléculas o partículas).Este número se llama Número de Avogadro, Para cálculos este número seredondea a cuatro cifras significativas 6,022 x1023 átomos.Un mol de átomos de carbono 12 tiene una masa exactamente de 12 g ycontiene 6,022045 x1023 átomos. Esta cantidad se llama masa molar delcarbono 12 y es la masa (en gramos o kilogramos) de un mol de unidades(como átomos o moléculas) de la sustancia.Ejemplo: ¿Cuántas moléculas de oxígeno hay en 10 moles del mismo?Solución:

1 mol de O2 6,022 x1023 átomos de oxígeno 10 moles de O2 XX = 6,022 x1024 átomos de oxígeno

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

50

Ejemplo: a) ¿Cuantas moléculas de dióxido de carbono?, b) ¿Cuántos átomosde Carbono y oxígeno, hay en 11 g del mismo?Solución:

1 mol de CO2 6,022 x1023 moléculas de CO2

44 g de CO2 6,022 x1023 moléculas de CO2

11 g X

X = 1,5055 x1023 moléculas CO2

Átomos de C: por cada molécula de CO2 hay un carbono entonces hay: 1,5055x1023 átomos de carbono.Átomos de O: 2 (1,5055 x1023 átomos de O) = 3.011x1023 átomos de oxígeno

7.1.5. Peso Equivalente (Peq-g)Es el peso de una sustancia necesaria para combinarse o desplazar a 1,008g dehidrogeno (H2), u 8 g de oxígeno (O2), ó 35,45 g de cloro (Cl2). Se puede definirtambién como: El peso de una sustancia que gana, pierde o comparte el númerode Avogadro de electrones (mol) cuando se combina con otra sustancia. Otambién la masa de una sustancia involucrada en la transferencia de una unidadde cargaEl peso equivalente o equivalente-gramo cuando se expresa en gramos permitecon facilidad realizar cálculos estequiométricos sin necesidad de establecerrelaciones molares.

a) Peso equivalente de un elementoPeso equivalente elemento = Peso atómico Estado de oxidación

Ejemplo: El peso equivalente del Magnesio:Peso Eq-g Mg = 24 g = 12 g 2

b) Peso Equivalente de un ácidoPeso equivalente ácido = Peso formula o peso molecular N0 de Hidrógenos reemplazables (H+)

Ejemplo: El peso equivalente del ácido sulfúrico:

Peso Eq-g H2SO4 = 98 g 2Peso Eq-g H2SO4 = 49g

b) Peso Equivalente de una basec)

Peso equivalente base = Peso formula o peso molecular N0 de oxidrilos (OH-)

Ejemplo: El peso equivalente del hidróxido de sodio:

Peso Eq-g NaOH = 40 g 1Peso Eq-g NaOH = 40 g

d) Peso Equivalente de una sal Peso fórmula o peso molecularPeso equivalente de una sal = Carga total (iones positivos o negativos)

Ejemplo: El peso equivalente del sulfato de calcioPeso eq-g Na2CO3 = 106 g 2Peso eq-g Na2CO3= 53 g

e) Peso Equivalente de un agente oxidante o reductorPeso fórmula

Peso equivalente del agente oxidante o reductor = N° de electrones ganados

o perdidos7.1.6. Composición PorcentualLa composición porcentual es la composición de la masa en gramos de cadaelemento constituyente con respecto a 100 g de compuesto.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

51

Masa en gramos del elementoComposición porcentual de un elemento = x 100%

Masa molar del compuesto

Por ejemplo si se desea hallar la composición porcentual del SO2:Se determina la masa molar: (32 g S) + 2(16 g de O) = 64 g, entonces:

32 g de Azufre% de S = x 100 = 50 % de S

64 g SO2

32 g de Oxígeno% de O = x 100 = 50 % de O

64 g SO2

7.1.7. Fórmula empírica y molecularLa formula empírica para un compuesto es la mas pequeña relación denúmeros enteros de átomos presentes.La formula molecular o verdadera indica los números reales de átomospresente en una molécula del compuesto.Por ejemplo, para el peróxido de hidrógeno su formula empírica es HO y suformula molecular es H2O2.

Determinación de la fórmula empíricaEl acetileno es un hidrocarburo no saturado, usado en la soldadura autógena,Tiene una composición porcentual de 92,25 % de carbono y 7,75 % dehidrógeno. ¿Cuál es la fórmula empírica?Solución:

Considerando que 100 % constituye 100 g de muestra, entonces:

1 mol de C C: 92,25 g C x ________________ = 7,69 mol de C 12,00 g C

1 mol de H

H: 7,75 g H x ________________ = 7,69 mol de H 1,008 g H

Si ambos dividimos por 7,69, resulta que la relación es 1:1, por lo tanto lafórmula empírica es CH, pero la fórmula molecular del acetileno es C2H2.Determinación de fórmula molecularDe la misma manera que las fórmulas empíricas, se pueden determinar lasfórmulas moleculares. Una de las formas para determinar la fórmula moleculares a partir de la fórmula empírica, para ello se debe conocer masa molar delcompuesto, este permite relacionar la fórmula empírica con la fórmula molecularde la siguiente manera:

Masa molar de la sustancia n =

Masa molar de la fórmula empírica

Donde n: es el número de unidades de fórmulas empíricas, luego la fórmulamolecular se calcula con la fórmula siguiente:

Fórmula molecular = n × Fórmula empírica

Problema: La vitamina C (Ácido ascórbico) es antiescorbútica, se encuentra enfrutas agrias. Tiene una composición de 40,89 % de carbono, 4,58 % dehidrógeno y 54,53 % de oxígeno. Determinar: a) Su fórmula empírica, b) Sufórmula molecular si masa molar es de 176?Solución:Primero se calcula la fórmula mínima con los porcentajes:

40,89 g C: ________________ = 3,408

12,00 g C

4,58 g H: ________________ = 4,544 1,008 g H

54,53 g O: ________________ = 3,408 16,00 g C

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

52

Para encontrar la relación de números enteros dividimos entre elmenor:

3,408 C: ___________ = 1

3,408

4,544 H: ____________ = 1,33 3,408 3,408 O: ___________ = 1

3,408Como todavía no son números enteros, entonces se multiplica por 3 entoncesobtenemos: C3H4O3 que es la fórmula empírica, para hallar la fórmula molecularconociendo la masa molar de la fórmula empírica (3 C + 3 O + 4H = 88,03)dividimos la masa molar de la fórmula molecular entre la masa molar de lafórmula empírica:

Masa molar de la fórmula molecular 176n = _____________________________________________ = _______________ = 2 Masa molar de la fórmula empírica 88,03

Y la fórmula molecular es = 2 fórmula empíricaFórmula molecular = n x Fórmula empíricaFórmula molecular = 2 (C3H4 O3 ) = C6H8 O6

7.2. Relación estequiométrica• Las relaciones estequiométricas en una ecuación química balanceada

puede ser :a. Entre reaccionantes.b. Entre productos.c. Entre un reaccionante y producto.

• A su vez pueden ser relaciones:a. de masa (generalmente en gramos).

b. de mol.c. de moléculas.d. de volumen.

RELACIONES ESTEQUIOMÉTRICASPor ejemplo en la reacción siguiente:

H2S (g) + 2 NH3 (g) → (NH4)2S (g)

Masa : 34 g 34 g → 68 gMol : 1 mol 2 mol → 1 molMoléculas : 6,022x1023 2(6,022x1023 ) → 6,022x1023

Volumen : 1 Volumen 2 Volumen → 1 Volumen 22,414 L 2(22,414 L) → 22,414 L

Ejemplo:Una disolución acuosa que contiene 60 g de hidróxido de sodio, se neutralizan

con suficiente cantidad de ácido fosfórico (ácido ortofosfórico). a) ¿Cuántosmoles de ácido son necesarios?, b) ¿Cuántos moles de agua se han formado?Solución:1. Ecuación química: NaOH (ac) + H3PO4 (ac) → Na3PO4 (ac) + H2O (ac)

2. Balanceo: 3 NaOH (ac) + H3PO4 (ac) → Na3PO4 (ac) + 3 H2O (ac)

3 (40 g) 97,99 g 163,97 g 3 (18 g) 3 mol 1 mol 1 mol 3 mol

a) Moles de ácido fosfórico: Primero la conversión de 60 g de NaOH a mol,luego la relación estequiométrica de mol de NaOH a mol de H3PO4

3 (40 g) NaOH 3 mol NaOH 1 mol de H3PO4

60 g NaOH X mol “ Y Y = 0,5 mol H3PO4

b) Moles de agua: 3 (40 g) NaOH 3 mol NaOH 3 mol de H2O 60 g NaOH X mol “ Y Y = 1,5 mol H2O

Ejemplo: Considerar la reacción:4 NH3 + 5 O2à 4 NO + 6 H2 O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

53

Por cada 10,0 moles de NH3,(a) ¿Cuántos moles de O2 se necesitan? (b)¿cuántos moles de NO se producen? 4 mol NH3 5 mol O2

10 mol NH3 X mol X= 12,5 mol O2

4 mol NH3 4 mol NO10 mol NH3 X mol X = 10 mol NO

Ejemplo: Hallar la masa de cloro que se combinara con 4,77 g de hidrogeno paraformar cloruro de hidrógeno.

H2 + Cl2 à 2 HCl 2 g H2 70,9 g Cl24,77g H2 x g x = 169,1 g Cl2

7.3. Reactivo limitanteCuando se efectúa una reacción, los reactivos comúnmente no están presentesen las cantidades estequiométricas exactas, esto es, en las proporcionesindicadas en la ecuación balanceada. El reactivo que se consume primero enla reacción se llama reactivo limitante, dado que la máxima cantidad deproducto formado depende de la cantidad de este reactivo que se encuentrapresente originalmente, cuando se acaba este reactivo no se puede formar masproducto, los reactivos presentes en cantidades mayores a las requeridas sellaman reactivos excedentes.Ejemplo:¿Cuántos gramos de nitrato de calcio se obtiene por la reacción de 37,8 g deácido nítrico con 14,8 g de hidróxido de calcio?

2 HNO3 + Ca(OH)2 → Ca(NO3)2 + 2 H2O

Solución: Primero calculamos los gramos de nitrato de calcio con 37,8 g deácido nítrico.2 (63 g) HNO3 164 g Ca(NO3)2

37,8 g HNO3 X g “ X = 49,2 g Ca(NO3)2

Luego calculamos con 14,8 g de hidróxido de calcio:74 g Ca(OH)2 164 g Ca(NO3)2

14,8 g Ca(OH)2 X

X = 32,8 g Ca(NO3)2

De las dos respuestas se escoge el menor es decir 32,8 g Ca(NO3)2 ,por lo tantoel reactivo limitante es el hidróxido de calcio por que está presente en menorcantidad y se consume primero, estando en exceso el ácido nítrico.

7.4. Rendimiento de una reacciónEl rendimiento teórico de una reacción química es el rendimiento calculadosuponiendo que la reacción se complete, en la practica a menudo no se da estopor diferentes razones:a. Muchas reacciones no se completan, es decir los reactantes no se convierten

completamente en productos.b. Algunos reactantes pueden sufrir dos o mas reacciones simultaneas,

reacciones no deseadas “reacciones secundarias”.c. La separación del producto deseado de la mezcla no se puede aislar en su

totalidad.

El término porcentaje de rendimiento se usa para indicar cuanto del productodeseado se obtiene en una reacción.

Porcentaje de rendimiento = rendimiento real de producto x 100 rendimiento teórico de producto

El mesitileno (C9H12), se emplea para sintetizar algunos compuestos orgánicos.Si se obtiene 73,4 g de mesitileno a partir 143 g de acetona (C3H6O) enpresencia de ácido sulfúrico. ¿Cuál es el rendimiento porcentual del mesitilenoen esta reacción?

H2SO4

3 C3H6O → C9H12 + 3 H2O

Solución: Primero calculamos el rendimiento teórico, con 143 g de acetona:3 (58 g C3H6O) 120 g C9H12

143 g C3H6O X X = 98,62 g C9H12

Luego calculamos el rendimiento porcentual:

Rendimiento porcentual Rendimiento real del producto= x 100 % Rendimiento teórico del producto

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

54

Rendimiento porcentual 73,4 g= x 100 % = 74,43 % 98,62 g

7.5. Ejercicios1. Si una reacción se inicia con 5.02 moles de CO. Calcule el número de

moles de CO2 producidos si hay suficiente oxígeno gaseoso parareaccionar con todo el CO según la siguiente reacción:

2 CO (g) + O2 (g) ----------CO2 (g)

¿Cuál es la respuesta correcta?

a) 10.04 moles b) 5.04 moles c) 2.5 molesd) 2.08 moles e) 5.02 moles

2. El tetracloruro de silicio (SiCl4) se puede preparar por calentamiento desilicio en cloro gaseoso según la siguiente reacción

Si + 2 Cl2 (g) ----------SiCl4 (l)

En la reacción se producen 0.25 moles de SiCl4 ¿Cuántos moles de Cl2molecular se usaron en la reacción?

a) 2.0 moles b) 0.5 moles c) 1.0 molesd) 0.25 moles e) 0.75 moles

3. La estricnina es un veneno muy peligroso usado como raticida, dondela composición del mismo es.

C: 75.450 %H: 6.587 %N: 8.383 %O: 9.581 %

Encontrar la fórmula empírica. La fórmula corresponde a:a) C11H11NOb) C21H22N2O2c) C21H22NOd) C11H11N2O2e) C21H22NO2

4. En un alto horno, el mineral de hierro Fe2O3 se convierte en hierromediante la reacción:

Fe2O3 (s) + 3 CO (g) -----------2 Fe (l) + 3 CO2 (g)

a) ¿Cuántos moles de CO se necesitan para producir 20 moles de Fe?b) ¿Cúantos moles de CO2 se desprenden por cada 10 moles de fe formado?Responda la alternativa correcta:

a) 30 moles de CO y 15 moles de CO2b) 15 moles de CO y 15 moles de CO2c) 30 moles de CO y 30 moles de CO2d) 15 moles de CO y 30 moles de CO2e) N.A.

5. El cianuro de hidrógeno es un líquido incoloro, volátil y con el olor deciertos huesos de frutas (por ejemplo los huesos del durazno, ceraza,etc.). Este compuesto es sumamente venenoso. ¿Cuántos moles ymoléculas habrá en 56 miligramos de HCN, la dosis tóxica promedio?

De las siguientes afirmaciones cuales son correctas:

I. 0.0021 molesII 1.26 x 1021 moléculasIII. 0.0042 molesIV. 2.52 x 1021 moléculasV. Todas son correctasSon correctas:a) I y II b) III y IV c) solo V d) N-A. e) II y III

6. El nitrato de amonio (NH4NO3) el cual se prepara partir de HNO3 seemplea como fertilizante nitrogenado. ¿Calcular los porcentajes enmasa de los elementos N-H-O respectivamente?

La respuesta correcta en porcentaje es:a) 40-20-40b) 60-5-35c) 33.3- 33.3-33.3d) 35-5-60e) 30-10-50

7. El ácido benzoico es un polvo blanco, cristalino, que se emplea comopreservante de alimentos, este compuesto contiene:

C: 68.8% H: 5% O: 26.2%

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

55

¿Cuál es la fórmula mínima?

a) C6H6Ob) C6H6O2c) C7H6O2d) C7H7O2e) C7H7O

8. Se hicieron reaccionar 44.47 g de cobre con 189 g de ácido nítrico,efectuándose la siguiente reacción.

Cu + 4 HNO3 ---------- Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O

A) ¿Cuál es el reactivo limitante y reactivo excedente?B) ¿Cuántos gramos de Cu(NO3)2 se deben obtener?C) ¿Qué masa de reactivo en exceso no reaccionó?D) ¿Cuál fue el porcentaje de rendimiento si en el laboratorio se formaron

120 g de la sal?

Respuestas:I. Reactivo limitante es el cobre, reactivo excedente el ácido nítricoII. Rendimiento teórico 131.31 gIII. Masa excedente 12.5 gIV. Rendimiento práctico 91.39 %V. Reaccionan 44.47 g de cobre con 176.5 g de ácido nítrico

La alternativa correcta es:a) VVFFV b) FFVVV c) FFFFF d) VVVVV e) VFVFV

9. ¿Cuál es el peso equivalente del KMnO4 en la siguiente reacción.MnO4

- ------------Mn+2

Respuesta correcta:a) 31.6 eq-gb) 158 eq-gc) 63.2 eq-gd) 55 eq-ge) 119 eq-g

10. ¿Cuál es el peso equivalente del HAlO2 en la siguiente reacción.Marque la respuesta correcta.a) 27 eq-gb) 59 eq-gc) 60 eq-gd) N.A.e) Todas son correctas

11. La reacción de 6.8 g de de sulfuro de hidrógeno con exceso deanhídrido sulfuroso produce 8.2 g de azufre según la siguientereacción:H2S + SO2 -----------3 S + 2 H2O¿Cuál es el rendimiento?

a) 90 %b) 100 %c) 85,4%d) 95,4 %e) 75,4 %

12. ¿Cuál es la composición centesimal del siguiente compuestoAl2(SO4)3.18H2O en función a la siguiente secuencia: Al-S-O-H, escojala alternativa correcta:

a) 8.1 - 14.4 - 72.1 - 5.4 %b) 8.1 - 14.4 - 77.1 - 0.4 %c) 18.1 - 4.4 - 72.1 - 5.4 %d) 18.1 - 4.4 - 70.1 - 7.4 %e) 8.1 - 15.4 - 71.1 -5.4 %

13. Un compuesto contiene 66.6% de titanio y el 33.4% de oxígeno enpeso. ¿Cuál es la fórmula empírica?

a) TiOb) TiO2c) TiO3d) Ti2O3e) Ti2O

14. Una muestra de óxido que pesa 1.596 g contiene 1.116 g de hierro y0480 g de oxígeno. ¿Cuál es su fórmula empírica y cuál es su fórmulamolecular si tiene un peso de 160 uma?. Responda en el orden defórmula empírica- fórmula molecular:

a) Fe2O3 - Fe2O3b) FeO2 - Fe2O4c) FeO3 - Fe2O6d) FeO - Fe2O2e) N.A.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

56

15. ¿Qué masa de metano ha de quemarse para producir 3.01 x 1023

moléculas de agua, según la reacción:

CH4 (g)+ 2 O2 (g) ---------- CO2 (g) + 2 H2O (l)

TEMA 8

EL AGUA, ÁCIDOS, BASES Y SOLUCIONES

8.1. El aguaEl agua es el compuesto más abundante y más distribuido en la superficie de latierra, se encuentra cubriendo unas tres cuartas partes de la superficie del globo.Se encuentra dispersa en la naturaleza en sus tres estados físicos: sólido, ohielo, en los polos, glaciares y nevados, Líquido, en los mares, lagos, ríos,animales y vegetales, Y vapor, básicamente en la atmósfera como componentede la atmósfera, en las nubes, la niebla, etc.El agua potable que se usa como alimento, no es una especie química pura, sinouna solución acuosa que contiene pequeñas cantidades de aire disuelto ydiversas sales como cloruros, carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, etc.Principalmente de sodio, de calcio, de magnesio, etc. El agua potable debe tenerlas siguientes características: a) debe ser límpida, incolora, inodora, fresca y desabor agradable, b) Debe contener aire disuelto para ser digestiva, c) Debecontener pequeñas cantidades de sales en solución hasta un máximo de 0,5 gpor litro, d) No debe contener gérmenes patógenos, e) Cocer bien las legumbresy disolver el jabón sin formar grumos.El agua destilada es el agua como sustancia no debe contener gases, ni sales, uotras impurezas disueltas ni en suspensión, es decir, es el agua químicamentepura. Se obtiene mediante la destilación, que permite separar todas lassustancias no volátiles disueltas en el agua.

8.1.1. Estructura del aguaEl agua es un compuesto molecular, del oxígeno y el hidrógeno unidos porenlaces covalente polar, en la proporción de 2 hidrógenos por cada oxígeno.De acuerdo a la Teoría del Enlace de Valencia en la molécula de agua el átomo deoxígeno sufre una hibridación sp3 formando un tetraedro. Los pares no compartidoshacen que el ángulo de enlace entre O-H es 104,5° y no 109,5° como en el tetraedro.Distribución electrónica basal del oxígeno:

8O

↑↓1s

↑↓2s

↑↓2px

↑2py

↑2pz

Distribución electrónica hibridizada del oxígeno

8O

↑↓1s

↑↓

2sp3

↑↓

2sp3

↑

2sp3

↑

2sp3

A simple vista pareciera que la distribución no ha cambiado porque sigueteniendo dos electrones desapareados, pero fijándose bien se puede notar queen la distribución básica, los electrones de valencia (último nivel) se encuentranen 2 tipos de orbitales 2s y 2p, mientras que en la distribución hibridizada loselectrones de valencia están ocupando cuatro orbitales 2sp3 iguales, de lamisma energía.De otro lado se nota que los dos últimos orbitales hibridados estándesapareados, cuando el oxígeno reacciona con dos átomos de hidrógeno, loselectrones del hidrógeno ocupan los lugares vacíos completando el octeto yformando dos enlaces covalentes.

H2O

↑↓1s

↑↓

2sp3

↑↓

2sp3

↑↓

2sp3

↑↓

2sp3

La distribución geométrica espacial para una hibridación sp3 es un tetraedroregular con ángulos iguales de 109o; En el agua, los dos orbitales apareados deloxígeno, sufren repulsión por su densidad electrónica, y por lo tanto el ánguloformado por los otros dos orbitales se contrae, reduciéndose a 104,5o, dandocomo resultado un tetraedro irregular:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

57

O

H

H

La estructura Lewis del Agua es:

O

H

H:. .

X

X

O

H

H:. .

En esta estructura los enlaces O - H son covalentes polares porque el O tieneuna electronegatividad de 3,5 y el H tiene 2,1; entonces el oxígeno tiene mayorcapacidad de atraer el par de electrones hacia sí adquiriendo una carga parcialnegativa que se traduce en el polo negativo y los hidrógenos están cediendoparcialmente su electrón adquiriendo una carga parcial positiva. Entonces sepuede decir que en el agua hay dos enlaces covalentes polares en un ángulo de104,5o lo que permite que el agua sea un dipolo.

8.1.2. Propiedades del agua a. Propiedades Físicas

A la Temperatura ambiente se encuentra en el estado líquido y es mas densaque el hielo, el agua presenta la anomalía de tener su máxima densidad de 1g/cm3a 3,98°C (4 °C), por encima y por debajo de esta temperatura la densidades menor de 1.• Su punto de fusión es de 0oC y de ebullición 100oC.• Tiene carácter polar.• Su calor específico es 4,18 J/g.°C, siendo un valor alto con respecto a otras

sustancias, por lo que se la utiliza como refrigerante.

b. Propiedades QuímicasEs bastante estable debido a sus enlaces covalentes polares

No se descompone fácilmente, para ello se requiere elevadas temperaturascerca de 1 000°C o la aplicación de una corriente eléctrica.Reacciona con los metales alcalinos (Na, K, etc) desprendiendo hidrógeno.Ejemplo:

2 H2O(l) + 2 K(s) → H2(g) + 2 KOH(ac)

Es de carácter anfótero, es decir, se puede comportar como ácido o como base,porque se ioniza dando iones hidrógeno y oxidrilo:

H2O ⇐⇒ H+ + OH-

c. Poder disolvente de aguaEl agua disuelve a un gran número de sustancias iónicas y molecularesgracias a su naturaleza polar. Forma interacciones ión –dipolo, dipolo-dipolo

+ _

8.2. Definición de ácidos y basesEl carácter ácido o básico de las sustancias puede ser interpretado desde variospuntos de vista, así por ejemplo por la reacción con el tornasol, por el pH, etc.Las definiciones siguientes pueden aclarar la situación:

8.2.1. Definición de ArrheniusÁcido. Es toda sustancia que disuelta en agua se ioniza liberando ioneshidrógeno (H+). Ejemplo: el HCl, H2SO4.Base. Es toda sustancia que disuelta en agua se ioniza liberando iones oxidrilo(OH-). Ejemplo: el NaOH, Ca (OH)2

La reacción de neutralización es por lo tanto la reacción del ión hidrógeno con elión oxidrilo para formar agua neutralizándose ambos caracteres

OHH

- +O +Na

H

H

H HO

OH

HO

H HO

+

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

58

8.2.2. Definición de Bronsted y LowryÁcido. Es toda sustancia capaz de ceder un protón H+ a otro ión o molécula enfase acuosa o en otro medio. Ejemplo: el HCl, el H2O, NH4

+.Base. Es toda sustancia capaz de aceptar un protón, en medio acuoso o en otromedio, Ejemplo: OH–, NH3, CO3

2-.De acuerdo a esta definición, no puede existir un ácido sino hay una base,porque la existencia de uno implica la existencia del otro.Por lo tanto en toda reacción ácido base de izquierda a derecha y de derecha aizquierda hay transferencia de protones, manifestando la formación de los paresconjugados, Ejemplo:

HNO2(ac) + H2O NO + H3O+

Acido Base conjugada

Base Acido conjugado

(l) 2(ac)-

(ac)

El ácido nitroso cede un protón al agua y se convierte en una base conjugada, elagua se comporta como base, acepta un protón y se convierte en un ácido.

+ H2O +

Acido Base conjugada

Base Acido conjugado

NH3(ac) NH4(ac)+ OH -

(l) (ac)

Ahora el agua se comporta como un ácido y cede un protón al amoniacoconvirtiéndose en una base conjugada y el amoniaco que es la base se convierteen un ácido conjugado.8.3. Producto iónico del aguaLa definición más importante para establecer una escala de fuerza para elcarácter ácido o básico de una sustancia es la de Bronsted y Lowry, De acuerdoa la cual el agua es anfótera, es un ácido o una base según la sustancia con laque reacciona, si reacciona con si misma:

H2O (l) + H2O(l) H3O+(ac) + OH-

(ac)

El agua se comporta como ácido y como base, dando cada una su parconjugado, si consideramos que el ión H3O+ es el ión H+ hidratado, se puedeescribir la reacción de ionización del agua en equilibrio.

H2O H+(ac) + OH-

(ac)

Kw = [H+][OH-] = 1x10-14

La constante de equilibrio (Kw) de esta reacción de disociación a 25oC es de1x10-14 llamado constante del producto iónico del agua, por lo tanto laconcentración de Iones H+ y OH- en el agua es 1x10-7 M para cada uno, por loque el agua pura es de carácter neutro.

Esto demuestra que los caracteres ácido y básico son complementarios ycontrarios, si para una sustancia el carácter ácido aumenta, el carácter básicodisminuye y el producto de ambas concentraciones siempre será 1x10-14.

Ejemplo: El HCl en solución acuosa 0,1 M, le corresponde una concentración deH+ = 0,1 M y de OH- = (1x10-14) (0,1) = 1x10-13. O sea que como ácido es fuertey como base es muy débil.

8.4. Escala de pH y pOHEl pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de ioneshidrógeno:

pH = - log [H+]

El pOH se define como el logaritmo negativo de la concentración de ionesoxidrilo:

POH = - log [OH-]

Par establecer una escala de fuerza se ha creado la escala de pH que no esmás que la aplicación del logaritmo decimal negativo de la constante dedisociación del agua:

- log Kw = - log [H+] – log [OH-]

14 = pH + pOH

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

59

Ejemplo: Cuál es el pH del HCl 0,01 M.El pH = - log 0,01 = 2 yEl pOH = 14 – 2 = 12.

7 14

Caracter ácido crece

0Caracter básico crece

pH

8.5. Fuerza de los ácidos y bases.Se llama ácido fuerte a un ácido que al disolverse en agua se ioniza totalmente,Ejemplo: HCl, HNO3, HClO4.

HCl(ac)à H+(ac) + Cl-(ac)

No hay equilibrio, todo pasa a la derecha, hay disociación total.

Ejemplo: ¿Cuál es el pH de una solución de HNO3 0,01 M.? HNO3(ac)à H+

(ac) + NO3-(ac)

Al Inicio 0,01 M 0 0 Al final 0 0,01 M 0,01 M pH = -log (0,01) = 2

Un ácido débil es aquel que no se disocia totalmente sino que establece unequilibrio entre sus iones en solución y el ácido molecular en solución, ejemplo:H2CO3, CH3COOH, H3PO4.La concentración de ión H+ en el equilibrio es función de la constante deequilibrio Ka.Ejemplo. ¿Cuál es el pH de una solución de CH3COOH 0,01 M.?

CH3COOH (ac) H+(ac) + CH3COOH-

(ac) Ka = 1,8x10-5.Al inicio 0,01 M 0 0Al final 0,01 – x x x

[ ][ ][ ]COOHCH

COOK a3

3CHH −+

= xxxx−

=−

10,0108.1 5

x = [H+] = 4,24x10-4 M pH = - log (4,24x10-4) = 3,37

Como se puede notar para una misma concentración del HNO3 y CH3OOH, elpH del ácido acético es menos ácido 3,37 que el ácido nítrico que es 2, porquees un ácido fuerte.De igual manera una base fuerte es aquella que se ioniza totalmente como elNaOH, KOH, Ca(OH)2, y una base débil la que al disolverse en agua se ionizaparcialmente y por lo tanto establece un equilibrio entre sus iones y la base ensolución, regido por una constante de equilibrio Kb.Ejemplo: Calcular el pH de una solución de NaOH 0,1 M.Es una base monobásica fuerte, entonces [OH-]= 0,1 M

pOH = -log (0,1) = 1pH = 14 - 1 = 13

Esta cerca de 14, es una base fuerte.8.6. Indicadores ácidos y basesUn indicadores ácido base, por lo general, es un acido orgánico o baseorgánico débil que tiene colores claramente diferentes en sus formas no ionizadae ionizada. Estas dos formas están relacionadas con el pH de la solución, en elque el indicador se encuentra disuelto. No todos los indicadores cambian decolor a los mismos valores de pH.Considérese un ácido débil monoprótico (HIn), que actúa como indicador, ensolución:

)(ln)()ln( acacHacH −+ +⇔ Color 1 color 2

Si el indicador está en un medio suficientemente acido, el equilibrio anterior, deacuerdo con el principio de Le Chatelier, se desplaza hacia la izquierda y el colorpredominante del indicador es el de la forma no ionizada (HIn). Por otra parte, enun medio básico, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y predomina el colorde la base conjugada (In ).El tornasol azul es básico, cuando está frente a una ácido acepta un protón y seconvierte en un ácido conjugado dando el color rojo.

Tornasol (azul) + H+ Tornasol-H (rojo)

Tornasol-H (rojo) + OH- Tornasol (azul) + H2O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

60

8.7. SolucionesUna solución se define como una mezcla homogénea de dos o máscomponentes, al decir homogénea se refiere a que se presentan en una solafase, por ejemplo una solución de sal en agua, azúcar en agua etc.Las soluciones verdaderas constan de un disolvente y uno o más solutos, cuyasproporciones varían de una a otra solución. La sustancia que se disuelve y seencuentra en menor proporción recibe el nombre de soluto, mientras que elsolvente o disolvente es el medio en el cual los solutos se disuelven y seencuentra en mayor proporción.Los componentes de las soluciones reciben nombres especiales. A la sustanciaque se disuelve (o la sustancia que está en menor cantidad) se le llama soluto.El componente cuyo estado físico se conserva (o la sustancia presente enmayor cantidad) recibe el nombre de disolvente. El agua es sin lugar a dudas elsolvente más familiar. Su estado físico se conserva cuando disuelve sustanciascomunes como el azúcar de mesa (sacarosa), la sal de mesa (NaCl) y alcoholetílico.8.7.1. ClasificaciónPor el Estado Físico de la Solución:

• Soluciones Líquidas: Cuando el disolvente es un líquido y según sea eltipo de soluto pueden ser:Sólido en Líquido: Cuando el soluto es un sólido, por ejemplo: azúcar en

agua.Líquido en Líquido: Cuando el soluto es un líquido, por ejemplo: etanol en

agua.Gas en Líquido: Cuando el soluto es un gas, por ejemplo: cloro en agua.

• Soluciones Sólidas: Cuando el disolvente es un sólido y pueden ser:Sólido en Sólido: Cuando el soluto es un sólido, por ejemplo: el latón, el

cual contiene cobre y zinc (aleación).Líquido en Sólido: Cuando el soluto es un liquido, por ejemplo: empaste

dental.Gas en Sólido: Cuando el soluto es un gas, por ejemplo: H2 gaseoso en

paladio.

• Soluciones Gaseosas: Cuando el disolvente es un gas y pueden ser:

Sólido en Gas: Cuando el soluto es un sólido, por ejemplo: polvoatmosférico.

Líquido en Gas: Cuando el soluto es un líquido, por ejemplo: la niebla.Gas en Gas: Cuando el soluto es un gas, por ejemplo: el aire.

Por la Cantidad de Soluto en la Solución:

• Soluciones Diluidas: Son soluciones que contienen poca cantidad desoluto. Generalmente su concentración es menor que 5 Molar, porejemplo: NaOH 0.5M.

• Soluciones Concentradas: Son soluciones que contienen razonablecantidad de soluto. Su concentración es mayor que 5 Molar, porejemplo: NaOH 8M.

• Soluciones Saturadas: Son soluciones que contienen la máximacantidad de soluto que pueda disolverse, a una temperatura dada. Eneste tipo de soluciones existe un equilibrio entre el soluto disuelto y elsoluto sin disolverse.

• Soluciones Sobresaturadas: Son soluciones que contienen mascantidad de soluto disuelto del que normalmente pueda disolverse, auna temperatura dada. Este tipo de soluciones se preparan con ayudadel aumento de temperatura para favorecer la disolución.

Los disolventes y las soluciones que se forman no siempre son líquidos, el airees una solución gaseosa de oxígeno argón vapor de agua y otros gases ennitrógeno gaseoso. El acero es una solución de un sólido disuelto en otro sólido(carbono en hierro), en la siguiente tabla se puede resumir los diferentes tipos desoluciones de acuerdo al estado físico del soluto y solvente.

Soluto Solvente Ejemplo

Gas Gas Aire

Líquido Gas Niebla

Sólido Gas Humo

Gas Líquido Bebidas carbonatadas CO2 en H2O

Líquido Líquido Vino, etanol en agua, Vinagre

Sólido Líquido Soluciones de sales en agua

Gas Sólido Piedra pómez

Líquido Sólido Mantequilla

Sólido Sólido Aleaciones

Problema: En las siguientes soluciones ¿Qué sustancia es el disolvente?

a) 2 onzas de aceite y 2 galones de gasolina.

b) dióxido de carbono en agua ( en el agua carbonatada).

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

61

c) 70 mL de alcohol isopropílico y 30 mL de agua (en alcohol para frotar).

d) 25 g de Ni y 75 g de Cu ( en un aleación de acuñación).

8.7.2. ConcentraciónLa concentración de una solución es la cantidad de soluto presente en unacantidad dada de solución. La forma de expresar la concentración de unasolución, pueden ser en unidades físicas o unidades químicasExisten dos formas de expresión de las unidades de concentración: expresionesfísicas y expresiones químicas.Las expresiones físicas son las llamadas expresiones porcentuales: porcentajepeso (%p/p), porcentaje peso volumen (%p/v), porcentaje volumen volumen (%v/v). Este tipo de expresiones de concentración no son muy exactas.

a. Porcentaje peso - peso.- Expresa la masa de soluto en cien unidades demasa de solución:

Ejemplo 1: Se prepara una solución disolviendo 30 g de azúcar en 70 g deagua, ¿Cuál será la concentración en porcentaje peso-peso?

100 g de solución ----------100% 30 g de soluto ----------- x x = 30 %

Cantidad de soluto NaCl = 30 gCantidad de solvente (H2O) = 70 gCantidad de solución = 100 g

b. Porcentaje peso - volumen.- Expresa la masa de soluto en cien unidades devolumen de solución.Ejemplo 2: Se disuelven 10 g de NaCl hasta 50 mL de solución. ¿Cuál será laconcentración expresada en %p/v?

50 mL de solución --------------100 % 10 g de soluto -------------- x x = 20 %

Ejemplo 3: ¿Cuántos gramos de dextrosa tendrá un litro de solución al 10 %?1000 mL de solución ----------100% x g de soluto --------------- 10 % x = 100 g.

Las expresiones químicas son la molaridad (M) , la normalidad (N).

c. Molaridad.- La molaridad se define como el número de moles de solutocontenidos en un litro de solución.

)(LVnM =

Obsérvese que la cantidad de soluto no se expresa en gramos sino en moles yel volumen siempre será en litros, por lo que las unidades de la molaridadsiempre serán mol/L.La ecuación anterior se puede modificar de la siguiente manera:

sabiendo que :PMmn=

)(LVPMmM×

=

Esta última expresión permite el cálculo de la concentración molar cuando nosdan la masa de soluto en gramos pero es necesario conocer la masa molar(peso molecular) que se calcula sumando los pesos atómicos de la molécula.

Ejemplo 5 : ¿Cuál será la concentración de una solución que se preparódisolviendo 10,6 g de Na2CO3 en 500 mL de solución?

Solución:

m NaCl = 10,6 gV = 500 mL = 0,5 LNa = 23 , C = 12 y O=16PM = 106 g/mol

106 g 1000 mL 1 M

10,6 g 500 mL x x = 0,2 M

Ejemplo 6: ¿Qué cantidad de NaOH se necesita para preparar 250 mL de unasolución que tenga una concentración 2 M?Solución:

m NaOH = ?

V = 250mL = 0,25 L

Na =23 y OH = 17

40 g 1000 mL 1 M X g 250 mL 2 M

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

62

PM = 23 + 17 = 40 g/mol

M = 2 mol/L

x = 20 g.

d. Normalidad.- La normalidad se define como el número de equivalentes desoluto contenidos en un litro de solución.

)(LVgeqN −

= pero eq gm

PEq− =

entonces)(LVPeq

mN×

=

En el caso de la normalidad la cantidad de soluto ya no se expresa en molessino en equivalentes gramo por lo que es necesario conocer el peso equivalentedel soluto.

Elemento Ácido Base Sal

Pesoequivalente

Peso atomicovalencia

Masa molarN de Ho + −° HOdeN

molarMasa−+ótotalgaCar

molarMasa

Ejemplo 7: ¿Cuál será la normalidad de una solución que contiene 20 g deFe2(SO4)3 en 1500 mL de solución ?

N = ?m Fe2(SO4)3 = 20 gV = 1500 mL = 1,5 LPM = Fe2(SO4)3 = 400 g/mol,Peso equivalente :

gPeq 67,666

400==

6666,7 g 1000 mL 1 N20 g 1500 mL x

x = 0,2 N.

Ejemplo 8: ¿Qué cantidad de Na2CO3 se necesita para preparar 500 mL desolución 0,25 N?

m Na2CO3 = ?V = 500 mL = 0,5 LN = 0,25PM Na2CO3 = 106 g/mol

53 g 1000 mL 1 N X g 500 mL 0,25 N

Peso equivalente :

ggPeq 532

106==

x = 6,625 g.

e. Dilución de solucionesPara preparar soluciones diluidas a partir de una concentrada se emplea lasiguiente ecuación de dilución:

C1 V1 = C2 V2

En donde C1 V1 son la concentración y el volumen de la solución a utilizar(solución concentrada) y C2 V2 son la concentración y el volumen de la solucióna preparar (solución diluida).

Ejemplo: ¿Que volumen de ácido sulfúrico 2 M se requiere para preparar 500 mLde solución 0,5 M?

Solución a utilizar:C1 = 2 MV1 = XSolución a preparar:C2 = 0,5 MV2 = 500 mL

C1 V1 = C2 V2

(2 M ) V1 = (0,5 M) (500mL)V1 = 125 mL

8.8. Ejercicios1. Con respecto al agua, ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es

correcta:

I. Enlace covalente – ángulo de 109.5ºII. Enlace iónico – ángulo de 109.5ºIII. Enlace covalente polar – ángulo de 104.5ºIV. Enlace puente de hidrógeno – ángulo de 109.5ºV. Enlace covalente coordinado – ángulo de 104.5º

2. Se preparó una solución 0.001 N de KOH ¿Cuál será el pH de lasolución?a) 3 b) 6 c) 1 d) 5 e) 11

3. ¿Cuál es el pOH de una solución de Ca(OH)2 0.05 M. Marque laalternativa correcta:a) 1.0 b) 1.3 c) 4.0 d) 2.0 e) 2.5

N=20 g.

66,67 Eg.x 1.5= 0,2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

63

4. Se tiene una solución de H2S de concentración 0.001 M, según lareacción:

H2S ---------- HS-

Cuya constante de acidez es: Ka = 1 x10-7. ¿Cuál será el pH y pOH? Escoja laafirmación correcta:

a) 3 y 11b) 5 y 9c) 7 y 7d) 10 y 4e) 2 y 12

5. Se preparan una solución de almidón disolviendo 2.5 g del mismo en47.5 g de agua. ¿Cuál es el porcentaje de agua utilizado?

a) 47.5 %b) 95.0 %c) 5.0 %d) 10.0 %e) 90.0 %

6. Se preparó una solución disolviendo 15 g de NaOH en 250 ml de aguadestilada. ¿Cuál es el porcentaje de soluto disuelto?

a) 15 %b) 7.5 %c) 6.0 %d) 12.0 %e) 3.0 %

7. ¿Cuál es la concentración inicial del NaOH si se tomaron 100 ml de unasolución concentrada para preparar 250 ml de NaOH 4 N.

a) 8 Nb) 4 Nc) 16 Nd) 10 Ne) 15 N

8. ¿Cuántos mililitros de HNO3 de concentración 2 M debo tomar parapreparar una solución de 500 ml cuya concentración sea 0.02 M

a) 2.5 ml b) 5.0 ml c) 7.5 ml d) 10.0 ml e) N.A.

9. Se mezclan 100 ml de solución de KOH 0.2 M con 100 ml de HNO3 0.5M, según la reacción.

KOH + HNO3 ---------- KNO3 + H2OSi ambos electrolitos son fuertes:¿Cuántas moles de KNO3 se formarán?¿Cuántas moles de HNO3 reaccionan?¿Cuántas moles de KOH reaccionan?Responda según el orden anterior:

a) 0.4 – 0.2 – 0.2 molesb) 0.1 – 0.2 – 0.2 molesc) 0.2 – 0.2 – 0.2 molesd) 0.4 – 0.4 – 0.4 molese) 0.2 – 0.4 – 0.4 moles

10. Calcular la molaridad de 10 ml de una solución que tiene unaconcentración de 33 % v/v de ácido nítrico cuya densidad es 1.2 g/ml a20 ºC.¿Cuál es la alternativa correcta?a) 1.24 Mb) 3.24 Mc) 5.24 Md) 6.24 Me) 2.24 M

11. ¿Cuál es la masa de soluto que hay en 30 ml de una solución de HF 20% v/v de densidad 1.08 g/ml a 20ºC. Responda correctamente:

a) 3.24 gb) 9.72 gc) 6.48 gd) 1.12 ge) 2.24 g

12. Calcule la masa de soluto que hay en 200 ml de solución 1.5 N de HCl.

a) 4.50 gb) 6.50 gc) 10.95 gd) 12.75 ge) 2.95 g

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

64

TEMA 9

ELECTROQUÍMICA

9.1. Celdas electroquímicasLa disposición de un agente oxidante y un agente reductor de modo tal que sólopuedan reaccionar si los electrones fluyen por un conductor externo da lugar auna celda electroquímica también llamada celda voltaica o galvánica o entérminos comunes una batería.9.2. Celdas voltaicas o galvánicasLas celda galvánicas incluyen las cómodas fuentes portátiles de energía quellamamos baterías. Las baterías son celdas que sirven como fuentes portátilesde electricidad. Una batería se compone de una o más celdas galvánicas. Las delinternas comunes, consisten de una sola celda mientras que las de automóvilcontienen varias celdas.Clasificación:Batería primaria. Las reacciones electroquímicas no pueden revertirsefácilmente, así que cuando los reactivos se han consumido la batería estámuerta y debe desecharse. Ejemplo: pila seca, batería de litio, batería alcalina.Batería secundaria, Acumulador recargable. Utiliza una reacción electroquímicaque se puede revertir y la batería puede recargarse. Ejemplo: batería deautomóvil, batería Níquel-cadmio (Ni-Cd).En una celda galvánica la energía química de las reacciones de oxido-reducciónes convertida en energía eléctrica. Para que se genere corriente eléctrica, losagentes oxidantes y los reductores no deben estar en contacto. Por eso unacelda está dividida en dos compartimientos el contacto entre ambas semiceldases por un puente salino. En cada compartimiento se coloca una solución acuosadel agente oxidante o del reductor. En la solución se introducen los electrodosapropiados Zn y Cu metálico. Los electrodos se unen mediante un conductorexterno por el cual se efectúa la transferencia de electrones.Si se coloca una tira de Zn metálico en una solución de sulfato de cobre, el Znmetálico se recubre de Cu metálico. Se trata de una reacción redox espontánea,los iones Cu2+ provenientes del CuSO4, oxidan al Zn metálico a iones Zn2+.

Zn(s) + CuSO4(ac) → ZnSO4(ac) + Cu(s)

Aunque la reacción es espontánea, la simple colocación de una tira de Znmetálico en una solución de CuSO4 no produce corriente eléctrica útil. Sinembargo, si se lleva a cabo en una celda galvánica una corriente eléctrica fluyepor el alambre que conecta a los dos electrodos metálicos.Lo que se hace es separar las reacciones de oxidación y de reducción y obligara los electrones a que fluyan por el conductor y de paso que realicen un trabajo:

Zn → Zn2+ + 2e- oxidaciónCu2+ +2e- → Cu reducción-----------------------------------------------

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

En esta celda se coloca un electrodo de Zn sumergido en una solución deZnSO4 lo que constituye una media celda, en el otro lado se coloca un electrodode Cu sumergido en una solución de CuSO4, que la otra media celda; ambasmedias celdas forman la celda galvánica. Estas dos medias celdas están unidasmediante un puente salino.

9.3. Pila seca o pila de LeclanchéLa celda seca más común, es decir, una celda que no tiene un fluido en suscomponentes, es la celda de Leclanché que se utiliza en las lámparas portátilesy en los radios de transistores. El ánodo de la celda consta de una lata ocontenedor de zinc que está en contacto con dióxido de manganeso (MnO2) y un

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

65

electrolito. El electrolito consiste de cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua,al cual se le ha añadido almidón para que la disolución adquiera unaconsistencia pastosa espesa y no haya fugas. Como cátodo se utiliza una barrade carbón que está inmersa en el electrolito en el centro de la celda.Las reacciones de la celda son:

Ánodo: Zn(s) à Zn2+(ac) + 2e-

Cátodo: 2NH4+

(ac) + 2e-à 2NH3(g) + H2(g)

El amoníaco que se forma reacciona con iones cinc para formar un ion complejocinc – amoniaco.

Zn2+(ac) + 2NH3 (g) → [Zn(NH3)2]2+

(ac)

El hidrógeno que se produce es oxidado por el MnO2 de la pila, así el hidrógenogaseoso no se acumula.

H2(g) + 2MnO2(g) → Mn2O3(s) + H2O (l)

Todas estas reacciones originan el siguiente proceso neto que produceaproximadamente 1,5 V.

Zn(s) + 2NH4+(ac) + 2MnO2(s)à [Zn(NH3)2]2+

(ac) + H2O(l) + Mn2O3(s)

9.4. Batería acumulador de plomoEste tipo de batería también es conocida como pila húmeda, y se utilizaprincipalmente en automóviles y en otros vehículos de motor. La mayoríacontienen ácido sulfúrico y plomo. Las baterías ácidas de plomo más pequeñasse utilizan en artículos como cámaras de vídeo y herramientas a motor.La batería o acumulador de plomo que se usa comúnmente en los automóvilesconsta de seis celdas idénticas unidas en serie. Cada celda tiene un ánodo deplomo y un cátodo hecho de dióxido de plomo (PbO2) empacado en una placametálica. Tanto el cátodo como el ánodo están sumergidos en una disoluciónacuosa de ácido sulfúrico, que actúa como electrolito.Las reacciones de la celda son:

Ánodo: Pb (s) + SO42-

(ac) à PbSO4 (s) + 2e-

Cátodo: PbO2(s) + 4H+(ac) + SO4

2-(ac) + 2e- à PbSO4(s) + 2H2O (l)

----------------------------------------------------------------------------------------- Global Pb (s) + PbO2(s) + 4H+

(ac) + 2 SO42-

(ac)à 2PbSO4(s)+ 2H2O (l)

En condiciones normales de operación, cada celda produce 2 V; un total de 12 Vde las seis celdas se utiliza para suministrar energía al circuito de encendido delautomóvil y sus demás sistemas eléctricos. El acumulador de plomo puede

liberar gran cantidad de corriente por un corto tiempo, como el que tomaencender el motor.A diferencia de la celda de Leclanché y la batería de mercurio, el acumulador deplomo es recargable, lo cual significa que se invierte la reacción electroquímicanormal al aplicar un voltaje externo en el cátodo y en el ánodo (Este proceso seconoce como electrólisis).Las reacciones que restituyen los materiales originales son:

Ánodo: PbSO4 (s) + 2e-à Pb (s) + SO42-

(ac)

Cátodo: PbSO4(s) + 2H2O(l)à PbO2(s) + 4H+(ac) + SO4

2-(ac) + 2e-

__________________________________________________________________________

Global: 2PbSO4(s) + 2H2O(l)à Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(ac) + 2SO4

2-(ac)

La reacción global es exactamente contraria a la reacción normal de la celda.Cabe hacer notar dos aspectos de la operación del acumulador de plomo. Enprimer lugar, como la reacción electroquímica consume ácido sulfúrico, se puedesaber qué tanto se ha descargado la batería midiendo la densidad del electrolitocon un densímetro, como normalmente se hace en las gasolineras. La densidaddel fluido en una batería “sana”, completamente cargada, debería ser mayor oigual a 1,2 g/mL. En segundo lugar, las personas que viven en climas fríos aveces tienen problemas con sus vehículos debido a que la batería “no pasacorriente”. Los cálculos termodinámicos muestran que la fem de muchas celdaselectroquímicas disminuye cuando baja la temperatura. Sin embargo, elcoeficiente de temperatura para una batería de plomo es de aproximadamente1,5 x 10-4 V/ºC; es decir, hay una disminución en el voltaje de 1,5 x 10 –4V porcada grado que baja la temperatura. De manera que, aun cuando hubiera uncambio de temperatura de unos 40ºC, la disminución en el voltaje sería de tansólo 6 x 10 –3V, que es aproximadamente: (6 x 10-3 V) / 12V x 100 % = 0,05%del voltaje de operación, un cambio insignificante. Lo que realmente ocasionaque la batería falle es que aumenta la viscosidad del electrolito cuando baja latemperatura. Para que la batería funcione de manera adecuada, el electrolitodebe ser totalmente conductor. Sin embargo, como los iones se mueven máslento en un medio viscoso, la resistencia del fluido aumenta y provoca que laenergía que suministra la batería sea menor. Si una batería que aparenta estar“muerta” se caliente a la temperatura ambiente en un día frío, recupera supotencia normal.El acumulador de plomo es relativamente económico, confiable, sencillo y duraun tiempo aceptable.Su defecto es que es muy pesado (15 a 20 kg de Pb). Este metal puedecontaminar el aire y las aguas freáticas y posiblemente causar envenenamiento.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

66

Las baterías de automóviles deben ser recicladas para proteger el medioambiente.9.5. Celdas electrolíticasLa electrólisis permite llevar a cabo reacciones que favorecen a los reactivos yque por sí solos no ocurrirían. Los procesos electrolíticos son más importantesen nuestra economía que las reacciones redox de las baterías pues se usan enla producción y purificación de muchos metales, incluidos cobre y aluminio y enproceso de electrochapeado que producen un delgado recubrimiento de metalen muchos objetos.Las celdas electrolíticas tienen electrodos en contacto con un medio conductor yun circuito externo.El electrodo en el que ocurre la reducción se llama cátodo y aquel en el queocurre la oxidación se llama ánodo. El circuito externo conectado a una celdaelectrolítica debe contener una fuente de electrones. No hay puente salino. Elmedio conductor en contacto con los electrodos a menudo es el mismo paraambos electrodos, y puede ser una sal fundida o una solución acuosa. Loselectrodos de las celdas electrolíticas suelen ser inertes y solo proporcionan uncamino para que los electrones entren en la celda y salgan de ella.

Por ejemplo si se electroliza una disolución de AuCl3 con electrodos inertes, seefectúan las siguientes reacciones.

Electrolito 2AuCl3 → 2Au3+ + 6 Cl-

En el cátodo 2Au3+ + 6e- → 2Au° (reducción)El ion Au3+ gana electrones (se reduce) y se convierteen oro metálico es decir se deposita en el electrodo.

En el ánodo 6 Cl- → 3Cl2 + 6 e- (oxidación)El ion Cl- pierde electrones (se oxida) y se convierteen cloro gaseoso, es decir, se libera del electrodo.

El número de electrones recibidos por un electrodo es igual al número deelectrones cedidos por el otro electrodo.

9.6. Electrólisis del cloruro de sodio fundidoEn este proceso los iones Na+ recogen electrones en el electrodo negativo y sereducen. A medida que los iones Na+ cercano a este electrodo se agotan, hayuna migración de iones Na+ adicionales a el. De manera similar hay unmovimiento neto de iones Cl- hacia el electrodo positivo, en el cual se oxidan. El

electrodo en el que se producen las reducciones llama cátodo y el electrododonde ocurre la reducción en el ánodo.

Cátodo: 2Na+(l) + 2e- → 2Na(l)

Ánodo: 2Cl-(l) →Cl2 (g) + 2e-

----------------------------------------2Na+

(l) + 2Cl-(l) → 2Na(l) + Cl2(g)

La convención de signos para los electrodos de una celda electrolítica esopuesta a la correspondiente a celdas voltaicas. El cátodo de la celdaelectrolítica es negativo porque los electrones están siendo forzados hacia el porla fuente externa de voltaje. El ánodo es positivo porque la fuente externa le estáquitando electrones.La electrólisis de las sales fundidas y soluciones de sales fundidas para laproducción de metales activos como el sodio y aluminio son procesosindustriales importantes.

9.7. Refinación electrolítica del cobreEl cobre se usa ampliamente para fabricar conductores eléctricos y en otrasaplicaciones que aprovechan su alta conductividad eléctrica. El cobre crudo quese obtiene por métodos pirometalúrgicos no es adecuado para emplearse enaplicaciones eléctricas porque las impurezas reducen considerablemente laconductividad del metal.El cobre se purifica por electrólisis. Grandes placas de cobre crudo sirven comoánodos de la celda, en tanto que los cátodos son láminas delgadas de cobrepuro. El electrolito es una solución ácida de sulfato de cobre (II). La aplicaciónde un voltaje adecuado a los electrodos causa la oxidación del cobre metálico enel ánodo y la reducción del cobre (II) para formar cobre metálico en el cátodo.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

67

Esta estrategia se puede emplear porque el cobre se oxida y se reduce con másfacilidad que el agua. Las impurezas presentes en el ánodo de cobrecomprenden plomo, cinc, níquel, arsénico, selenio, teluro y varios metalespreciosos que incluyen oro y plata. Las impurezas metálicas que son másactivas que el cobre se oxidan fácilmente en el ánodo pero no se depositan en elcátodo porque sus potenciales de reducción respectivos son más negativos queel del Cu2+. En cambio los metales menos activos no se oxidan en el ánodo; envez de ello se acumulan bajo el ánodo en forma de lodos que se recogen y seprocesan para recuperar los metales valiosos. Los lodos anódicos de las celdasde refinación de cobre suministran una cuarta parte de la producción de plata yalrededor de una octava parte de oro en Estados Unidos.

9.8. Leyes de FaradaySe trata de leyes que relacionan la corriente eléctrica con la masa que sedeposita (ejemplo Au) o libera (ejemplo: Cl2) en cada electrodo como productode la electrólisis.Con el paso de 96 493 coulombios, (C) o un Faraday, (F) de electricidad a travésde la disolución de un electrolito se deposita o se libera un peso equivalente -gramo de un elemento. Esta ley también se ha expresado en forma de dos leyes:

a) La cantidad de cambio electroquímico en un electrodo es directamenteproporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la disolución.

b) El número de gramos de un elemento liberado por un coulombio es elequivalente electroquímico del elemento; el número de gramos de unelemento liberado por un Faraday es su peso equivalente - gramo.

Ejemplo 1: En la electrólisis del ZnCl2 fundido se pasó una corriente de 0,01amperios durante una hora. Calcule cuántos gramos de zinc se depositaron en elcátodo.Solución: q = I x t = (0,01A ) ( 3600 s) Zn+2 +2e- → Zn

q = 36 A x s = 36 C Peq =237,65

= 32,68 g

96 493 C --------- 32,68 g 36 C --------------- x x = 0,012 g de Zn

Ejemplo 2: Se pasaron 1 500 coulombios por una disolución de nitrato dealuminio (Al(NO3)3). Calcule la cantidad de aluminio depositado en el cátodo.¿Cuántos faradays pasaron?

Solución:

Al+3 + 3e- → Al° 96 493 C ---------- 8,99 g AlPeq = 26,98/3 = 8,99 1500 C ----------- x x = 0,139 g de Al.Y los Faradays serán 1 500/96 493 = 0,0155 F

Ejemplo 3: En la electrólisis de una disolución de nitrato de plomo Pb(NO3)2 sedepositaron 1,526 g de plomo. Calcule la cantidad de corriente que pasó.Solución:

Pb+2+ +2e- → Pb° 96 493 C ------------103,6 g de Pb Peq = 207,2/2 = 103,6 x ------------- 1,526 g de Pb

x = 1421 C

Ejemplo 4: Calcule el número de horas que se necesita para depositar 356 g decobre en una solución de CuCl2 por la que pasa una corriente de 150 amperios.Solución:

Cu 2+ + 2e - → Cu° 96 493 C -------31,77 g de CuPeq = 63,54/2 = 31,77 x -------- 356 g de Cu x = 1,081 × 106 Cq = I × t t=q/I=1,081 × 106 C / 150 A = 7208,52 s = 2 horas.

9.9. Protección contra la corrosiónLas estrategias generales son:

d) inhibir el proceso anódico.e) inhibir el proceso catódico.f) hacer ambas cosas.

El método más común es la inhibición anódica, esto es impedirdirectamente la media reacción de oxidación pintando la superficiemetálica recubierta con grasa o aceite o permitiendo la formación deuna película de óxido del metal. Recientemente también se usa unasolución de cromato de sodio.

Disposición de los CFC empleando reacciones redoxLos clorofluorocarbonatos (CFC) son compuestos moleculares de carbono, cloroy flúor que se usan como fluidos de enfriamiento en los acondicionadores de aire

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

68

y los refrigeradores. Se ha visto que los CFC reducen la capa protectora deozono de la estratosfera. Al escapar de acondicionadores de aire yrefrigeradores con fugas, los CFC suben a través de la atmósfera baja hastallegar a la estratosfera prácticamente sin sufrir alteración gracias a su actividadquímica. En 1 996 se prohibió la producción de CFC en Estados Unidos. Enfechas recientes se desarrolló un proceso que utiliza oxalato de sodio (reductor)para deshacerse de los CFC almacenados. Los CFC se vaporizan y pasan através de una capa de oxalato de sodio pulverizado a 270ºC. Cuando se usaCF2Cl2 conocido como CFC-12 (agente oxidante) la reacción que ocurre es:

CF2Cl2(g) + 2Na2C2O4(s) → 2NaF(s) + 2NaCl(s) + C(s) + 4CO2(g)

9.10. Ejercicios1. En una batería Nicad (níquel-cadmio), el cadmio forma Cd(OH)2 y el

Ni2O3 forma Ni(OH)2 en una solución alcalina. Escriba la ecuaciónbalanceada para esta reacción.

2. En solución básica, el aluminio forma el ion Al(OH)4- al reducir el ion

NO3- a NH3 . Escriba la ecuación balanceada de esta reacción.

3. Se construye una celda voltaica de níquel y nitrato de níquel en uncompartimiento y nitrato de cadmio en el otro. Un alambre externoconecta los dos electrodos y un puente salino con nitrato de sodioconecta las dos soluciones. La reacción neta es:Ni2+

(ac) + Cd(s) → Ni(s) + Cd2+(ac)

a) ¿Qué reacción ocurre en el ánodo?b) ¿Qué reacción ocurre en el cátodo?c) ¿En qué direcciones fluyen los electrones por el alambre externo y los

iones por el puente salino?d) Haga el diagrama de la celda indicando las direcciones de flujo de los

electrones y de los iones.4. Complete y balancee la ecuación siguiente por el método de medias

reacciones.Cr2O7

2-(ac) + Cl-(ac) → Cr3+

(ac) + Cl2(g) (solución ácida)

5. Calcular la cantidad de sustancia que se deposita en un electrodo, si elequivalente electroquímico de dicha sustancia es de 0,000200 g/C y lacantidad de carga eléctrica que se hizo pasar por el electrodo es de2x103 coulomb.a) 0,4 g b) 4,0 g c) 4,4 g d) 0,44 g e) 44,4 g

6. Para realizar un recubrimiento electrolítico sobre una barra metálica seutilizó una solución de un electrólito. Si el cátodo que se empleó,inicialmente pesó 20 g y después de realizado el reubrimiento arrojó unpeso de 39,2 g. Calacular la carga elétrica que se aplicó, sabiendo queel equivalente electroquímico del elemento es de 0,001200g/Ca) 1200 C b) 1350 C c) 1480 d) 1550 C e) 1600 C

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

8. Dada la siguiente tabla

ELEMENTO Est. Oxid. Equivalente electroquímico (mg/C)

Aluminio +3 0,0936

Cobre +1 0,6588

Cobre +2 0,3294

Hierro +2 0,2894

Hierro +1 0,1929

Averiguar que elemento deposita en uno de los electrodos y cuál es suestado de oxidación del electrólito, al hacer pasar una carga electrica de3,500 C. Si el electrodo antes del proceso pesó 20,1850 g después delproceso de electrolisis arrojó un peso de 21,3379 g.a)AI; +3 b) Cu; +1 c) Cu; +2 d) Fe; +2 e) Fe: +3

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

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

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

69

11. En la electrólisis de una disolución de nitrato de plomo se depositaron0,70 g de plomo. Calcule la cantidad de corriente que pasó.

12. Calcule el número de horas que necesita para depositar 178 g de cobreen una solución de cloruro de cobre por la que pasa una corriente de75 A.

13. En la electrólisis del cloruro de cinc fundido se pasó una corriente de0,02 A durante una hora. Calcule cuántos gramos de cinc sedepositaron en el cátodo.

14. Se pasaron 750 coulombios por una disolución de nitrato de aluminio. Calculela cantidad de aluminio depositado. ¿Cuántos faradays pasaron?

15. Explique los métodos más comunes para proteger contra la corrosión.

TEMA 10

EQUILIBRIO QUÍMICO Y VELOCIDAD DE REACCIÓN

10.1. Concepto de equilibrioToda reacción se inicia con una velocidad inicial que luego va decreciendo y amedida que se van formando los productos, estos reaccionan para darnuevamente reaccionantes, así por ejemplo para la reacción:

aA + bBà cC + dD

A con B reaccionan para dar C y D con una velocidad v1, cuando aparecen C yD reaccionan entre si para dar A y B.

cC + dD à aA + bB

Esta segunda reacción se inicia con una velocidad v 2 pequeña y vaaumentando hasta que en un momento se iguala a v1, en ese momento lareacción pareciera que ya no continúa, porque las concentraciones ya no varían,se ha establecido un equilibrio químico.

aA + bB cC + dD

En este punto se dice que la reacción ha terminado, pero realmente esteequilibrio es dinámico, porque la actividad continua, ambas reacciones se dan,pero con la misma velocidad

10.2 Constante de equilibrio, KeqTodo equilibrio puede ser expresado por su ley de acción de masa, que es elproducto de las concentraciones de los productos dividido por el producto de lasconcentraciones de los reaccionantes, elevados cada uno a su respectivocoeficiente estequiométrico, dando esto una constante llamada constante deequilibrio.

aA + bB cC + dDA y B son reaccionantesC y D son productosa, b, c y d son los coeficientes del balanceo

[ ] [ ][ ] [ ]

iónconcentraclaarefieresesubíndiceelc

ba

dc

c

KKBADCK

=

=

Ejemplo:

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

[ ][ ] [ ]2

2

22

ONONOKc =

Para establecer la ley de acción de masa y calcular la constante de equilibrio hayque tener en cuenta reglas sencillas como:1.- El agua nunca participa en la ley de acción de masa porque su concentraciónes constante.2.- Cuando las sustancias participantes se encuentran en diferentes estadosfísicos, sólo participan las sustancias que se encuentran en el estado másdisperso, y es mas disperso el estado gas que el acuoso, que el líquido, que elsólido.Ejemplo:

a) 2NH3(g) + CO2(g) (NH2)2CO(s) + H2O(l)

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

70

[ ] [ ]22

3

1CONH

K c =

b) Ba(OH)2(ac) + H2SO4(ac) BaSO4(s) + 2H2O(l)

Escriba la respectiva constante.

Información que proporciona la constante de equilibrio.La constante de equilibrio, es un número, sin unidades aparentes, que deacuerdo a la ley de acción de masa puede tener valores entre 0 y el infinito.Si el valor fuera 0, significaría que en el equilibrio todo esta como reactivos, porlo tanto no hay reacción alguna.Si el valor fuera infinito, significaría que todo esta en forma de productos, o seaha habido reacción total.

Para una reacción equimolecular, un valor de uno ( 1 ) indicaría que la reacciónha entrado en equilibrio cuando la mitad de los reaccionantes se han convertidoen productos.En conclusión, la constante de equilibrio nos indica en que momento seestablece el equilibrio, cuanto producto puede rendir una reacciónverdaderamente, ya que la estequiometría no es mas que un frió cálculo teóricosuponiendo que todo reaccionaría y la experiencia nos dice que no es así.De igual manera la constante de equilibrio nos indica el sentido principal quetiene una reacción, aunque la propiedad que va ha determinar con exactitud elsentido natural de una reacción es la entropía.(medida directa de la aleatoriedado el desorden de un sistema)

10.3. Factores que afectan el equilibrio químicoUn equilibrio puede ser alterado momentáneamente por un factor externo, peroinmediatamente contrarresta el efecto para restablecer el equilibrio, sin alterar laconstante de equilibrio.Esta propiedad de una reacción en equilibrio se expresa mediante el Principio deLe Chatelier que dice “cuando un factor externo como aumento de concen-tración, presión, volumen o calor alteran un equilibrio, la reacción se desplaza enel sentido de contrarrestar el efecto”. Los cambios que pueden tomarse encuenta son; la concentración, presión volumen, temperatura. Por ejemplo:

a) 2KClO3 (s)+ calor 2KCl(s) + 3O2(g)

Si se aumentara KCl, la reacción se desplaza a la izquierda. Si se aumentara KClO3, la reacción se desplaza a la derecha.

Si se pone calor a la reacción, el equilibrio se desplaza a la derechaSi se aumenta presión, la presión sólo afecta a los gases, por lo tanto sedesplaza a la izquierda.La constante de equilibrio mientras tanto permanece inalterable, la únicapropiedad que puede cambiar una constante de equilibrio es la temperaturaambiental.

b) 2CO2(g) + calor 2CO(g) + O2(g)

Si se aumenta CO2 a la reacción, el equilibrio se desplaza a la derecha.Si se aumenta CO, el equilibrio se desplaza a la izquierda.

Si se aumenta O2, el equilibrio se desplaza a la izquierda. Si se aumenta presión, el equilibrio se desplaza a la izquierda. Si se aumenta volumen, el equilibrio se desplaza a la derecha.

10.4. Equilibrios homogéneo y heterogéneoEquilibrios homogéneos.Un equilibrio se llama homogéneo cuando todas las sustancias que participan enla reacción se encuentran en el mismo estado físico, hay dos casos deimportancia:a.- Equilibrio gaseoso.- Cuando todos los participantes son gases, por lo tanto,todos entran en la constante de equilibrio y de preferencia se expresan enPresiones parciales. Ejemplo:

2CO2(g) + calor 2CO(g) + O2(g)

2

2

2

2

CO

OCO

P

PPKp =

La constante Kp se relaciona con la constante K (denominada también Kc) conla siguiente ecuación:

Kp = Kc (RT) n

Donde n es la diferencia de número de moles gaseosos entre productos yreaccionantes.

b.- Equilibrio en fase acuosa.- Cuando todos los reaccionantes y productos seencuentran disueltos en agua, el caso más importante es la disociación deácidos y bases débiles para establecer el pH.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

71

Equilibrios heterogéneosSe denominan así cuando las sustancias participantes en la reacción seencuentran en diferentes fases o estados físicos. Y por lo tanto en la constantede equilibrio sólo participan las sustancias más dispersas.El caso más importante es la disolución de sales poco solubles o producto desolubilidad Kps, donde se da un equilibrio entre la sal sólida y sus iones disueltosen agua:

BaSO4(s) Ba+2(ac) + SO4

-2(ac)

Kps = [Ba+2][SO4-2]

10.5. Producto de solubilidadEl producto de solubilidad de un compuesto es el producto de lasconcentraciones molares de los iones constituyentes, cada uno elevado a lapotencia de su coeficiente estequiométrico en la ecuación de equilibrio. El valordel Kps indica la solubilidad de un compuesto mientras más pequeño sea el Kpsmenos soluble será el compuesto.

Ca3(PO4)2(s) ↔3Ca2+(ac) + 2PO −3

4 (ac) Kps = [Ca2+]3[PO43-]2

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

Ejemplo. Calcúlese la solubilidad molar, en g/L del cloruro de plata Kps=1,6x10-10 a 25ºC.

AgCl(s) ↔ Ag+(ac) + Cl-(ac)

Inicial: 0,0M 0,0MEquilibrio: s M s MKps = [Ag+][Cl-] = [s][s]

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

Sabiendo que la masa molar del AgCl es 143,3 g/mol entonces:S = 1,26x10-5 mol/L (143,3g/mol) = 1,81x10-3g/L

10.6. Velocidad De ReacciónEs la variación de la concentración de los reactivos o productos por unidad detiempo.Para que una reacción ocurra, los reaccionantes primero deben hacer contacto,debe haber colisión, segundo deben acercarse con la orientación apropiada ytercero la colisión debe suministrar un mínimo de energía llamada Energía de

activación, capaz de romper los enlaces de los reaccionantes para iniciar laformación de los enlaces de los productos.Toda reacción química se inicia con una velocidad definida que luego vadisminuyendo hasta alcanzar su punto de equilibrio. Esta velocidad se puededeterminar si se mide la variación de los reaccionantes o de los productos con eltranscurso del tiempo.Para una reacción:

Reaccionantes → Productos

En un periodo de tiempo comprendido entre t1 y t2; la concentración delreactante disminuirá desde R1 hasta R2 y la concentración de productoaumentará desde P1 hasta P2; por lo tanto el cambio de concentración porunidad de tiempo será:

Con respecto al reactante:tR

ttRR

velocidad ][][][

12

12

∆∆

−=−−

−=

Con respecto al producto:tP

ttPP

velocidad ][][][

12

12

∆∆

=−−

=

Así por ejemplo:

t en segundos 0 10 20 30 40

[R] en mol/litro 80 40 20 10 5

velocidad en mol/s 4 2 1 0,5 0,25

10.7. La ley de la velocidadLa ley de velocidad es una expresión que relaciona la velocidad de una reaccióncon la constante de velocidad (k) y las concentraciones de los reactivos elevadasa las potencias apropiadas. K para una reacción dada cambia sólo con latemperatura.Como se puede notar en el cuadro anterior la velocidad no es constante, vadisminuyendo con el tiempo conforme disminuye la concentración de reactivos,como si fuera un movimiento uniformemente frenado por una aceleraciónnegativa, que depende de la concentración de los reactivos.Esto se puede expresar en una Ley que dice que la velocidad de una reacciónes proporcional a la concentración de los reactivos elevada a una potenciapropia de cada reactivo en una reacción. Para la reacción:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

72

aA + bB → cC + dDyx ]B[]A[velocidad α

yx BAkvelocidad ][][=

Donde:

k es una constante de proporcionalidad denominada constante de velocidad(factor de aceleración), que sólo puede ser afectada por la temperaturaambiental y es independiente de cualquier otro factor como concentración,presión, calor, catalizador, etc.

x es el exponente de dependencia de A denominado orden de reacción conrespecto al reactivo A, y es diferente al coeficiente estequiométrico a.

y es el exponente de dependencia de B denominado orden de reacción conrespecto al reactivo B, y es diferente al coeficiente estequiométrico b.

x+y se denomina el orden global de la reacción.Los ordenes de reacción teóricamente pueden ser 0, 1, 2, 3, etc, en laexperiencia se ha encontrado que puede ser cualquier número real positivo,como 0,5, 8, etc.Para cada orden de reacción se establece una ecuación cinética diferente, asípor ejemplo para una reacción de primer orden con respecto a A:A → ProductosLey de velocidad Velocidad = k[A]Ecuación cinética ln [A] = ln [A]o – k tDonde [A] es la concentración de A remanente después de un tiempo t [A]o es la concentración inicial de A k es la constante de velocidad t es el tiempo trascurrido.Todas las reacciones nucleares son de primer orden.

10.8. Factores que afectan la velocidad de reacciónEfecto de la temperaturaA medida que aumenta la temperatura, la velocidad de una reacción aumenta,entonces la constante de velocidad también es mayor. Las moléculas se muevencon mayor rapidez ganando energía cinética y muchas moléculas alcanzan laenergía de activación necesaria.Efecto de la concentraciónEl aumento en la concentración de los reaccionantes, involucra un mayornúmero de choques entre las moléculas y por lo tanto la velocidad aumentará.

Efectos de los catalizadoresUn catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción pero noparticipa en la reacción. El catalizador se escribe sobre la flecha de reacción(puede omitirse en la escritura de la ecuación química).

2KClO3(s) → 2MnO 2KCl(s) + 3O2(g)

Efecto del área superficialMientras mayor sea el área superficial mayor será el número de colisiones y porlo tanto mayor será la velocidad de la reacción, cuando los reactivos seencuentran en diferentes estados o pulverizados en polvo fino, mayor será elárea superficial.

10.9. Vida media de una reaccion (t1/2)Es el tiempo necesario para que la concentración inicial de un reactivo sereduzca a la mitad.Las reacciones de primer orden tienen la particularidad de que la vida media nodepende de la concentración inicial y por lo tanto es un valor constante y porcada vida media trascurrida la concentración de reactivo se reduce a la mitad delo inicial.

k2lnt 2/1 =

Por ejemplo:

t en segundos 0 10 20 30 40[R] en mol/litro 80 40 20 10 5velocidad en mol/s 4 2 1 0,5 0,25

El cuadro anterior corresponde a una reacción de primer orden su vida media es10 segundos, porque por cada 10 segundos la concentración de R se reduce ala mitad de la mitad, sucesivamente.Su constante de velocidad es:

ln 2 / 10 s = 0,069 s-1

10.10. La vida en las grandes altitudes y la producción de hemoglobinaLa fisiología esta influida por las condiciones ambientales, como escalarelevadas altitudes causa dolores de cabeza, nauseas, cansancio extremo; estossíntomas son conocidos como mal de las alturas o soroche. Esto es por ladeficiencia de la cantidad de oxígeno que llega a los tejidos del organismo. Estefenómeno se puede explicar mediante la siguiente ecuación simplificada.

Hb (ac) + O2 (g) ↔ HbO2(ac)

En donde; Hb es la hemoglobina, HbO2 es la oxihemoglobina.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

73

La constante de equilibrio es:Kc = [HbO2]

[Hb][O2]

A una altura de 3km, la presión parcial del oxígeno es de 0,14 atm, encomparación con 0,2atm a nivel del mar. Según el principio de Le Chatelier, unadisminución en la concentración de oxígeno desplazará el equilibrio a laizquierda, este cambio disminuye la concentración de oxihemoglobina. Si se leda el tiempo suficiente el organismo compensa esta adversidad produciendomás moléculas de hemoglobina. Se ha demostrado que los residentes de laszonas de gran altitud, tienen altos niveles de hemoglobina en la sangre; a veces50% ¡más que las personas que viven al nivel del mar!

10.11. Ejercicios1) Señale la serie de proposiciones verdaderas (V) y falsas (F).

• La adición de un catalizador apresura el momento en el que se llega alequilibrio pero no afecta las concentraciones en equilibrio de losreactivos y de los productos.

• Sólo el cambio de la temperatura modifica el valor de la constante deequilibrio de una reacción en particular.

• El principio de Le Chatelier establece que si se aplica una tensiónexterna a un sistema en equilibrio, el sistema se ajustará paracontrarrestar parcialmente dicha tensión.

• La constante de equilibrio para los gases, Kp, expresa la relación de laspresiones parciales de equilibrio ( en atm).

El orden correcto es:A. VVVV B. VFVF C. VVFF D. FVFV E. FFFF

2) Escriba las expresiones de las constatnes Kc y Kp de equilibrio, para cadauna de las reacciones siguientes:

a) H2O(g) + CO(g) ↔ H2(g) + CO2(g)

b) 2Mg(s) + O2(g) ↔2MgO(s)

c) 2NaHCO3(s) ↔Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

d) H2S(ac)↔H+(ac) + SH-

(ac)

e) CH3COOH (ac) ↔H+(ac) CH3COO-

(ac)

f) NH3(ac) + H2O(l) ↔NH4+

(ac) + OH-(ac)

g) Ag2SO4(s) ↔ 2Ag+(ac) + SO4

2-(ac)

3) El sulfato de calcio se descompone térmicamente según la ecuación2CaSO4(s)↔2CaO(s) + 2SO2(g) + O2(g)

Prediga cómo cambiaría la posición del equilibrio si:a) Se agrega el óxido de calcio al sistema.b) Se disminuye el sulfato de calcio al sistema.c) Se aumenta la temperatura del sistema.d) Se aumenta la presión del sistema.e) Se aumenta el volumen del sistema.f) Se aumenta oxígeno al sistema.

4) Se tiene la siguiente reacción en equilibrio:A(g) ↔ 2B(g)

A partir de los siguientes datos, calcule las constantes de equilibrio Kc y Kppara cada una de las temperaturas.

T(ºC) [A] [B]

100 0,01 0,80

200 0,21 0,70

5) Se tiene la siguiente reacción en equilibrio:A↔BSi la concentración inicial de A es 0,85M y Kc=2x10-5. Calcule lasconcentraciones finales de A y B.

6) Para la siguiente reacción química:2A + 3B → C + 2DSi la ley de la velocidad esta dada por: V = k[A]2[B]Diga el orden de reacción con respecto a :

a) Reactivo Ab) Reactivo Bc) Orden global

7) Señale la serie de proposiciones verdaderas (V) y falsas (F)• Las variaciones de la concentración de los reactivos o productos por

unidad de tiempo definen la velocidad de reacción.• Catalizador es la sustancia que altera (incrementa o disminuye) la

velocidad de reacción.• Orden de reacción es la potencia a la que se eleva la concentración de

dicho reactivo en la expresión de la velocidad de reacción.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

74

• El orden de una reacción es la suma de las potencias a las que estánelevadas todas las concentraciones en la expresión de la velocidad.

El orden correcto es:A) VFVF B) VVVV C) FVFV D) FFVV E) VVFF

8. Si al triplicar la concentración inicial de un reactivo se triplica la velocidadinicial de la reacción, ¿Cuál es el orden de dicha reacción con respecto adicho reactivo?. Si la velocidad aumentara nueve veces, ¿Cuál sería elorden? ¿ Variara la velocidad o no variara?

9. La descomposición del disulfuro de carbono CS2 a monosulfuro de carbonoy azufre es de primer orden con una constante K= 2,8x10-7 a 1000ºC

CS2→ CS + SA) ¿Cuál es la vida media de la reacción a 1000 ºC?B) ¿Cuántos días deben transcurrir para que una muestra de 1,0 gramos de

CS2 se descomponga de modo que queden sólo 0,6 gramos de CS2?

10. La ley de velocidades de la reacción siguiente es:velocidad = k [A][B2]2 . Según esta expresión, si se triplica la concentraciónde A y de B, ¿Cómo variará la velocidad con respecto a la del principio?

A + B2 → productos11. ¿Por qué se dice que el equilibrio químico es dinámico?12. Defina reacción reversible.13. Cuál será el efecto de un aumento de la presión sobre cada uno de lossiguientes equilibrios:

a) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

b) 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)

14. ¿Cuál será el efecto de un aumento de volumen sobre cada uno de losequilibrios de la pregunta 13?

15. ¿Cuál será el efecto sobre el equilibrio que produciría el cambio indicado encada caso?

a) 2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g)

Al eliminar PbS(s)

Al añadir O2(g)

b) CaO(s) + SO3(g) CaSO4(s)

Al añadir CaSO3(s)

Al añadir SO2(g)

16. Cuál será el efecto de disminuir la temperatura en cada uno de lossiguientes equilibrios:

a. C(s) + H2O(g) + 131 kJ CO(g) + H2(g)

b. H2(g) + I2(g) 2HI(g) + 9,5 kJ

c. 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) ∆Hº=-188 kJ

17. ¿Qué nos indica la constante de equilibrio?

TEMA 11

QUÍMICA ORGÁNICA Y DEL CARBONO

La química orgánica es la química de los compuestos del carbono. Loscompuestos del carbono en su mayoría están formados por enlacescovalentes, insolubles en agua. Se descomponen a bajas temperaturas.Tienen mecanismos de reacción de varias etapas complejas.

Átomo de carbonoEl elemento que forma la mayor parte de los compuestos inorgánicos en laTierra es el silicio y el elemento que forma la mayoría de los compuestosorgánicos es el carbono, ambos elementos se encuentran en el mismogrupo y se encuentran en la parte central del sistema periódico.

11.1. Propiedades del átomo de carbono: tetravalencia y autosaturacióna) Tetravalencia.- Es la capacidad del carbono de formar hasta cuatro

enlaces.

C CC C C C

b) Autosaturación.- El carbono puede formar enlaces con otros carbonos,formando cadenas.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

75

C C C C C C

C C

CC

11.2. Estado basal o ideal del carbonoEl átomo de carbono en su estado basal o fundamental presenta lasiguiente estructura:

C2px 2py 2pz2s1s C

De acuerdo a esta distribución el carbono es divalente, solo podríaformar dos enlaces, lo que no ocurre en realidad ya que el carbono estetravalente.

11.3. Estado real del carbonoPara que el carbono sea tetravalente debe tener sus cuatro electronesdesapareados, esto se logra promoviendo un electrón del orbital 2s alorbital vacío 2pz

2s 2px 2py 2pz1s6C

2s 2px 2py 2pz1s6C

se promueveun electrón

C

Hasta ahora, se tiene cuatro electrones desapareados, pero estosocupan, ambientes geométricos diferentes, es necesario uniformizar elespacio geométrico, así como la energía, lo que se logra mediante elproceso de hibridación.

11.4. Hibridaciones del carbono11.4.1. Hibridación sp3

Resulta de mezclar tres orbitales p con un orbital s, el resultado soncuatro híbridos del tipo sp3.

2s 2px 2py 2pz1s

6CEsp3 sp3 sp3 sp3

Cuatro híbridos sp3

Los cuatro orbitaleshíbridos sp3, estándirigidos hacia los vérticesde un tetraedro regular,con un ángulo de 109°.

Este tipo lo presenta el carbono cuando forma enlace simple con otrosátomos.La superposición o traslape de orbitales ya sean puros o híbridos dalugar a la formación del enlace sigma.

11.4.2. Hibridación sp2

Resulta de la mezcla de dos orbitales p con un orbital s, dando comoresultado tres orbitales sp2.

2pz2s 2px 2py 2pz

1s

6CE

Tres híbridos sp2sp2 sp2 sp2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

76

Estos tres híbridos sp2, sedirigen hacia los vértices de untriangulo equilátero, con unángulo de 120°, el orbital pz,queda en posición perpendicularal plano.

El carbono presenta este tipo de hibridación cuando forma enlacesdobles.

C C 120°

El enlace pi (π) se forma por un acercamiento paralelo entre losorbitales p, este enlace pi es débil comparado con la fuerza del enlacesigma.11.4.3. Hibridación spSe forma entre un orbital s y un p, dando como resultado dos orbitalessp, quedando puros el py y el pz.

2py2s 2px 2py 2pz

1s

6CE

Dos híbridos sp

sp sp 2pz

C

los dos orbitales sp son lineales

sp sp

C spsp

orbitales p perpendicularesentre sí y a los híbridos sp

El ángulo entre estos híbridos es de 180°, este tipo de hibridación sepresenta cuando el carbono está unido a otro carbono con un tripleenlace.

C C

180°

11.5. Integración de la estructura molecular orgánica11.5.1. Composición

El término composición nos indica el tipo de elementos queforman un compuesto así como la proporción en que seencuentran, la composición se expresa mediante fórmulasmoleculares o globales. Por ejemplo: C2H6, C2H6O, etc.

11.5.2. ConstituciónPor constitución se entiende la manera como están unidos losátomos que forman un compuesto, la constitución serepresenta mediante fórmulas semidesarrolladas odesarrolladas. Por ejemplo:

CH3 – CH2 – OH es el etanol CH3 – O – CH3 es el éter dimetílico

Obsérvese que ambas son sustancias diferentes, pero tiene lamisma composición: C2H6O

11.5.3. ConformaciónEste término se refiere a un aspecto tridimensional y nosindica la forma como esta dispuesta una molécula en el

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

77

espacio, debido a la libre rotación alrededor del enlace sigma.Por ejemplo el etano, tiene dos conformaciones en el espacio.

HCHH

CH

HH

H

H H

H

H H

180°H

H HH

H H

eclipsado alternado

no sonisómeros

en el plano en el espacio

En el espacio la molécula de etano presenta dos conformaciones, uneclipsado y otra alternada.

11.5.4. ConfiguraciónEs otro aspecto tridimensional, se refiere a la forma comoestán dispuestos los átomos en el espacio. Por ejemplo en elcaso del buteno:

C4H8

C = CH

H CH3

H3CC = C

CH3

H H

H3C

Cis(Z) Trans(E)CH 3CH=CHCH3

composición

constitución

configuración

11.6. IsomeríaSon isómeros las sustancias que tienen la misma fórmula molecular oglobal es decir la misma composición, pero que tienen diferenteconstitución. En el caso de los compuestos orgánicos se dice que decada diez compuestos nueve son isómeros. Los isómeros pueden serplanos o espaciales.

11.6.1. Isomería planaa. Isómeros de cadena. Este tipo de isomería se presenta en loshidrocarburos, por ejemplo:

CH 3CH2CH 2CH3

Dos isómeros del butano

CH 3

|CHCH 3

CH 3

CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH3

CH3CH3

CH3C CH3

CH3

Tres isómeros del pentano

b. Isómeros de posiciónAquellas sustancias donde varía la posición de un grupo funcional.

CH2=CHCH2CH3 CH3CH=CHCH3 CH3CH2CH2 OH CH3CHCH3

O H

Dos isómeros del buteno Dos isómeros del propanol

c. Isómeros de función. Son compuestos que difieren en el grupo funcional. Por ejemplo:

CH3CH2CHO CH3COCH3

un aldehído una cetona

C3H6OCH3CH2OH CH3 - O - CH3

un alcohol un éter

C2H6O

11.6.2. Isomería espaciala. Isómeros geométrica. Este tipo de isomería se presenta alrededor del

doble enlace y en los cicloalcanos.

C CCH3

H

H3C

HC C

H

CH3

H3C

H

cis = Z trans = Ecis buteno trans buteno

H

Cl

Cl

HH

H

Cl

H

Cl

HH

Hcis = Z trans = E

cis diclorociclopropano trans diclorociclopropano

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

78

b. Isómeros ópticosLa isomería óptica se genera debido a la presencia del carbono quiral;el carbono quiral o asimétrico es aquel que tiene sus cuatrosustituyentes diferentes. Los isómeros ópticos se caracterizan porquepresentan actividad óptica. La actividad óptica es la capacidad dealgunas sustancias de desviar el plano de la luz polarizada.

Carbono quiral Acido láctico presentaactividad óptica

COOH

CH3C H

OH

*

X

CW Y

Z

*

Los isómeros ópticos se diferencian en que pueden desviar la luzpolarizada hacia la derecha, dextrógiros (+), o hacia la izquierda,levógiros (-).

COOH

OHH

CH3

COOH

OHH

H3C

objeto imágen

espejo

Acido (+) Láctico Acido (-) Láctico

Los dos estereoisómeros del ácido láctico existen, ambos constituyenun par de enantiómeros es decir estereoisómeros que guardanrelación objeto imagen. Si dos estereoisómeros no guardan relaciónobjeto imagen, se les denomina diasteroisómeros.

11.7. Ejercicios

1. Indique el compuesto que no es orgánico:

A. CH3-CH2-OH B. NH2-CO-NH2 C. CH3-COOH D. CH3ONaE. NaCN

2. De las siguientes proposiciones cuántos son verdaderos y falsos.

- En los compuestos orgánicos los enlaces son esencialmentecovalentes.

- La valencia del átomo de carbono es divalente y tetravalente.- El ángulo que forma los orbitales híbridos sp3 del átomo de carbono es

109º.- La autosaturación es una propiedad del átomo de carbono.

A. 3, 1 B. 2, 2 C. 4, 0 D. 3, 0 E. 4, 1

3. De la siguiente estructura molecular:CHO-CH2-CH2-CHOH-CH=C=CH-COOH

Contabilizar los átomos con hibridación: sp3, sp2 y sp, en ese orden.

A. 7, 5, O B. 5, 6, 1 C. 5, 7, 0 D. 6, 5, 1 E. 3, 4, 1

4. Señale la afirmación correcta, de la estructura molecular de lassustancias orgánicas que en su composición tiene; C, H, N y O.

a) El enlace pi se presenta solo en los enlaces doble.b) U n enlace triple tiene dos enlaces sigma y un pi.c) El átomo de hidrogeno tiene hibridación sp3.d) Un átomo con hibridación sp, no forma siempre dos enlaces sigma

y dos enlaces pi.e) Los enlaces pi se forman a partir de los orbitales atómicos híbridos.

5. De la siguiente estructura molecular:

-CHO

¿Cuántos átomos de carbono tienen hibridación sp2?

A. 11 B. 10 C. 9 D. 1 E. 0

6. ¿Con cuál de las siguientes composiciones no es posible hacer unaestructura molecular?

A. C3H6 B. CH3O C. C2H7N D. C2H2 E. CH2O2

7. Cuántos isómeros planos se pueden formar con las siguientescomposiciones: C6H14 y C3H8O.

A. 5, 3 B. 5, 2 C. 4, 3 D. 4, 4 E. 5, 4

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

79

8. ¿Cuál de las siguientes estructuras presentan isomería cis (Z)?

a) i y iv B. i y ii C. ii y iii D. iii y iv E. i y iii

9. De las siguientes estructuras ¿Cuál representan un par de enan-tiómeros?

a) i y iii B. i y ii C. i y iv D. ii y iii E. iii y iv

10. De los siguientes enunciados indique la verdad (V) o la falsedad (F):- Los enantiómeros se pueden diferenciar por la rotación de la luz

polarizada.- Los diasteroisómeros tienen propiedades físicas muy diferentes.- A partir de un compuesto que tiene tres carbonos quirales se pueden

obtener ocho isómeros ópticos, como máximo.- La isomería geométrica también se considera como un tipo de

diasteroisomería.

A. VFVF B. VVFV C. VVVV D. FFVF E. VVVF

11. ¿Cuál de las siguientes estructuras representa al etano alternado?

12. La siguiente estructura representa, excepto:

A. La molécula de etano B. La representación de los enlaces sigmaC. Los híbridos sp3 D. Un hidrocarburo E. Un confórmero

13. Dibuje los confórmeros del butano y del ciclohexano.

14. ¿Qué propiedad del carbono explica la existencia de tantoscompuestos del mismo?

15. ¿Cuáles de los siguientes compuestos presentan isomeríageométrica?

CH2 C(CH3)2

CH3CH CHCH3 CH3 C C CH3

a)

b)

c)

d)

H

H H

H

H HH

H HH

H H

CH3

H H

CH3

H HH

H CH3

CH3

H H

H

H H

CH3

H Ha) b)

c) d)

e)

CO OH

Cl OH

HO Cl

CH2OH

COOH

HO Cl

Cl OH

CH2OH

COOH

H OH

H OH

CH2OH

COOH

HO H

HO H

CH2OH

i iiiii iv

C CCH2CH3

CH3CH2

OHOH

BrBr

i) ii)

iv)iii)

C CH CH2CH3

HCH3CH2

C CCH3 CH3

CH2CH3CH3CH2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

80

16. Indicar la hibridación de los átomos de carbono en los siguientescompuestos.

a)

b)

c)

d)

CH3CH2CH=CH2

CH3CH = C = O

CH3CH2 OH

CH3C N

17. ¿Explique cómo se forma el enlace sigma? ¿Cómo se forma el enlacepi?

18. ¿Por qué es necesario efectuar la hibridación?

19. ¿Qué factores determinan la geometría de una molécula?

20. De la siguiente fórmula estructural condensada, cuántos enantiómerosy diasteroisómeros se puede obtener: HOOC-CHOH-CHOH-COOH

21. De la siguiente fórmula estructural condensada, cuántos átomos decarbono son; primario, secundario, terciario y cuaternario:(CH3)3CCH2CH2CH(CH3)2

TEMA 12

HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos son compuestos binarios formados por carbono ehidrógeno, son los principales componentes del petróleo y del gas natural.Teniendo en cuenta los tipos de enlace carbono – carbono, hay dos clasesprincipales de hidrocarburos: alifáticos y aromáticos.

HIDROCARBUROSALIFATICOS

AROMATICOS

SATURADOS

INSATURADOS

ALICICLICOS

Alcanos

Alquenos

Alquinos

C C

C C

C C

Cicloalcanos

Cicloalquenos

Cicloalquinos

Benceno y sus homólogos

12.1. Hidrocarburos saturados - alcanosEl adjetivo saturado, describe el tipo de enlaces de la moléculahidrocarbonada. Significa que cada átomo de carbono se encuentra unidoen forma covalente a otros cuatro átomos mediante enlaces simples. Loscompuestos se conocen también como parafinas o alcanos. El nombre deparafina (del latín, parum affinis, poca actividad) alude a su naturaleza noreactiva. El nombre alcano es el nombre genérico para esta clase decompuestos. La fórmula general de los alcanos es CnH2n+2 .

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

81

12.1.1. Nomenclatura de alcanosEn la siguiente tabla se dan los nombres y fórmulas de algunos hidrocarburoslineales o normales, para nombrar este tipo de alcanos se les da la terminaciónANO. Obsérvese que los cuatro primeros alcanos tienen nombres propiosmientras que a partir del quinto alcano, se utilizan prefijos de cantidad.

Nombre Fórmula Nombre Fórmula

Pentano CH3CH2CH2CH2CH3 Eicosano CH3(CH2)18CH3

Hexano CH3(CH2)4CH3 Eneicosano CH3(CH2)19CH3

Heptano CH3(CH2)5CH3 Docosano CH3(CH2)20CH3

Octano CH3(CH2)6CH3 Triacontano CH3(CH2)28CH3

Nonano CH3(CH2)7CH3 Hentriacontano CH3(CH2)29CH3

Decano CH3(CH2)8CH3 Tetracontano CH3(CH2)38CH3

Undecano CH3(CH2)9CH3 Pentacontano CH3(CH2)48CH3

Dodecano CH3(CH2)10CH3 Hexacontano CH3(CH2)58CH3

Hectano CH3(CH2)98CH3

Radicales de alcanos. Un radical es una molécula incompleta, los radicales dealcanos resultan de la pérdida de un hidrógeno, para nombrar los radicales dealcanos se cambia la terminación ANO del alcano por il o ilo.

Alcano Nombre Grupo alquilo Nombre(abreviatura)

CH4 Metano -CH3 Metilo (Me)

CH3CH3 Etano -CH2CH3 Etilo (Et)

CH3CH2CH3 Propano -CH2CH2CH3 Propilo (Pr)

CH3CH2CH2CH3 Butano -CH2CH2CH2CH3 Butilo (Bu)

12.1.2. Nomenclatura de alcanos ramificadosPara poder nombrar alcanos ramificados se debe tener en cuenta lassiguientes reglas:Identificar la cadena principal, que es la que contiene el mayor número deátomos de carbono.

Numerar la cadena principal, comenzando por el extremo más cercano a laramificación.

Identificar a los sustituyentes, asignándoles posiciones numéricas.- Escribir el nombre del compuesto como una sola palabra, utilizando

comas para separar los números y guiones para la separaciónentre letras y números.

Ejemplos:

CH3CH2

CHCH2CH2CHCH3

CH2CH3

CHCH2CH3

CH31234567

89CH3CH2

CHCH2CH2CHCH3

CH2CH3

CHCH2CH3

CH31 2

3 4 5 6 7 8 9

Correcto Incorrecto

9 8

CHCHCH7 6 5 4 3 2 122 CH3

CH3

CH3

CH2

CH2

CH2CH3CH3

CHCH

3-Etil-4,7-dimetilnonano

23CH CH C CH6 5 4 3 2 1

CH3

CH3

CH3

CH2

CH2

CH3 4-Etil-2,4-dimetilhexano

En el siguiente caso se puede observar que hay una ramificación enotra ramificación.

Se nombra como un decano2,3,6-trisustituido

10987

654321

CH3CH CH CH2

CH 3

CH 3

CH 3CH 2

CH 2CH 2 CH 2CH 3

CH 3

CHCH CH 2

En este caso a esta ramificación con subramificación se le denominasustituyente complejo, y para numerar, “se numera la cadena principal yse identifican los sustituyentes, en el nombre principal se escribe entreparéntesis .

Ejemplos:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

82

CH3CH2CH2CH2CHCHCHCH3

CH2CH2CHCH3

CH3

CH3

H3C

1

234

56789

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

CH3CHCHCH2CH2CHCH2CHCH3

CH3

CH3

CH2CH2CH2CH3

CH31 2 3 4 5 6

108

6-(2-metilpropil)

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

5-(1,2-dimetilpropil)

Isomería: Los alcanos dan lugar a isómeros de cadena a partir del butano:

CHCH3

CH3 CH2CH2CH3

CH3

CH3

n-Butano

2-Metilbutano

CH3 CH2CH2 CH3CH2

CH3

C CH3CH3

CH3

n-Pentano

2-Metilbutano

2,2-Dimetilpropano

CH3 CH2CHCH3

CH3

dos isómeros tres isómeros

Butano C4H10 Pentano C5H12

12.1.3. Nomenclatura de cicloalcanosPara nombrar cicloalcanos se antepone la palabra ciclo seguido del nombre queindica el número de carbonos. Los cicloalcanos se representan como figurasgeométricas:

cicloheptanociclopentano ciclohexanociclobutanociclopropano

Ejemplos:

CH3CH2CH2CH2CH3

3 carbonos 4 carbonos

1-CiclopropilbutanoMetilciclopentano

Tiene prioridad la cadena con mayor número de carbonos

CH3

CH3

CH3

CH3

12

3

4

5

61

2

3 45

6

1,3-Dimetilciclohexano 1,5-Dimetilciclohexano

Para numerar se deben dar las posiciones más bajas posibles.

12.1.4. Obtención de alcanosLa fuente principal de obtención de alcanos es el petróleo y el gas natural queestá formado básicamente de metano, etano y otros alcanos menores, los otrosalcanos se obtienen por cracking térmico y catalítico del petróleo.

En el laboratorio se puede obtener metano por pirolisis del acetato de sodio, enpresencia de cal sodada (NaOH + CaO).

CH3COONa(s) CH4(g)φ

NaOH.CaO

12.1.5. Reacciones de alcanosLos alcanos se caracterizan por su escasa reactividad, para que reaccionen senecesitan condiciones muy enérgicas, como calor o radicación electromagnética:

Reacción de combustión:C3H8 + 5O2 3CO2 + 4 H2O + Energía

Reacción de halogenación.

CH4 + Cl2 CH3Cl + HClluz

Esta es una reacción de SUSTITUCION, los hidrocarburos saturados sólo danreacciones de sustitución.

12.2. AlquenosA los alquenos también se les conoce como “olefinas” (Olefiante =formador de aceite). Tiene la fórmula general CnH2n.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

83

12.2.1. Nomenclatura de alquenos

CH3CH CHCH3CH2 CH2 CH3CH CH2 CH3CH2CH CH2

Eteno Propeno But-1-eno But-2-eno

Se puede observar que aquí también se presenta el fenómeno de isomería, eneste caso se forman isómeros de posición, en el caso de Buteno, este tiene dosisómeros.Un hidrocarburo con dos dobles enlaces es un dieno, mientras que uno con tresdobles enlaces es un trieno. Ejemplos:

H C CH—CH CH 2 2CH CCH CH22

CH3

Buta-1,3-dieno 2 – Metilbuta -1,3-dieno Hexa-1,3,5-trieno

un dieno un dieno un trieno

Radicales de alquenos:Al igual que los alcanos, los alquenos también dan lugar a la formación de radicales porpérdida de un hidrógeno, para nombrarlos se utilizan las terminaciones enil.

H2C = CH2 H2C = CH - Etenil ( vinil)CH3CH=CH - Prop-1-enilCH3CH=CH2

Eteno

PropenoH2C=CHCH2 - Prop-2-enil (alilo)

El enlace pi impide la libre rotación de los grupos alrededor de un doble enlace;consecuentemente, los alquenos pueden exhibir isomería geométrica

CH3

H3C

C C

H

H

trans -But-2-eno

CH3H3CC C

HH

cis -But-2-eno

También hay estructuras cíclicas con dobles enlaces:

Ciclopropeno Ciclobuteno Ciclopenteno Ciclohexeno

CH CHCH CHCH CH2 2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

84

12.2.2. Obtención de alquenosTambién la fuente principal de alquenos es el petróleo, mediante ladeshidrogenación catalítica de alcanos:

CH3CH2CH3 CH3 CH=CH 2 + H 2catalizador

En el laboratorio se obtienen alquenos por deshidratación de alcoholes, eldeshidratante más común para este proceso es el ácido sulfúrico.

CH3CH2OH CH2=CH2 + H2OH2SO4

Etanol eteno

12.2.3. Propiedades físicasDesde el eteno hasta el buteno son gases, desde el pentano hacia delante sonlíquidos, al igual que los alcanos son insolubles en el agua, pero si son solublesen solventes orgánicos.

12.2.4. Propiedades químicasLos alquenos son muy reactivos, debido a la presencia del enlace pi dandoreacciones de adición, de oxidación y de polimerización.

Reacciones de adición:a) Adición de X2. Los alquenos reaccionan con los halógenos dandoderivados dihalogenados.

H2C CH2 + H2C CH2

Cl ClCl2

eteno dicloroetanob) Adición de H2. Cuando se adiciona hidrógeno, se forma el alcano

correspondiente, esto se hace en presencia de catalizadores de Ni-Pt.

H2C CH2 + H2C CH2

H HH2

eteno etano

c) Adición de HX. Se obtienen derivados halogenados. En este casose debe tener en cuenta si la adición es sobre un alqueno simétrico

o asimétrico, y seguir la regla de Markovnikov que dice “en laadición de HX el hidrógeno se une al carbono que tiene máshidrógenos, mientras que X se une al carbono que tiene menoshidrógenos”

CH2CH CHCH2 + HCl CH2CH CHCH2

H ClBut-2-eno 2-Clorobutano

CH2C CHCH2

CH3

+ HCl2-Metilbut-2-eno

CH2C CHCH2

CH3

Cl H

CH2C CHCH2

CH3

H Cl

2-Cloro-2-metilbutano(único producto)

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

d) Adición de H2O. Esta reacción se conoce como hidratación dealquenos, en este caso se obtienen alcoholes se da en medioácido.

H2C CH2 + H2C CH2

H OHH2O

eteno etanolReacciones de oxidación:a) Oxidación sin ruptura, oxidación con KMnO4 en frío, en este caso

se forman dioles.

H2C CH2 + H2C CH2

OHeteno etanodiol

KMnO 4 frio

HO

b) Oxidación con ruptura, oxidación con KMnO4 en caliente, en estecaso se forman ácidos carboxílicos correspondientes.

H2C CHCH3 +eteno

KMnO4φ

HOOCH + HOOCCHDos ácidos carboxílicos

3

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

85

Reacciones de polimerización:El polietileno es el polímero más conocido, tiene como unidadfundamental el monómero eteno (CH2=CH2).

Ejemplos de obtención de polímeros:

H2C CHH

n CH2CHCH2CHCH2CHH H H n

CH2CH

H n

Etenopolietileno (PE)

H2C CH

Cl

CH2CHCl

CH2CHCl

CH2CHCl

CH2CHCl n

CH2CHCl

Cloruro de vinilo Policloruro de vinilo (PVC)

CHH2C CH2CHCH2CHCH 2CHCH 2CH CH2CHn

ó

CN CN CN CN CN CNAcrilonitrilo Poliacrilonitrilo (Orlón)

12.2.5. AplicacionesLa mayor aplicación de los alquenos eteno, propileno y metil propileno, estádirigida hacia la obtención de plásticos, polietileno, polipropileno y el cauchosintético que es un polímero del butadieno.

12.3. AlquinosLos alquinos son hidrocarburos que contienen un triple enlace – C C –. Elalquino más sencillo es el etino o acetileno (HC CH), por lo que a los alquinosde la serie homóloga se les llama también hidrocarburos acetilénicos. Losalquinos son isómeros de los dienos.La estructura electrónica del triple enlace de un alquino es muy similar a la deldoble enlace de un alqueno. El acetileno tiene dos carbonos sp con enlacessigmas lineales y dos enlaces pi que unen a los carbonos sp .

Debido a que un orbital sp tiene más carácter s, los electrones de esteorbital están más próximos al núcleo del átomo de carbono que loselectrones en un orbital sp2 o sp3. Por lo tanto, el átomo de carbono sp deun alquino, es más electronegativo que la mayoría de los otros átomos decarbono. Así, un enlace CH de un alquino es más polar que un enlace CHde un alqueno o que uno alcano.

12.3.1. NomenclaturaAntiguamente, se usaban nombres comunes para la nomenclatura de losalquinos sencillos, en la que el acetileno (CH CH) se consideraba comobase. Los grupos unidos a los átomos de carbono sp se nombraban comosustituyentes del acetileno.

CH3CH2C CCH 3

Pent -2- ino

CH3C CCH 3

But -2- ino

CH C CHC

Buta - 1,3 - diino 5,7 – Dimetil non – 3ino

12.3.2. ObtenciónDebido a la reactividad del triple enlace, existe un poco de dificultad para lasíntesis de alquinos, el enlace C C se encuentra en una diversidad deorganismos vivos, particularmente en algunos mohos.El acetileno es una materia prima orgánica abundante y de gran importanciaindustrial. Puede prepararse fácilmente por la reacción entre el carburo de calcioy el agua:

12.3.3. Propiedades físicasEl acetileno es un gas incoloro, insoluble en el agua y posee un olordesagradable. El acetileno arde con llama muy luminosa; uno de sus primerosusos fue como combustible en lámparas para mineros. Este gas se usa en lasoldadura oxiacetilénica que se usa para soldar y cortar metales.12.3.4. Propiedades químicasEn su mayor parte, las reacciones de los alquinos son estrictamente análogas alas de los alquenos, es decir dan reacciones de ADICION, con la diferencia deque en vez de adicionar un mol de reactivo, adicionan dos moles de reactivo.

a. Adición de X2

En este caso adicionan dos moles de halógeno, formando derivadostetrahalogenados:

CH3C CH CH3C CHCl Cl

CH3C CHCl Cl

ClCl+ Cl2 + Cl2

Propino 1,2-Dicloropropeno 1,1,2,2-Tetracloropropano

b. Adición de HX

CaC2 + 2H 2 O HC CH + Ca(OH)2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

86

En este caso al igual que los alquenos depende si el alqueno es simétrico oasimétrico para seguir la regla de Markovnikov.

CH3-C C-CH3 + HCl CH3-C C-CH3H ClBut-2-ino 2-Clorobut-2-eno

simétrico

CH3-C C-H + HCl

CH3-C C-HH Cl

CH3-C C-HCl H

1-Cloropropeno(no se forma)

2-CloropropenoasimétricoPropeno

c. Adición de HCNEl producto de la adición del HCN da la formación de los cianoalquenos delos cuales el cianoetileno es un importante producto químico.

H-C C-H + HCN H-C C-HH CN

Cianoetileno(acrilonitrilo)

d. Formación de acetilurosEsta reacción es propia de los alquinos terminales, en este caso el alquinopierde un hidrógeno frente a una base muy fuerte como el amiduro de sodio,el alquino se comporta como si fuera un ácido.

H-C C-H NaNH2+ H-C C Na + NH3amidurode sodio

acetilurode sodio

También se pueden obtener acetiluros de plata o de cobre haciendo pasaracetileno gaseoso por una solución amoniacal de cloruro cuproso o denitrato de plata.

HC C H AgNO3CuClNH4OH HC C C o HC C Ag

acetiluro de cobre acetiluro de plata

Los acetiluros de cobre y de plata se diferencian de los de sodio en queaquellos son extremadamente sensibles al impacto. En estado seco sonmuy explosivos.

12.4. Hidrocarburos aromáticos

El benceno es el más simple de la familia aromática, su fórmula molecular C6H6indica que sólo existe un átomo de hidrógeno por cada átomo de carbono de lamolécula. Esto implica un alto grado de insaturación y, por tanto, podríapredecirse una gran reactividad para la molécula; pero esto no es así, ya que elbenceno es altamente estable, es más, no da reacciones de adición sino masbien, reacciones de sustitución como si fueran hidrocarburos saturados. AugustKekulé en 1865 propuso que el benceno era una estructura hexagonal condobles enlaces (simples y dobles alternados) y en cada carbono hay un soloátomo de hidrógeno que son equivalentes, esto sugiere que los dobles enlacesno son estáticos sino que son móviles.

Para explicar la estabilidad del benceno se hace uso de la teoría de resonanciaquímica, donde la estructura real del benceno, difícil de representar es un híbridode resonancia, los electrones se encuentran resonando por encima y por debajodel plano hexagonal de carbonos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

87

Mientras que la longitud de los enlaces sencillos C-C es de 1,54 Å y la de losdobles enlaces C-C es de 1,34 Å, los enlaces carbono-carbono del bencenotienen longitud de 1,39Å. Esto se evidenció experimentalmente por difracción derayos X.

12.4.1. Nomenclaturaa. Hidrocarburos aromáticos monosustituidos.Los hidrocarburos aromáticos monosustituidos tienen nombres propios.

CH3 OH NH2 CHO CH=CH2

Tolueno Fenol Anilina Benzaldehído Estireno

b. Hidrocarburos aromáticos disustituidosCuando el benceno tiene dos sustituyentes existen tres posibilidades paraordenarlos:

X

Y

orto (o-) meta (m-) para (p-)

X

Y

X

Y

1 2

3 4

11

El sistema orto, meta y para es de uso exclusivo de sistemas cíclicosaromáticos.Ejemplos:A continuación se ilustra el uso de estos prefijos para nombrar algunosbencenos.

Cl OH

p - clorofenol

Br

Br

o - dibromobenceno

Cl

NH2m - cloroanilina

Cuando en una estructura hay un nombre propio, esta tiene prioridad en elnombre del compuesto, como en el caso del p-clorofenol y la m-cloroanilina.

c. Hidrocarburos aromáticos con tres o mas sustituyentesSi en un anillo bencénico hay tres o más sustituyentes, se deben usarnúmeros.

NO2O N2

NO2

CH3

2,4,6-trinitrotolueno

Br

Br

Br

1,2,4 - tribromobenceno

Cl

O N2 NH2

2 - cloro-4-nitroanilina

d. Hidrocarburos aromáticos policíclicos.Algunos tienen nombres propios:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

88

Naftaleno Antraceno Fenantreno Benzopireno

Otros de estructura regular utilizan prefijos de cantidad.

Tetraceno Pentaceno

Los hidrocarburos aromáticos también dan lugar a la formación de radicales,a estos se les denomina radicales arílicos, por ejemplo:

CH2 CH3

fenil bencil naftil m-tolil

Los hidrocarburos formados por una parte aromática y otra alifática recibenel nombre de arenos, para nombrarlos se debe tener en cuenta el númerode carbonos de cada parte, el que tenga el mayor número de carbonos tieneprioridad en la nomenclatura.

CH2CH2CH2CH3

Butilbenceno

CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3

1-Fenilheptano

12.4.2. ObtenciónLa principal fuente de obtención de hidrocarburos aromáticos es el petróleoy del carbón.

12.4.3. Propiedades físicasAl igual que los hidrocarburos alifáticos y alicíclicos, el benceno y otroshidrocarburos aromáticos son no polares. Son insolubles en el agua, perosolubles en disolventes orgánicos, tales como éter dietílico, tetracloruro decarbono o hexano. El benceno mismo es un disolvente que se ha usadoampliamente.

El benceno tiene un punto de fusión que es 100°C más alta que la deltolueno, o la del etilbenceno; esto se debe al perfecto empaquetamiento delbenceno y a la disimietría que introducen las cadenas laterales.El benceno es muy volátil y sus vapores son inflamables y tóxicos (conacción cancerígena) por lo que hay que manejarlo con gran cuidado.Es interesante notar que muchos de los compuestos que se encuentran en elalquitrán de hulla que contienen cuatro o más anillos bencénicos fusionadosson carcinógenos.

benzopireno benzantraceno

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

89

12.4.4. Propiedades químicasDebido a la estabilidad que se obtiene por resonancia, los hidrocarburosaromáticos dan reacciones de sustitución, pero en presencia decatalizadores ácidos de Lewis. Las principales reacciones son:

a. HalogenaciónLa halogenación se efectúa tratando con un halógeno en presencia de unasal del mismo halógeno:

+ Br2FeBr3

Br

+ HBr

Benceno Bromobencenob. NitraciónLa nitración se consigue tratando benceno con una mezcla de ácido nítricoconcentrado y ácido sulfúrico concentrado

NO2

Benceno Nitrobenceno

H2SO4HNO3+

c. SulfonaciónEl benceno al ser tratado con ácido sulfúrico caliente, produce un derivadosoluble en agua, el ácido bencensulfónico.

SO3H

+

Benceno Acido bencensulfónico

H2SO4φ

Los hidrocarburos aromáticos, el tabaco y el cáncerEl ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN) son enormesbiomoléculas encargadas de la transmisión del mensaje genético en los organismosvivos. Tanto el ADN como el ARN no son más que largas secuencias de nucleótidosque están unidos por puentes fosfato. Un nucleótido es un compuesto que consta deun azúcar (desoxirribosa en el caso del ADN y ribosa en el caso del ARN) y una baseheterocíclica (adenina, guanina, timina o citosina). En la siguiente figura se indican las

unidades químicas constituyentes del ADN y del ARN. En el caso de las basesheterocíclicas nitrogenadas se indica también el átomo de nitrógeno de la base queestá unido al azúcar.En la siguiente figura se representa esquemáticamente un fragmento de ADN que estáconstituido por dos cadenas complementarias que se mantienen unidas por los puentesde hidrógeno que se establecen entre las bases adenina-timina y guanina citosina.El benzopireno es un hidrocarburo aromático constituyente, entre otros centenares decompuestos, del humo del tabaco. El benzopireno mismo no es cancerígeno pero en elproceso de inhalación del humo del tabaco el benzopireno penetra en el organismo yresulta oxidado por determinadas enzimas, como la P-450-mono-oxigenasa, que loconvierte en el epóxido A. Este compuesto es hidrolizado por el enzima epóxido-hidratasa al diol B. Una segunda epoxidación enzimática del compuesto B por la P-450-mono-oxigenasa lleva al epoxidiol C.

+ H2O

+ H2O

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

90

12.4.5. AplicacionesEn la industria el benceno se utiliza como solvente y como material de partida parala fabricación de muchos otros productos. El tolueno se emplea como disolventede lacas y en la fabricación de colorantes, medicamentos y explosivos. Los xilenosson buenos disolventes de las grasas y aceites, se emplean en la limpiezaplatinas y lentes ópticos de los microscopios.El nitrobenceno se utiliza mucho en la fabricación de anilina un componentebásico de colorantes y medicamentos. El fenol es un antiséptico y germicidaLas sustancias que contienen el anillo bencénico se encuentran comúnmente enlos reinos animal y vegetal. No obstante son más abundantes en el reino vegetal.Los vegetales tiene la capacidad de sintetizar el anillo bencénico a partir de dióxidode carbono, agua y otros materiales inorgánicos. Los animales no pueden realizaresta síntesis y son dependientes de los compuestos bencenoides para susupervivencia. Por lo que el animal debe obtener estos compuestos a partir de losalimentos que ingiere. Entre los compuestos necesarios para el metabolismoanimal pueden mencionarse los aminoácidos Fenilalanina, Tirosina y Triptofano yciertas vitaminas como la vitamina K, riboflavina y ácido fólico.

12.5. Ejercicios1. Indique el nombre incorrecto del hidrocarburo, según IUPAC.

A. 2,2-dimetilbutano B. 2,2,3-trimetilbutanoC. 3,3-dietil-5,5-dimetilheptano D. 2,4-dietilpentanoE. 3-etil-4-metilhexano

2. ¿Cuál de las siguientes relaciones, radical y nombre es incorrecto?A. CH : etinil B. CH2=CH : etenilC. CH3-CH2 : etil D. C6H5 : fenil E. CH4 : metil

3. ¿Qué hidrocarburo se obtiene por cracking catalítico del acetato desodio con cal sodada?A. Na2CO B. CaCO3 C. CH4 D. CH3-CH3 E. CH2=CH2

4. A partir de que hidrocarburo se obtiene un solo producto monocloradopor el proceso de cloración fotocalalítico.A. Pentan B. Isopentano C. Neopentano D. Eteno E. Etino

5. ¿cuál es el hidrocarburo que por combustión completa da comoproducto dos moles de CO2 y un mol de H2O?A. Metano B. Etano C. Eteno D. Etino E. Propano.

6. Una mezcla de 15ml. de etano y metano dio por combustión completa,20ml. de dióxido de carbono.¿Cuál es la composición volumétrica de la mezcla?A. 5, 10 B. 7, 8 C. 10, 6 D. 5, 9 E. 4, 10

7. Los compuestos que son derivados de la sustitución de loshidrógenos del acetileno por átomos de metal (Na, Cu, Ag, etc) sellaman:A. Acetiluros B. Hidruros C. Carburos D. Cianuros E. Sales

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

9. ¿A partir de que hidrocarburo, por oxidación con permanganato depotasio se obtiene 2 moles de acido etanoico?

A.CH3-CH=CH2 B. CH3-CH=CH-CH3 C. CH3-CH2-CH=CH2D. CH3-C CH E. CH3-CH=CH-CH2-CH3

10. La composición de un alcohol es C5H12O; que por deshidratación conácido sulfúrico concentrado da lugar a una mezcla de 2-metilbut-1-enoy 2-metilbut-2-eno. Indicar el nombre del alcohol.A. Pentan-1-ol B. 2-metilbutan-1-ol C. 2-metilbutan-2-olD. 4-metilbutan-2-ol E. 3-metilbutan-1-ol

11. ¿A partir de que alqueno se puede obtener, por hidratación un alcoholterciario?A. Eteno B. Propeno C. MetilpropenoD. 3-metilbut-1eno E. 3,3-dimetilbuteno.

12. ¿Qué sustancia Ud. Utilizaría como reactivo para obtener propano-1,2-diol a partir del propeno?A. O3 B. KMnO4 C. H2O D. CaO E. H2SO4

13. ¿Cuál es el alqueno que por oxidación con permanganato de sodio enmedio ácido y calor puede dar como producto una mezcla depropanona, dióxido de carbono y agua?A. But-2-eno B. But-1-eno C. Metilpropeno D. Pent-2-eno E. Eteno

14. El compuesto que se presenta en la figura se denomina:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

91

a) 3-amino-5-clorofenolb) 1-hidroxi-3-Cloro-5-aminobencenoc) 1-hidroxi-4-Cloro-2-nitrobencenod) Cloroaminobenzole) Nitroclorobenzol

15. Un hidrocarburo tiene una masa molar de 114 g/mol; ¿Cuál es elnombre del hidrocarburo?

a) Octano B. Octeno C. Actino D. Cicloocteno E. Ciclooctino16. Dos hidrocarburos A y B tienen una masa molar de 84 g/mol cada uno.

El hidrocarburo A no reacciona con el KMnO4 pero si reacciona con elbromo, mientras que el hidrocarburo B reacciona con KMnO4 y con elbromo. Los nombres de los hidrocarburos A y B son:

A. Ciclohexano – hexeno B. Hexano y hexenoC. Ciclohexano y ciclohexeno D. Ciclohexeno y ciclohexanoE. Hexano y ciclohexeno

17. ¿Qué producto se obtiene por reacción de adición del cloruro dehidrógeno sobre, 2-metilbut-2-eno?

18. ¿Cuál es la clasificación del hidrocarburo que decolora una soluciónde bromo en tetracloruro de carbono y permanganato de potasio?

19. Ordene en forma ascendente según la temperatura de ebullición de lossiguientes compuestos: metano, propano, hexano, 2-metilpentano y2,2- dimetilbutano.

20. Sustancia de composición C4H4, forma un precipitado al ser tratadocon solución de nitrato de plata amoniacal, adiciona tres moles dehidrógeno por cada mol y libera dióxido de carbono por oxidación consolución de permanganato de potasio en medio ácido. ¿Cuál es elnombre del compuesto?

21. Dé el nombre de los siguientes compuestos:a. (CH3)2CHCH2CH2CH(CH3)CH2CH3b. CH3CH2CH2C(CH3)3c. (CH3)2CHC(CH3)2C(C2H5)3d. (CH3)2CHCH(C3H7)CH2CH(CH3)2

22. ¿Cómo se obtiene industrialmente el acetileno?

23. Un hidrocarburo de fórmula molecular C4H6 reacciona con dos moles decloro para dar C4H6Cl4 ¿Cuál es la estructura del compuesto original?

24. Un hidrocarburo de fórmula molecular C5H8 se combina con dos molesde hidrógeno para dar el 2-Metilbutano ¿Cuál es la fórmula estructuraldel compuesto?

25. Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes compuestos:a) Oct-4-inob) 2-clorobuta-1,3-dienoc) 3,3-dimetilciclobutenod) 4-etil-2-metilhex-1-enoe) Cicloocta-1,3,5,7-tetraeno

26. Escriba la fórmula estructural de los siguientes compuestos. A. m-xileno B. p-dinitrobenceno C. 2-bromo-1,3-dimetilbenceno D. 3,4-Dimetiltolueno E. Fenilacetileno

27. ¿Cuál es el producto que se espera cuando dos moles de HCl seagregan sucesivamente al acetileno?

28. Nombrar las siguientes estructuras:

b) c)d)

e) f)g)

h)

i)

j)k) l)

m)

n) o) p)

OH

NHCl 2

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

92

TEMA 13

COMPUESTOS OXIGENADOS

13.1. AlcoholesEstructura. La estructura de un alcohol se asemeja a la del agua puesto que unalcohol procede de la sustitución formal de uno de los hidrógenos del agua porun grupo alquilo. Los alcoholes presentan el grupo funcional .

En el metanol el ángulo del enlace C-O-H es de 108.9º. Este ángulo es mayorque en el agua debido a la presencia del grupo metilo, mucho más voluminosoque el átomo de hidrógeno, que contrarresta el efecto de compresión del ángulode enlace que provocan los dos pares de electrones no enlazantes. Laslongitudes de enlace O-H son aproximadamente las mismas en el agua que enlos alcoholes, pero la distancia de enlace C-O es bastante mayor (1.4 Å) debidoal mayor radio covalente del carbono en comparación con el del hidrogeno.Los alcoholes pueden considerarse como los derivados orgánicos del agua,donde uno de los hidrógenos es sustituido por un grupo orgánico: H - O - Hpasa a ser R - O – H.

C

OH

C COH

OH

Un alcohol Un fenol Un enol

El etanol, por ejemplo, es una de las sustancias orgánicas más simples y mejorconocidas, y se usa como aditivo de combustibles, como solvente industrial y enbebidas.

13.1.1. ClasificaciónUn alcohol puede clasificarse como primario (1°), secundario (2°) o terciario (3°),dependiendo del número de sustituyentes de carbono unidos al átomo C quetiene el grupo hidroxilo.

R

H

H

OHC

H

OHC

R

R OHC

R

R

R

Un alcohol primario (1°) Un alcohol secundario (2°) Un alcohol terciario (3°)

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

CH3CH2OHCH3OH OH

Monoles Polioles

CH2 - CH2

OH OH

un diol

CH2 CH CH2

OH OH OHun triol

13.1.2. NomenclaturaLos alcoholes simples se nombran en el sistema IUPAC como derivados delalcano principal, usando el sufijo ol:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

93

13.1.3. ObtenciónLos alcoholes se obtienen por hidratación de alquenos:

H2C CH2 H2C CH2

H OHH2O+

EtenoEtanol

Otro método de obtención de etanol es por fermentación de carbohidratos

C H O6 12 6Enzimas de la levadura

+ 2 CH CH OH3 2 CO22

El metanol y el etanol son dos de los compuestos químicos industriales másimportantes. En la actualidad se produce metanol por reducción catalítica de COcon hidrógeno gaseoso.

CO + 2 CH OH 3H2

400°CÓxido de cinc/cromo

13.1.4. Propiedades físicasEn la siguiente tabla se ven los puntos de ebullición de algunos alcoholes:

Alcohol p. eb. (°C) Solubilidad

CH3 – OH 64,5 Soluble

CH3CH2-OH 78,3 Soluble

CH3CH2CH2-OH 97 parcialmente

CH3(CH2)10CH2-OH insoluble

CH3OH-CHOH-CH2 –OH soluble

Como se puede ver no existen alcoholes gaseosos, todos son líquidos y los demayor masa molar son sólidos. La causa de los puntos de ebullición altos es quelos alcoholes, como el agua, están muy asociados en solución debido a laformación de los llamados puentes de hidrógeno.

OH H

O

R

HHO

R

OH

O

R RR

δ +

-δ

-δ

-δ

-δ

-δ

δ +δ +δ +δ +

Los alcoholes son solubles en el agua debido a que se puede formar enlacepuente de hidrógeno entre el alcohol y el agua, pero la solubilidad de losalcoholes disminuye a medida que se incrementa la cadena carbonada.Otro factor que se debe tener en cuenta para predecir la solubilidad es lapresencia de uno o más grupos OH, en el caso del propanol es parcialmentesoluble, mientras que la glicerina (propanotriol) es soluble.

13.1.5. Propiedades químicasLas propiedades químicas de los alcoholes dependen del grupo - O – H, aquí sepuede ver que hay ruptura del enlace O – H y ruptura del enlace C – OH.a. Reacción de acidez.Los alcoholes se comportan como ácidos cuando pierden el hidrógeno del O –H, esto sucede sólo cuando los alcoholes están frente a los metales alcalinos.

CH3CH2-O-H + Na CH3CH2-O-Na + 1/2 H2

un alcohol un alcóxido

etanol etóxido de sodioEsta reacción implica la ruptura del enlace O – H.b. Deshidratación de alcoholesUna de las reacciones más importantes del enlace C - O de los alcoholes es ladeshidratación para formar alquenos. Se rompe el enlace carbono - oxígeno, serompe un enlace C - H vecino y se forma el enlace pi del alqueno:

C C

H OH

H O2CC + Una reacción de deshidratación

CH

3CH

2OH

CH

3OH

OH

Metanol (alcoholmetílico)Etanol (alcoholetílico)

Ciclohexanol

Etano 1-2 diol

Propano-1,2,3-triol(glicerina

)

CH

2 -CH

2

OH OH

CH

2 CH

CH

2

OH OH OH

OH

OH

Fenol

Naftol

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

94

c. Oxidación de alcoholesLa reacción más importante de los alcoholes es su oxidación para producircompuestos carbonílicos. Los alcoholes primarios forman aldehídos o ácidoscarboxílicos; los alcoholes secundarios generan cetonas, y los alcoholesterciarios no reaccionan con la mayoría de agentes oxidantes.

CH3CH2OHetanol

+ [Ox] CH3CHO + [Ox] CH3COOHetanal ácido etanoico

ácido carboxílicoalcohol 1º aldehído

OHPropan-2-ol

+ [Ox] CH3COCH3alcohol 2º cetona

CH3CHCH3

CH3

CH3C OH

CH3

2-metilpropan-2-ol(ter-butanol)

+ [Ox]

alcohol 3º

No hay reacción

13.1.6. AplicacionesEl alcohol etílico comercial de 95% de pureza se emplea como disolvente, en lafabricación de perfumes, pinturas, lacas barnices y goma laca, también se usaen la fabricación de otros compuestos orgánicos.El propan-2-ol (alcohol isopropílico) no se absorbe por la piel y su uso principales como frotación.El etanodiol (etilenglicol), se usa como anticongelante en radiadores de losmotores debido a su eficacia para bajar el punto de congelación del agua.La glicerina, es un líquido viscoso de sabor dulce, soluble en agua, se utiliza enla fabricación de perfumes y cosméticos; en tintas y arcillas plásticas para evitarla deshidratación; en la fabricación de plásticos, recubrimientos superficiales yfinalmente en la producción de nitroglicerina un explosivo.13.2. ÉteresUn éter es una sustancia que tiene dos residuos orgánicos unidos al mismoátomo de oxígeno, R - O - R’. Los residuos orgánicos pueden ser alquílicos,

arílicos o vinílicos, y el átomo de oxígeno puede ser parte ya sea de una cadenaabierta o de un anillo. Tal vez el mejor éter conocido es el éter dietílico, unasustancia familiar que se ha usado en medicina como anestésico y se empleamucho en la industria como solvente. Otros éteres útiles son el anisol, un éteraromático de olor agradable que se usa en perfumería, y el tetrahidrofurano(THF), un éter cíclico a menudo usado como solvente.

CH3CH2 O CH2CH3 O CH3H2C CH2

CH2

OH2C

O

Eter dietílico Anisol Tetrahidrofurano

13.2.1. NomenclaturaCuando los dos residuos orgánicos son iguales se utiliza prefijos de cantidad,por ejemplo:

CH3 – O – CH3 C2H5 – O – C2H5 C6H5 – O – C6H5

Dimetil éterEter metílico

Dietil éterEter etílico

Difenil éterEter fenílico

Cuando los residuos orgánicos no son los mismos se denominan identificandolos dos residuos orgánicos y anteponiéndoles la palabra éter. Por ejemplo:

OO O

Propil Pentil

Eter PentilpropilicoPentil propil éter

Eter ButilfenilicoButil fenil éter

Eter CiclobutilfenilicoCiclobutil fenil éter

13.2.2. Eteres cíclicosLos epóxidos u oxiranos son éteres cíclicos de tres miembros quegeneralmente se forman por oxidación con peroxiácidos de los alquenoscorrespondientes. El nombre común de un epóxido se obtiene agregando lapalabra “óxido” al nombre del alqueno que se oxida. Las reacciones siguientesmuestran la síntesis y los nombres comunes de algunos epóxidos simples:

H2C CH2 C OOHO

+ H2C CH2

O

C OHO

+

etileno ácido perbenzoico óxido de etileno ácido benzoico

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

95

C OOHO

H

H

O

H

H

Ciclohexeno óxido de ciclohexano

El óxido de etileno es el epóxido más simple, es un intermediario en lamanufactura tanto del etilenglicol (anticongelante) como de los polímeros depoliéster.

13.3. Aldehídos y cetonasLos aldehídos y cetonas son sólo dos de las muchas clases de compuestosorgánicos que contienen grupos carbonilos. Una cetona contiene dos gruposalquilo (o arilo) unidos al carbono carbonílico, mientras que un aldehído tiene ungrupo alquilo (o arilo) y un átomo de hidrógeno unidos al carbono carbonílico.

CO

R H

C

O

R R'R-CHO R-CO - R'

Un aldehído Una cetona

13.3.1. NomenclaturaEn el sistema IUPAC, el nombre de un aldehído deriva del correspondientealcano mediante el cambio de la letra -o por -al. No es necesario numerar lacadena; al carbono del grupo aldehído -CHO se le asigna el número 1.

HC

O

CH3 CH3 C

O

H CH3 HCH

Cl

CH CHC

O

etanal 2-cloropropanal But-2-enal

Las cetonas se nombran sustituyendo la - o final del nombre de alcano por -ona. Se usan números si es necesario.

2CH 3C

O

CH3 CH3C

O

CH3C

O

CH2CH2CH

O

Pentan-2-ona Pentano-2,4-diona ciclohexanona

Para los aldehídos más complejos en los cuales el grupo -CHO está unido a unanillo se usa el sufijo carbaldehído.

12 CHOCHO

Ciclohexanocarbaldehído Naftaleno-2-carbaldehído

13.3.2. ObtenciónLa manera más sencilla de sintetizar un aldehído o cetona de estructura sencilla,en el laboratorio, es por oxidación de un alcohol.

CH3CH2OH + [Ox] CH3CHO

CH3CHCH3 + [Ox] CH3COCH3OH

Etanol Etanal

Propan-2-ol Propanona

[Ox] = K2Cr2O7

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

96

13.3.3. Propiedades físicasLos aldehídos no pueden formar entre ellos enlaces puentes de hidrógeno poresta razón presentan bajos puntos de ebullición con respecto a los alcoholes queles dieron origen, la metanal es un gas. Como se puede ver en la siguiente tabla.

Propiedades físicas de algunos aldehídos y cetonas.

Nombre común otrivial

Estructura p.eb. °C Solubilidad en H2Oa 25ºC

Aldehídos

Formaldehído HCHO - 21 ∞

Acetaldehído CH3CHO 20 ∞

Propionaldehído CH3CH2CHO 49 16g / 100mL

Butiraldehído CH3CH2CH2CHO 76 7g /100mL

Cetonas

Acetona CH3COCH3 56 ∞

metil - etil –cetona

CH3COCH2CH3 80 26 g/100mL

Acetofenona C6H5COCH3 202 insoluble

Pero se puede ver que son solubles en agua, esto se debe a que si puedenformar enlaces de hidrógeno con el solvente que en este caso es el agua.

13.3.4. Propiedades químicasLos aldehídos y cetonas pueden dar dos tipos de reacciones: oxidación yadición.a. Reacciones de oxidación.Oxidación con KMnO4 y HNO3. Los aldehídos se oxidan fácilmente y formanácidos. Mientras que las cetonas no se oxidan moderadamente, pero si seoxidan enérgicamente con oxidante fuertes como el KMnO4 y HNO3, en estecaso se rompe la molécula en el grupo funcional y produce mezcla de ácidos.

Aldehído: CH3−CH2−CHO + [Ox] → CH3−CH2−COOH Propanal Acido propanoico

Cetona : CH3−CO-CH3 + [Ox] → CH3−COOH + H−COOH Propanona Ac. Etanoico Ac. Metanoico

Oxidación con el reactivo de Tollens. El Tollens es el complejo de plataamoniacal [Ag(NH3)2]+, ión diaminplata (I), es un oxidante moderado, oxida a losaldehídos al correspondiente ácido carboxílico y la plata se reduce a se estadoelemental, evidenciándose como un espejo de plata.

CO

RH

+ [Ag(NH3)2]+

CO

ROH

+ Ag + NH 3

Con las cetonas no ocurre esta reacción.Oxidación con el reactivo de Fehling. El reactivo de Fehling es una mezcla deSulfato de cobre, tartrato doble de sodio y potasio en medio fuertemente alcalino.

Aldehído: HCHO + Cu2+ → H -COOH + H2O + Cu2O Rojo ladrillo

Cetona: CH3−CO-CH3 + Cu2+→ No reacciona

b. Reacciones de adición.El centro de reactividad en aldehídos y cetonas es el enlace pi del grupocarbonilo. Al igual que los alquenos, los aldehídos y cetonas reaccionan poradición de reactivos nucleofílicos (Nu) al enlace pi.

H - Nu

OH

+C

O

RR R C

Nu

R

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

97

Reacciones simples de adición por ataque de nucleófilos al carbono carbonílico:

CO

R R

-

+ Nu H- ++ C

OH

NuR

R

13.3.5. AplicacionesEl formaldehído es el miembro más importante se expende como una soluciónacuosa al 40% con el nombre de formol, se utiliza en la fabricación de labakelita. Posee la propiedad de endurecer las proteínas, haciéndolas insolublesen el agua, por esta razón se le utiliza como embalsamador y para conservarespecies biológicas.La etanal sirve como material de partida para la preparación de otroscompuestos orgánicos. Cuando se calienta en presencia de un ácido, sepolimeriza fácilmente formando un líquido estable llamado paraldehído, que seutiliza como hipnótico y como sedante.La acetona es la más importante de las cetonas, actualmente se la prepara apartir del alcohol isopropílico, se emplea principalmente como solvente. Tambiénes un intermediario en la síntesis de cloroformo, yodoformo y otroscompuestos.

13.4. Ácidos carboxílicosUn ácido carboxílico es un compuesto orgánico que contiene el grupocarboxilo, -COOH. El grupo carboxilo tiene un grupo carbonilo y un grupooxidrilo; las interacciones de estos grupos llevan a una reactividad que es únicade los ácidos carboxílicos.

13.4.1. NomenclaturaPara nombrar ácidos carboxílicos siempre se antepone la palabra ácido y secambia la o final del alcano por oico, en la siguiente tabla se dan los principalesácidos carboxílicos donde se indica el nombre sistemático así como su nombrecomún.

Estructura Nombre sistemático Nombre trivial

HCOOH Metanoico fórmico

CH3COOH Etanoico acético

CH3CH2COOH Propanoico propiónico

CH3(CH2)2COOH Butanoico butírico

CH3(CH2)3COOH Pentanoico valérico

CH3(CH2)4COOH Hexanoico caproico

CH3(CH2)5COOH Heptanoico enántico

En el caso de estructuras cíclicas se utiliza la terminación carboxílico.

COOH1

2

3

4

5

6

Br

COOH

5

4 3

2

1

Acido 3-bromociclohexanocarboxílico Acido 1-ciclopentanocarboxílico

Los ácidos dicarboxílicos se nombran con la terminación dioico.

Nombre sistemático Nombre trivial Estructura

Etanodioico Oxálico HOOC – COOH

Propanodioico Malónico HOOC – CH2 - COOH

Butanodioico Succínico HOOC – (CH2)2 - COOH

Bencenodioicoo – Ftálico

COOH

COOH

También existen ácidos carboxílicos de función mixta, a menudo recibennombres propios.

CH3 C

O

COOHCH3 CH

OH

COOH H2N CH2 COOHAcido Propan-2-hidroxioico

(Acido láctico)Acido Propan-2-onaoico

(acido pirúvico)Acido etan-2-aminoico

(glicina)

Se debe tener en cuenta a los ácidos grasos superiores:

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

98

13.4.2. Obtencióna. Oxidación de alcoholes primarios y aldehídos.La oxidación de alcoholes primarios es el proceso más común para obtenerácidos carboxílicos, porque los alcoholes están disponibles fácilmente.

RCH2OH + [Ox] R-COOH

RCHO + [Ox] R-COOH

b. Oxidación de alquenosLa oxidación vigorosa de alquenos fracciona el alqueno a nivel deldoble enlace produciendo dos ácidos carboxílicos, esta reacción sirvepara localizar la posición del doble enlace.

CH3CH2CH=CHCH3 + [Ox] CH3CH2COOH + HOOCCH3

Pent-2-eno Acidopropanoico

Acidoetanoico

3

13.4.3. Propiedades físicasLos ácidos carboxílicos son líquidos y sólidos, no existen ácidos carboxílicosgaseosos, esto se debe a la formación de enlaces puentes de hidrógeno, poresta razón se observa que son líquidos de alto punto de ebullición como semuestra en la siguiente tabla.

Estructura Punto de ebullición(°C)

Solubilidad enH2O a 20°C

HCOOH 100,5 ∞

CH3COOH 118 ∞

CH3CH2COOH 141 ∞

CH3CH2CH2COOH 163 ∞

C17H35COOH insoluble

Debido a la polaridad del grupo carboxilo pueden formar enlace de hidrógenocon el solvente agua, esto explica su solubilidad, pero esta disminuye a medidaque se incrementa la cadena carbonada.

C

OH

H

O O3H C 3C

O

C

H

13.4.4. Propiedades químicasDado su carácter ácido, los ácidos carboxílicos al reaccionar con las basespueden formar las correspondientes sales:

CH3−CH2−COOH + Na (OH) → CH3−CH2−COONa + H2O Propanoato de sodio

13.5. Derivados de ácidos carboxílicos

Ejemplos

Clase Estructura Nombre común

Halogenuros deácido

CH3COCl cloruro de acetilo

COCl Cloruro de benzoilo

Anhídrido de ácido (CH3CO)2O Anhídrido acético

2CO O Anhídrido benzoico

Ester CH3COOCH2CH3 Acetato de etilo

COO 3CH Benzoato de metilo

13.5.1 ÉsteresLos ésteres, una de las clases de compuestos orgánicos más útiles, se puedenconvertir en una gran variedad de otras sustancias. Los ésteres son comunes enla naturaleza. Los ésteres volátiles dan aromas agradables a muchos frutos yperfumes. Las grasas y las ceras son ésteres.

C17H35COOH ácido octadecanoico ácido esteáricoC17H33COOH ácido ocadecenoico ácido oleico

C15H31COOH ácido hexadecanoico ácido palmítico

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

99

COOHR R'+ OH CO.OR R' + H2O

Acido Alcohol Ester

+ 2H OCOCH

O

COH CH OH3 3calorH +

+

O

Esterificación:

ácido benzoico metanol benzoato de metilo(exceso)

Hidrólisis alcalina (saponificación)La hidrólisis de un éster con una base, o saponificación, es una reacciónirreversible. Puesto que es irreversible, la saponificación da con frecuenciamejores rendimientos de ácido carboxílico y alcohol que la hidrólisis ácida. Yaque la reacción ocurre en medio básico, el producto de la saponificación es la saldel ácido carboxílico o carboxilato. Se genera el ácido libre cuando se acidifica ladisolución. Nótese que el OH- es un reactivo y no un catalizador en estareacción.

O

+3CH OH3

O

COCH +

Benzoato de metilo metanol

-OHcalor

CO-

ion benzoato

Saponificación

13.5.2. Halogenuros de ácidoLos halogenuros de acido son los derivados más reactivos de los ácidoscarboxílicos. Los cloruros de acilo son más comunes y más baratos que losbromuros o yoduros. Generalmente se preparan por la reacción de los ácidoscon cloruros de tionilo o con pentacloruro de fósforo.

COH

OR + SOCl2 C

Cl

OR + HCl + SO2

cloruro de tionilo

13.5.3 Anhídridos de ácidoLos anhídridos de ácido son derivados de los ácidos que se forman al quitar una

molécula de agua a dos grupos carboxílicos y al unir los fragmentos:

C O H

O

R CHO

O

R+ C O

O

R C

O

R + H2O

dos moléculas de ácido un anhídrido de ácido

Por ejemplo:

C O H

O

H3C CHO

O

CH3+ C O

O

H3C C

O

CH3 + H2Odos moléculas de ácido acético anhídrido acético

13.6. Ejercicios

1. Escribir V (verdadero) o F (falso) según corresponda y escoger elconjunto correcto:I. Los aldehídos resultan de la oxidación de alcoholes primarios.II. Las cetonas no se oxidan fácilmente.III. El primer aldehído es etanal.IV. La primera cetona es propanona.

A. VVFV. B. VFVF C. FFVF. D. FVFV. E. FVVV.

2. La siguiente estructura se conoce como corona, indique a que tipode función orgánica corresponde

a) Oicob) Alcoholc) Aldehídod) Cetonae) Éster

OO

O

OO

O

3. ¿Cuál de los siguientes reactivos se utilizan para diferenciaraldehídos de cetonas?a) [Ag(NH3)2]+b) CuSO4c) NaOOC – CH(OH) – CH(OH) – COOKd) HNO2e) KMnO4

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

100

4. De las siguientes estructuras, indique la que corresponde a unhidroxiácido

COOH

OH

OH

O

OH

NH2

O

OH

O O

OH

O

a) b) c)

d) e)

5. ¿Cuál de las siguientes estructuras corresponde a un éster?

ONa

O

O

O

O

O O

Cl

O

a)

b)

c)

d)

e)

6. La deshidratación de un isómero del butanol con ácido sulfúricoconcentrado dio But-2-eno como único producto ¿Cuál es la fórmulaestructural del alcohol?

7. Dos compuestos A y B, tienen como fórmula C5H10O, el compuesto Areacciona con el Tollens y con el Fehling, mientras que B no reaccionacon ninguno de los dos, el compuesto B da positivo el ensayo deyodoformo. Indique las estructuras y nombres de los compuestos A, B.

8. De los siguientes compuestos indique el que corresponde a un ácidoaromático.

a)CH3CH2CH2COOH b)C6H5COOH c)CHOCH2CH2COCH3 d)CHOCH(OH)CH2OH e)CH3COOCH2CH3

9. Para diferenciar R- CHO de R’ – CO – R, se utiliza:a) Solución de cobre en medio alcalinob) Nitrato de plata amoniacalc) Permanganato de potasiod) Reactivo de Lucase) Reactivo de Mayer

10. El reactivo de Fehling sirve para:a) Cuantificar a los ácidos carboxílicosb) Reconocer los alcoholes primariosc) Reconocer las aminasd) Para determinar la posición del anillo aromáticoe) Descarta la presencia de cetonas.

11. Identifique la función orgánica y nombre de los siguientes compuestos:

CH3CH2CH2 O CH2CH3a)

O

OCH2CH3

C

CO

O

O

OH

O

O

OHCHO NH2

O

NH2

O

O

b) c)

d)e) f)

g) h)i)

j)

TEMA 14FUNCIONES ORGÁNICAS NITROGENADAS

Son aquellas en las que no puede faltar Nitrógeno en su molécula.Entre las principales funciones tenemos: Aminas, Amidas y Nitrilos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

101

14.1. AminasSon compuestos derivados de la sustitución parcial o total de los átomos dehidrógeno del amoniaco (NH3) o del hidróxido de amonio (NH4OH), por radicalesalquílicos o arílicos.

14.1.1. Clasificación y nomenclatura de las aminasLas aminas se pueden clasificar en primarias, secundarias o terciarias, deacuerdo con el número de sustituyentes alquilos o arilos unidos al nitrógeno.

323(CH CH ) N

tres C unidos al Ndos C unidos al Nun C unido al N

NH3CH NH2 3CH

una alquil-amina1aria una aril-alquil-amina2aria una trialquil-amina3ria

Debe observarse que esta clasificación es diferente de la de los halogenuros dealquilo o los alcoholes, que se basa en el número de grupos unidos al átomos decarbono que lleva el grupo halógeno u oxidrilo.

una amina primariaun alcohol terciario1,1 dimetililetilamina2-metil-propan-2-ol

un C unido al N

tres Cunidos al C

3H C C3H C C OH

3CH

NH2

3CH

3CH

3CH

Las aminas simples se nombran generalmente por el sistema de grupo funcional:se nombra el radical alquilo o arilo, seguido de la terminación -amina.

dietilaminaciclohexilaminapropilamina

H223(CH CH ) N2CH NH2NH22CH3CH

Las diaminas se nombran según el alcano base (con prefijos numeralesapropiados), utilizando la terminación –diamina.

H2N CH2 CH2 CH2 NH2

Propano-1,3-diaminaH2N CH2 CH2 CH2 CH2 NH2

Butano-1,4-diamina (putrescina)

Si hay más de una clase de grupo alquilo unido al nitrógeno, se considera al másgrande como base, designándose los demás como prefijos N-alquilo.

CH3CH2CH2CH2 N

H

C2H5

N- EtilbutilaminaCH3CH2CH2CH2CH3 N

CH3

C2H5

N-Etil-N-metilbutilamina

Cuando existe otro grupo funcional con prioridad, se utiliza el prefijo amino.

ácido 2-( N-metil-amino)propanoico2-amino-etan-1-ol

COOH

NH 3CH

2H N OH2CH CH2CH3CH

La química de las aminas heterocíclicas no aromáticas es muy semejante a la desus análogos de cadena abierta. Si bien no discutiremos en esta balota laquímica de los heterocíclicos aromáticos, sí incluiremos la de los heterocíclicosnitrogenados no aromáticos, cuyos representantes más comunes suelen poseernombres característicos.

morfolinapiperazinapiperidinapirrolidina

O NHH N NHNH

NH

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

102

En la numeración de estos sistemas heterocíclicos, se considera al heteroátomocomo la posición 1.El oxígeno tiene prioridad sobre el nitrógeno.

3H C 3CH

O

NH

6

54

3

2

1

3CHNH

1 2

34

5

2-metil-pirrolidina 3,5-dimetil-morfolina

Las aminas heterocíclicas aromáticas de mayor importancia son:

NN

Piridina PirrolH

El átomo de nitrógeno también se puede unir a cuatro grupos o átomos, en cuyocaso se convierte en parte de un ion positivo. Estos compuestos iónicos sedividen en dos categorías: si uno o más de los átomos unidos al n sonhidrógenos, se trata de una sal de amina; si los cuatro átomos forman parte degrupos alquilo o arilo y no hay hidrógenos unidos al N, se trata de una sal deamonio cuaternaria.La basicidad de las aminas permite su protonación o alquilación, lo que da lugara las sales de amonio. Dependiendo del número de sustituyentes que tenga elnitrógeno, las sales pueden ser primarias, secundarias o cuaternarias.

CH3NH2 + HCl CH3NH3+Cl-

Metilamina Cloruro de metilamonio

(CH3)2NH + HCl (CH 3)2NH2+Cl-

Metilamina Cloruro de dimetilamoniosal de amina secundaria

(CH3CH2)3N + HCl (CH3CH2)3NH+Cl-

Trietilamina Cloruro de trietilaminasal de amina cuaternaria

14.1.2 Obtención

a) Acción del NH3 (o de una amina) sobre un halogenuro de alquilo, dandoamina y ácido hidrácido

C3H7 - Cl + NH3 à C3H7 - NH2 + HCl(Se puede obtener una mezcla de tres aminas: primarias, secundaria y terciaria;donde por pasos sucesivos se les va separando).b) Reducción de Nitrilos:

14.1.3 Estructura de las aminas

Los enlaces en una amina son completamente análogos a los del amoníaco:un átomo de nitrógeno sp3 se enlaza mediante enlaces sigma a otros tresátomos o grupos (R ó H), quedándole un par de electrones no compartidosen el orbital sp3 restante.

3CH3H C

3CH

N

HNNH

H

H

amoníaco trimetilamina piperidina

En una sal de amina o de amonio cuaternaria, el orbital con el par de electronesno compartidos forma el cuarto enlace sigma. Los cationes son análogos alcatión amonio.

acetato de N-metilpiperidiniocloruro de tetrametilamoniocloruro de amonio

- CH3OOCCl-H

H

NH

HH

NN

3CH

3CH3CH

-Cl +++

3H C

3CH

14.1.4 Propiedades físicas de las aminas

2 H2Pt

C3H7NH2C2H5 CN +

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

103

Presentan los primeros términos analogía con el NH3, son gases de olor picante,solubles en agua y alcohol. Los siguientes términos son líquidos ligeros yvolátilesLas aminas pueden formar puentes de hidrógeno. El puente de hidrógeno N- - -HN es más débil que el O - - - HO, ya que el N es menos electronegativo que elO y, por consiguiente, el enlace NH es menos polar. A causa de este puente dehidrógeno débil, los puntos de ebullición de las aminas se sitúan en un rangointermedio entre los de los compuestos que no forman puentes de hidrógeno(tales como alcanos o éteres) y los de aquellos que forman fuertes puentes dehidrógeno (tales como los alcoholes) de masa molar comparable.

CH3CH2OCH2CH3 (CH3CH2)2NH CH3CH2CH2OHp. eb. 34,5°C p.eb. 56°C p.eb. 117°C

Al no poseer enlaces N - H, las aminas terciarias no pueden formar puentes dehidrógeno en estado líquido puro y, como consecuencia, sus puntos de ebulliciónson inferiores a los de las aminas primarias o secundarias de masa molarequivalente, situándose más bien próximos a los de los alcanos de masa molarsimilar.

p.eb. 3°C p.eb. -10°C p.eb. 48°C

hay puente de Hno hay puente de H

2CH NH23(CH )3N 3CH 2CHCH3(CH )3

Las aminas de baja masa molar son solubles en el agua, debido a que puedenformar puentes de hidrógeno con ésta. Las aminas terciarias, al igual que lasprimarias y secundarias pueden formar puentes de hidrógeno con el agua, yaque poseen pares de electrones no compartidos.En los términos superiores desaparecen casi por completo las propiedadesanteriores.Las aminas primarias y secundarias pueden formar enlaces intermoleculares,puente de hidrógeno.

14.1.5 Propiedades químicas.- Todas tienen reacción básica.La basicidad y la nucleofilicidad de las aminas está dominada por el par deelectrones no compartido del nitrógeno, debido a este par, las aminas soncompuestos que se comportan como bases y nucleófilos, reaccionan con ácidopara formar sales ácido/base, y reaccionan con electrófilos en muchas de lasreacciones polares que se han estudiado anteriormente (Ej. SustitucionesNucleófilicas).

Se combinan con los ácidos inorgánicos dando sales:

cloruro de trimetilamoniotrimetilamina

HCl 3(CH ) 3 NH3(CH ) 3 N + Cl -+

23 2 +

CH CH NH CH CH NH 3 2+ 3CH COOH -OOCCH 3etilamina ácido acético acetato de etilamonio

Una amina calentada con cloroformo y potasa da una carbilamina, facilmentereconocible por su olor desagradable: R - N C carbilamina o isonitrilo. R - NH2 + CHCl 3 + 3KOH à R - N C + 3KCl + 3H2O

14.1.6 Compuestos Importantes.-Metilamina: CH3 - NH2

Es un gas incoloro, extremadamente soluble en agua. Su olor recuerda al NH3puede ser confundido con él. Se encuentra en ciertas plantas, en los productosde descomposición de los alcaloides, en la pirólisis de la madera, etc.El mejor procedimiento para obtenerla es la acción del formol sobre el cloruro deamonio.Fenilamina ó anilina: C6H5 - NH2

Fue descubierta en los productos de destilación seca del índigo o añil, se le dioel nombre de añil. Es un líquido incoloro (p. eb: 182ºC). Se disuelve parcialmenteen agua. Se colorea por oxidación del aire y la luz en amarillo y después en rojopardo. Es muy tóxica.Desempeña un papel enorme en la industria de las materias colorantes (negrode anilina, fucsina, etc.). También se utiliza en al fabricación de productosfarmacéuticos, resinas sintéticas (anilinoplastos), etc.

14.2. Amidas

14.2.1 EstructuraLas amidas son compuestos que tienen nitrógeno trivalente, unido a un grupocarbonilo.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

104

Resultan al sustituir el grupo hidróxilo (OH)-1 del grupo carboxilo de los ácidosorgánicos por el grupo amino: - NH2. También se consideran resultantes desustituir 1,2 o los 3 hidrógenos del amoniaco por radicales acilo.

O

CRHNH

HHNH

14.2.2 Clasificación

Estructura.-

Primaria: O

C NH2H3C

Secundaria:

O

C NHR

R'

Terciaria: O

C N R''R'

Aromática:CO NH2

14.2.3 NomenclaturaEn ambos sistemas, el de la IUPAC y el común, las amidas se nombran

eliminando la palabra ácido y cambiando la terminación -oico (ico) del ácidocarboxílico por –amida.

O

CH CNH

O

23

Hexanamida (IUPAC) acetamida(trivial)

CH3(CH2)4CNH2

Los sustituyentes del nitrógeno de la amida se nombran como prefijosprecedidos por N- o N, N- .Las N-fenilamidas tienen el nombre trivial de anilidas.

(acetanilida)

CH CNH

O

3

N - Fenilacetamida

CN

O

3CH

3CH

N,N-dimetilbenzamida

CNH

O

Benzanilida

benzamida

14.2.4 Obtención a) Por hidratación de nitrilos: R-C ≡ N + H2O à R-CO-NH2

o mejor con H2O2 : R-C ≡ N + 2H2O2 à R-CO.NH2 + H2O + O2

b) A partir de cloruros de ácido: CH3-CO -Cl + NH3 à CH3-CO.NH2 + HCl

14.2.5 Propiedades FísicasSolo la metanamida es líquida, las demás son sólidos cristalizados. Sus puntosde ebullición son más elevados que los ácidos.Los primeros términos son solubles en agua, después la solubilidad disminuye.

14.2.6 Propiedades QuímicasSon bases más débiles que las aminas.Como los ésteres, las amidas se pueden hidrolizar en disolución ácida o alcalina.En ambos casos el ácido o la base es un reactivo, no un catalizador, y debe

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

105

emplearse en la relación molar 1:1 o en exceso. Ninguno de los dos tipos dehidrólisis es reversible.La hidrólisis puede ser en medio ácido o básico.

+ +33 22CH CH CN(CH ) 2H O 3 2CH CH COOH+H

O+ 2H N(CH )

+32

N,N-dimetilpropanamida ácido propanoico ion dimetilamonio

En medio acido

Se deshidratan: CH3 - CO.NH2 calor CH3 - C ≡N+H2O

14.2.7 Compuestos importantesMetanamida; etanamida; úrea: (NH2 - CO - NH2)

14.2.8 Aplicaciones− Como disolventes de fibras.− En la producción de plásticos y resinas artificiales.− En la producción de polimeros el nylon que es una poliamida:

NH(CH2)5CO

CO

NH(CH2)5 CO

N (CH2)5

H

Unidad repetitiva del Nylon 66

− En la fabricación de fertilizantes como la úrea o carbamida, también se le usacomo estabilizador de pólvoras y explosivos y en productos farmacéuticos.

−

14.3 NitrilosSe les puede considerar como resultado de la deshidratación de amidas o desales de amonio de ácidos carboxilicos o también como productos de sustitución

por un grupo alquilo o arilo del átomo de hidrógeno del ácido cianhídrico (H-C≡N)(ó cianuro de hidrógeno).

14.3.1 Estructura R - C ≡ N

(grupo que va al extremo de la cadena)

14.3.2 NomenclaturaPara nombrar a los Nitrilos se hace seguir de la terminación nitrilo al nombre delhidrocarburo correspondiente, incluyendo el carbono del grupo - C ≡ N.Todavía se usa el nombre antiguo que se refiere al ácido correspondiente ocomo sales del ácido cianhídrico.

14.3.3 Clasificación.- Según el tipo de radical:

Alifático : CH3-C ≡ N etanonitriloacetonitrilonitrilo acéticocianuro de metilo

CH3-CH2 -CN propanonitrilonitrilo propiónicocianuro de etilo

CH2 =CH-C ≡ N propenonitriloacrilonitrilonitrilo acrílico

Aromático: bencenonitrilocianuro de fenilo

14.3.4 Obtención a) Derivado del halogenado + Cianuro potásico à Nitrilo + Sal potásica

C2H5-Cl + K-C ≡N à C2H5-C ≡ N + KCl

b) Por destilación de amidas:

R - CO.NH2− → H2O R-C ≡ N

En medio básico

+33 22CH CH CN(CH )

O

OH - +3 2CH CH CO

O

- 23HN(CH )

ion propanoato dimetilamina

+ H20

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

106

PropiedadesFísicas.- Los primeros términos son líquidos de olor etéreo que recuerda aalmendras amargas u olor aliáceo.Son más ligeros que el agua y muy solubles en ella.Los términos superiores son sólidos, se disuelven en alcohol, éter.Químicas.-Por hidrólisis (saponificación) dan amidas o ácidos.

R-C ≡ N + H2O à R-CO.NH2

R-C ≡ N + 2H2O à R-COOH + NH3

Por hidrogenación dan aminas primarias. R-C ≡ N + 2H2 à R- CH2 - NH2

14.3.5 Derivados Importantes- Metanonitrilo: H-CN , ó ácido cianhídrico ó ácido prúsico.- Etanonitrilo: CH3 -CN se usa como disolvente de polímeros.

14.3.6 Aplicaciones− Se les usa en gran escala como intermediarios importantes en la síntesis de

ácidos, éteres, aminas, amidas.− Como disolvente de polímeros.− Para la elaboración de polímeros (acrilonitrilo, nylon, etc.).− En galvanoplastía (dorado, platinado), en las metalurgias del oro y plata; en

siderurgia.

14.3. Ejercicios1. De las siguientes relaciones cuál es incorrecto:

A. R-CN, Nitrilo B. R-NH2, Amina C. R-CONH2,Amida

B. R-NC, Carbilamina E. NH4+, Amoniaco

2. De los siguientes enunciados:- Por hidrólisis de una amida en medio ácido se obtiene un ácido

carboxílico y una sal de amina.- Por hidratación de nitrilos se obtiene aminas.- Las aminas tienen carácter básico.- Los nitrilos se clasifican como; primarios, secundarios y terciarios.

Indique la respuesta correcta de la verdad (V) o falsedad (F).A. VFVF B. VVFV C. VVVF D. FFVV E. FVFV

3. La cafeína tiene la siguiente fórmula estructural, cómo se clasifica esta Sustancia:

A. Amina y amida primariaB. Amina y amida secundariaC. Amida y amina terciariaD. NitriloE. Compuesto aromático

4. Cuál de los siguientes enunciados es falso, de la siguiente estructuramolecular: CH2-CH2-CH3

+

CH3-CH2 -N-CH2- Cl-

CH3

A. Cloruro de N-etil-N-metil-N-propilbencilamonioB. Sal cuaternariaC. Tiene un átomo quiralD. Es soluble en el aguaE. Se clasifica como amida

5. ¿Qué producto final se obtiene a partir de tres moles de clorometanocon un mol de amoniaco en medio básico?

A. CH3NH2 B. (CH3)2NH C. (CH3)3N D. CH3NH3ClE. CH4

6. De las siguientes sustancias, cuál tiene mayor punto de fusión yebullición:A.NH3 B. CH3NH2 C. CH3CH2NH2 D. (CH3)2NH E. (CH3)3N

7. ¿Cuál es la secuencia verdadera según la temperatura de ebullición delos siguientes compuestos?I. CH3CH2NH2 II. CH3CONH2 III. CH3CN IV. CH3COOH

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

107

A. IV>II>I>III B. II<I<IV<III C. II>IV>III>ID. III>IV>II>I E. I<II<III<IV

8. ¿Cuál es el producto que se obtiene a partir de un mol de etilamina conun mol de ácido sulfúrico?A. Sulfuro de etilamina B. Sulfato de etilaminaC.Sulfato ácido de etilamonio D. Sulfunato de etilamonio

E. Sulfato de etilamonio

9. ¿Cuál de las siguientes reacciones corresponde a la identificación deuna amina secundaria?

a)

b)

c)

d)

e)

H3C NH

CH3

+ HO N O H3C N

CH3

N O

CH3CH2 - NH2 + HO N O N2(g)

H3C NH

CH3

+ H3C NH2+Cl-

CH3

HCl

CH3CH2CONH2 + H2O OH-

CH3CH2COO- + NH3(g)

HClCONH

CH3

+ CONH2+Cl-

CH3

10. Indique el nombre que corresponde a la siguiente estructura:

a) N,N’-Dietil-N,N’-dimetilbutano-1,4-iaminab) N,N’-Dimetil-N,N’-dietilbutano-1,4-diaminac) Dietildimetilbutanodiaminad) 1,4-Butanodiaminae) 1,4-Dietil-1,4-dimetilbutano-1,4-diamina

11. Los alcaloides son sustancias de origen natural la mayoría de ellosson insolubles en el agua. ¿Cómo se pueden solubilizar en agua?

a) Reaccionando con ácido, para formar las correspondientes salesb) Haciéndolos reaccionar con el ácido nitrosoc) Sometiéndolos a elevadas temperaturas.d) Reaccionando con bases.e) Tratándolos con éter.

12. Dibuje y el nombre de todas las aminas isómeras de fórmula molecularC4H11N.

13. Dar el nombre de los siguientes compuestos:

14. Escriba ecuaciones para tres preparaciones de la acetamida.

15. La etilamina y el alcohol etílico poseen masas molares semejantes. Sinembargo, el alcohol etílico posee un punto de ebullición más elevado.Explique.

16. Escriba las fórmulas estructurales de: A. Propilamina. B. Hidrazina. C. Fenilamina D. Metanonitrilo

17. Nombre y clasifique las siguientes aminas:A. (CH3)3N B. (CH3)2 NCH (CH3)2 C. C6 H5 N (CH3)2

D. H2N-CH2 -CH2 -CH2 NH2 E. N C - NH2

18. ¿Las amidas o los nitrilos presentan enlaces intermoleculares puentesde hidrógeno? Explique.

19. Un compuesto orgánico de fórmula molecular C4H9NO, es soluble enagua. La adición de una solución de NaOH produce amoniaco ybutirato de sodio. ¿Cuál es la fórmula del compuesto?

a)

b)

c)

d)

N N N

N

ON

O

NN

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

108

TEMA 15

INDUSTRIA QUÍMICA Y AMBIENTE

15.1. La industria química

La industria química es una subdivisión de la industria manufacturera, perodebido a su naturaleza y a la interdependencia de todas las industrias contribuyea casi todos los renglones de la productividad. Por ejemplo, los alimentos,carbohidratos, proteínas y grasas, son productos químicos. Su procesado,conservación y envasado dependen en gran parte de principios químicos.La ropa está hecha de fibras de origen natural, semisintético y sintético. Aun lasfibras naturales requieren colorantes, mordiente y otros productos químicos parasu procesado. El alojamiento también depende de productos químicos que vandesde los inorgánicos como concreto y vidrio hasta los orgánicos, como plásticosestructurales, pinturas y productos para el procesado de la madera. El automóvil,los cohetes y taxis espaciales, no existirían sin los materiales químicos.Las principales mejoras en la salud en los pasados cincuenta años se hanlogrado gracias al desarrollo de los agentes quimioterapéuticos y lasenfermedades infecciosas, tales como la tuberculosis y la neumonía han sidoprácticamente erradicadas en países desarrollados mediante el uso deantibióticos, que son productos químicos.Las actividades recreativas también han sido influenciadas por la químicamoderna. El esquiador se beneficia con esquís de fibra de vidrio y resina epoxi,así como con botas de poliuretano.El hecho de que la química también haya contribuido a la guerra moderna y quelas armas atómicas hagan de la extinción total de la humanidad una posibilidadno muy lejana, muestran que el uso de la tecnología (que incluye a la química)requiere un uso juicioso.

15.2. Características de la industria químicaa. Rápido crecimiento

Crecimiento en la industria química para 1984 – 1994Japón 11.7%Europa 9,7%Estados Unidos de Norteamérica 8.0%Reino Unido 5.7%

b. Investigación y desarrollo (I y D)La Industria Química requiere investigación intensa, un gasto de tres a cuatropor ciento se considera normal. Las compañías que fabrican productos químicosinorgánicos gastan menos; las compañías farmacéuticas y aquellas queproducen especialidades químicas gastan más.La mayoría de la investigación se dedica a mejorar los productos y se encuentraconfinada a países con infraestructura social y económica necesaria.De las cien compañías químicas más grandes del mundo (en 1986), 55 eranamericanas, y otras estaban repartidas entre Japón (12), Alemania (10), ReinoUnido (6), Francia (5), Italia (4) Suiza (3) y Holanda (3).

c. CompetenciaEl comercio de productos químicos es internacional. La competencia ocurreporque existen diferentes procedimientos y distintas materias primas parafabricar un producto químico determinado y un solo producto rara vez domina elmercado.

d. Intensidad de capital y economía en escalaLa industria química requiere mucho capital.

e. Obsolescencia de equipoSe debe a que el ritmo de los cambios tecnológicos ha sustituido procesos viejospor nuevos aumentando el tamaño de la planta.

f. Libertad de acceso del mercadoCualquiera que desee producir productos químicos en gran cantidad, lo puedehacer comprando plantas en paquete de compañías de ingeniería química. Unobstáculo es la cuota de entrada, si no se tienen unos cuantos cientos demillones de dólares para invertir, no se puede recomendar el iniciar la fabricaciónde productos químicos en gran escala.Entonces, la entrada al mercado de los productos químicos es libre en el sentidoque no hay barreras. No obstante, es tan caro que sólo algunos gobiernos,compañías petroleras y otras empresas gigantes pueden disponer el capitalnecesario.

g. Abundancia o carenciaEl mercado es cíclico y oscila como un péndulo de abundancia a escasez ynuevamente a abundancia.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

109

h. Comercio InternacionalLa facilidad de transporte y homogeneidad de los productos dan lugar a un grancomercio internacional de productos químicos.

i. Fases críticas y de penetración de mercadosLa industria química es crítica para la economía de una nación desarrollada. Enel Siglo XIX el desarrollo de una nación se podía medir por su producción deácido sulfúrico. En la actualidad se puede utilizar en forma similar la producciónde etileno como medida de complejidad industrial.Una economía avanzada no puede existir sin una industria química; tampocouna industria química puede existir sin una economía avanzada.La industria química no es reemplazable. Es una industria dinámica einnovadora. Muchos problemas que se refieren a la contaminación, recursos deenergía y escasez de materias primas han sido detectados y seguidos pormétodos químicos y la química desempeñará una función importante en susolución.

15.3. Productos químicos que se obtienen a partir del gas natural, petróleoy otras fuentesLas fuentes de productos químicos orgánicos son:- Gas natural y petróleo –90% de productos.- Carbón: acetileno y gas de agua.- Grasas y aceites: ácidos grasos, nitrógenos grasos.- Carbohidratos: celulosa, fermentación.

15.3.1. Destilación del petróleoEn una refinería se separan del petróleo crudo (líquido pegajoso y viscoso deolor desagradable) diversas fracciones mediante destilación según la siguientefigura.

Gases, punto deebullición 20ºC

CH4, C2H6, C3H8,C4H10 – Semejantes algas natural y útilescomo combustibles yproductos químicos. Noobstante, la mayor partesuele quemarse porquese recuperación4 escostosa.

Nafta ligera(gasolina) p.e. =20 – 150ºC

Nafta pesada p.e.=150-150ºC

En su mayoríacompuestos C4 – C10alifáticos ycicloalifáticos. Puedentener algunosaromáticos. Empleadocomo combustible yproductos químicos.

Querosenop.e.=150–200ºC

Tiene compuestos C9– C16 útiles comocombustibles paraaviones de propulsióna chorro, tractores ycalefacción.

CrudoGasóleop.e.=175-275ºC

Tiene compuestosC15 – C25 empleadoscomo diesel y paracalefacción. Cada vezcon mayor frecuenciase emplea comomateria prima para laobtención de olefinaspor desintegración.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

110

Aceiteslubricantes p.e.=> 350ºC

Se emplean paralubricación. Por elproceso dedesintegracióncatalítica se puedenobtener fraccionesmás ligeras.

Aceitescombustiblespesados p.e.=>350ºC

Combustible paracalderas. Por elproceso dedesintegracióncatalítica se puedenobtener fraccionesmás ligeras.

CRUDO

Torre

de

fraccionamiento

AsfaltoSe emplea enpavimentación,recubrimientosaplicacionesestructurales.

La obtención de productos químicos a partir del petróleo está íntimamenteasociada a la obtención de gasolina y otros combustibles. La industria químicaconsume alrededor del 10% de materia prima, sin embargo puede competir conéxito debido al valor agregado, según la siguiente relación:

Forma de petróleo Valor del petróleo

Como petróleo crudo X

Como combustible 2X

Como producto petroquímico (promedio) 13X

Como producto de consumo (promedio) 55X

Materia prima por la que compiten productos químicos y combustibles

Combustibles Productos químicos

Metano Principal componente delgas natural

Fuente de obtencióndel gas de síntesis,CO + H2; amoniaco

Etano Eleva el contenido de Btudel gas para calefacción

Propano y Butano Base del gas licuado depetróleo (GLP)

Propileno Empleado en reaccionesde alquilación parareparar hidrocarburos decadena ramificada de altooctanaje.

Fuente de obtenciónde etileno, propilenoy butilenos

Butileno Igual que el propileno

Benceno, tolueno yxilenos

Se emplean para elevarel octanaje de lagasolina.

Material inicial paraproductos químicos ypolímeros

15.3.2. Separación del gas naturalEl gas natural contiene cantidades recuperables de metano, etano, propano yalcanos superiores. En la cabeza del pozo el gas se encuentra a altas presiones(30 – 100 Pa).´El metano, principal componente del gas natural se usa para obtener gas desíntesis. El gas licuado de petróleo consta de propano y butano que podríanemplearse para obtener propileno y butileno.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

111

15.4. Tecnologías limpiasLas tecnologías limpias son una opción amigable con el ambiente que permitenreducir la contaminación en el ambiente natural y la generación de desechos,además de aumentar la eficiencia del uso de recursos naturales como el agua yla energía. Permitiendo generar beneficios económicos, optimizando costos ymejorando la competitividad de los productos.El uso de tecnologías limpias representa una opción técnica, económica yambientalmente apropiada que contribuye al desarrollo sostenible de lasempresas, y el país en general.

15.5. Contaminantes químicos y sus fuentes y riesgos potencialesComo fuente de emisión o fuente generadora de contaminantes debemosentender el origen físico o geográfico donde se produce una emisióncontaminante al ambiente, ya sea el aire, el agua o el suelo.Estas fuentes de emisión se clasifican en móviles y fijas, según muestranpresencia o ausencia de movilidad dentro de un área determinada durante laemisión de los contaminantes. Las fuentes pueden ser naturales y de diferentesprocesos productivos del hombre (fuentes atropogénicas) que conforman lasactividades de la vida diaria.Las fuentes que generan contaminación de origen antropogénico másimportantes son: industriales, comerciales, agrícolas, domésticas.

15.5.1. Contaminantes de la atmósferaLas sustancias que se encuentran en la atmósfera tal como fueron emitidas seconocen como contaminantes primarios (H2S, NO, NH3, CO, HC, halógenos) y,como contaminantes secundarios del aire, son aquellos contaminantes queresultan de la interacción de los contaminantes primarios entre sí, estos son:bióxido de nitrógeno, ácido sulfuroso, cetonas y aldehídos.

Contaminantes primarios, efectos y fuentes

Contaminante Efecto en la salud Principales fuentes

Monóxido de CarbonoCO

Impide el transporte deoxígeno en la sangre.Causa daños en los

Uso de combustiblesfósiles.

sistemas nervioso central ycardiovascular.

Bióxido de azufre, SO2 ,Trióxido de azufre, SO3

Cardiovasculares yrespiratorias.

Combustión de carbón ypetróleo que contieneazufre.

Bióxido de nitrógeno,NO2, Monóxido denitrógeno, NO

Tracto respiratorio alto ybajo.

Plantas generadoras deenergía eléctrica.(Combustión a altatemperatura decombustibles fósiles).

Hidrocarburos nosaturados y aromáticos

Algunos tienen propiedadescancerígenas,teratogénicas mutagénicas.

Uso de petróleo, gasnatural y carbón.

Macropartículas- sólidas- líquidas

Respiratorio,gastrointestinal, sistemanervioso central, renal, etc.

Actividades industriales,de transporte, decombustión y causasnaturales.

Bióxido de carbono No existen pruebas de quesea tóxico comocontaminante. Losproblemas respiratorios ydel sistema nervioso centralson consecuencia deproblemas internos ysistemáticos del organismo.

Sobreutilización decombustibles fósiles ycarbón.

Monóxido de carbonoEs un producto del uso de combustibles fósiles. Se forma por la combustiónincompleta de carbono o de sus compuestos.

2C (s)+ O2 (g) → 2CO (g)

Efectos del monóxido de carbono en la salud

HbCO(%) Efecto

Menos de 1,0 Ningún efecto aparente.

1,0 – 2,0 Efectos en la conducta.

2,0 – 5,0 Efectos en el sistema nervioso central:incapacidad para determinar o distinguirintervalos de tiempo, fallas en la agudeza visual,

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

112

en la discriminación de la brillantez y algunasotras funciones motoras.

Más de 5,0 Cambios funcionales cardiacos y pulmonares

10,0 – 80,0 Dolores de cabeza, fatiga, somnolencia, coma,falla respiratoria, muerte.

Dióxido de azufre, SO2

Es un contaminante primario que se produce en la combustión de carbón ypetróleo que contienen azufre:

S(combustibles) + O2 → SO2

El SO2 también se produce en la refinación de ciertos minerales que sonsulfuros:

2PbS(s) + 3O2 (g) → 2PbO(s) + 2SO2 (g)

El SO2 es el contaminante del aire derivados el azufre más importante; sinembargo, algunos procesos industriales emiten trióxido de azufre, SO3, el cualse forma en la atmósfera en pequeñas cantidades debido a la reacción entre elSO2 y el oxígeno:

2SO2 (g) + O2 (g) → 2SO3 (g)

Fuentes de óxidos de azufre

Fuente Porcentaje del total anualde emisiones de SOx

Transporte 2,4

Combustión de productos energéticos (fuentesestacionarias, plantas de energía, calefacción deespacios industriales, etc.)

73,5

Procesos industriales (calcinación de minerales desulfuro)

22,0

Eliminación de desechos sólidos diversos 0,3

Diversos 1,8

Efectos de los óxidos de azufrePueden inhibir el crecimiento de las plantas y ser letales para algunas de ellas.

Efectos tóxicos del SO2 para el hombre

Concentración(partes por millón)

Efectos

1 – 6 Broncoconstricción

3 – 5 Concentración mínima detectable por elolfato

8 – 12 Irritación de la garganta

20 Irritación en los ojos y tos

50 - 100 Concentración máxima para una exposicióncorta (30 min.)

400 - 500 Puede ser mortal, incluso en una exposiciónbreve.

Los SOx se eliminan del aire mediante su conversión en H2SO4 y sulfatos (SO42-

). En esta forma terminan depositándose sobre la tierra o en el mar.

Óxidos de nitrógeno, NOxEl monóxido (NO) u óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno (NO2) soncontaminantes primarios del aire. El NO, es un gas incoloro e inodoro, en tantoque el NO2 es un gas de color rojizo, de olor fuerte y asfixiante parecido al delcloro.El NO se forma en el aire mediante la reacción:

N2 (g) + O2 (g) → 2NO(g)

Esta reacción ocurre a altas temperaturas durante el uso de combustiblesfósiles.El NO2 se forma por la reacción:

2NO(g) + O2 (g) → 2NO2 (g)

Fuentes de óxido de nitrógeno

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

113

Fuente Porcentaje del total anualde emisiones de NOx

Transporte 39,3

Combustión de productosenergéticos (fuentes estacionarias,plantas de energía, calefacción deespacios industriales)

48,5

Procesos industriales (plantas deácido nítrico, etc.)

1,0

Diversos (incendios forestales,quema agrícola, etc.)

8,3

Los óxidos de nitrógeno participan en la formación de contaminantessecundarios del aire. La mayoría de los NOx se convierten finalmente en ácidonítrico, (HNO3) y nitratos, (NO3

-). En esta forma se depositan sobre la tierra o enel mar como consecuencia de las lluvias o se sedimentan como macropartículas.

Efectos del NO2 en la salud

Concentración (partespor millón) – ppm(mg/L)

Efecto

1 – 3 Concentración mínima que sedetecta por el olfato

13 Irritación de nariz, garganta y ojos

25 Congestión y enfermedadespulmonares

100 – 1 000 Puede ser mortal, incluso tras unaexposición breve.

Reducción de la contaminación atmosférica- Cambio en el método de operación de motores- Sustitución de combustibles de alto contenido de azufre

- Alteración de la forma de los contaminantes. Por ejemplo, el carbónpulverizado desprende menos hollín que el carbón sólido, alteración dela eficiencia del equipo.

Reducción de la contaminación atmosférica

Contaminante Medidas

Separadores mecánicos por fuerza de gravedad ocentrífuga.

Precipitadores electrostáticos.

Filtros de tela.

Partículas

Lavadores húmedos.

Lavadores húmedos.

Incineración.

Oxidación o combustión catalítica.

Gases

Sustitución de las fuentes de energía: batería eléctrica envez de combustión, vapor y gas natural.

Dispositivos anticontaminantes- Dispositivos de depósito que eliminan partículas sólidas de los gases- Dispositivos de recolección de partículas, mecanismo de centrifugación,

filtros y precipitadores electrostáticos que separan las partículas de losgases.

15.6. Características de los contaminantes

Potencial de hidrógeno, pHDetermina si la sustancia es corrosiva; de ser así se le suele considerar comoresiduo peligroso. Para que una sustancia se pueda considerar corrosiva, debetener un pH menor o igual a 2,0 y mayor o igual a 12,5.

VolatilidadEs la propiedad que poseen algunos compuestos de poder evaporarse a bajastemperaturas y afectar la atmósfera. Entre los compuestos volátiles se

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

114

encuentran las sustancias orgánicas como el etileno, propileno, benceno y laacetona, que se evaporan y contribuyen directamente a la contaminación delaire, o a través de reacciones químicas o fotoquímicas para producir compuestossecundarios.

DegradabilidadEs la característica que tienen los compuestos que son reducidos por agentesnaturales físicos, químicos y procesos biológicos a un estado neutral o a nivelesaceptables por la naturaleza. Si el compuesto es reducido por materia orgánicaviva (bacterias especializadas), se le conoce como biogradable.

DifusiónEs la capacidad que poseen los contaminantes de poder distribuirseuniformemente en el medio que los rodea. Los gases tienen la propiedad de quepueden mezclar las moléculas, sin necesidad de que exista una reacciónquímica. Los líquidos sumergidos en un solvente tienen la capacidad dedistribuirse en todo el volumen del mismo.

Tiempo de vida mediaEs el tiempo que puede durar el contaminante en el medio ambiente antes deser degradado por los procesos naturales. Esta propiedad es diferente para cadatipo de compuesto; algunos tienen un tiempo de vida media menor a un día,mientras que otras sustancias nunca son degradadas por los procesos naturales.

Por sus propiedades, algunos elementos o compuestos químicos no producenningún efecto adverso sobre el medio ambiente, o bien, el daño es mínimo y seve minimizado por los mismo procesos naturales. El daño que pueden generarse debe a la mezcla con otros compuestos, la mezcla de sustancias se puedeclasificar en:Sinergismo.- Se entiende como sinergismo a la acción del aumento de losefectos de un contaminante a causa de la introducción o presencia de otro. Elefecto total de esta interacción es superior a la suma de los efectos de cada unode los contaminantes por separado. El vapor de agua en presencia de óxidos deazufre, reacciona para producir la lluvia ácida.Antagonismo.- Se refiere a la interacción de dos o más contaminantes, quetienen efectos opuestos en un ecosistema determinado, de tal manera, que unode ellos reduce parcialmente el efecto del otro.Efectos multiplicativos.-Es la acción que tienen algunos contaminantes que alinteraccionar producen un efecto exponencialmente mayor que si actuaran demanera individual.

Neutralización.- Es el resultado que se obtiene cuando al interactuar doscontaminantes, reducen en su totalidad sus efectos.15.7. Sustancias químicas no biodegradablesSon aquellos compuestos que no son reducidos por agentes naturales físicos,químicos y procesos biológicos a un estado neutral o a niveles aceptables por lanaturaleza.

15.8. Materiales como medios no contaminantesPara el control de los residuos prohibidos se recomienda usar los siguientessustitutos como alternativa a los productos domésticos tóxicos.• Limpiadores domésticos

o Aerosoles.- Elegir recipientes no-aerosol, como pulverizadores deacción bomba, de presión manual, o recipientes de bola.

o Limpiadores multiuso.- Mezclar un litro de agua tibia con unacucharadita de bórax, desinfectante o jabón líquido. Añadir un poco delimón o vinagre. Nunca mezcle amoniaco con lejía o cloro.

o Ambientadores.- Abrir ventanas y puertas y usar ventiladores. Colocaruna caja con bicarbonato de sosa en los armarios y frigorífico. Cocerclavo y canela en agua hirviendo. Las plantas para interiores ayudan alimpiar el aire y las cestas de hierbas proporcionan un olor agradable.

o Lejía de cloro.- Utilice bórax o bicarbonato de sosa para blanquear. Elbórax es bueno contra la grasa y es desinfectante. Si usted utiliza lejía,elija una lejía seca, no de cloro. Nunca debe mezclar la lejía de clorocon amoniaco o limpiadores de tipo ácido.

o Quitaolores.- Para alfombras, mezcle una parte de bórax con dos partesde harina de maíz, espolvorear libremente; aspire después de una hora.Para camas de gatos, espolvorear bicarbonato de sosa en la caja antesde añadir las piedras.

o Desinfectantes.- Utilice ½ taza de bórax en 4 litros de agua caliente.Para inhibir moho, no debe aclararse la solución de bórax.

o Desatascador.- Para evitar atascos, utilice un filtro en cada desagüe.Vierta agua hirviendo por el drenaje una vez a la semana. Paradesatascar, utilice un desatascador de goma o una serpiente metálica.

o Limpiador de suelos.- Para suelos de plástico, mezcle ½ taza devinagre blanco con 4 litros de agua tibia. Pula con agua o soda. Parasuelos de madera, mezcle ¼ taza de jabón de aceite con 4 litros deagua tibia.

o Cera para muebles.- Disuelva una cucharadita de aceite de limón en unlitro de aceite mineral. O utilice jabón de aceite para limpiar y un paño

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

115

suave para sacar el brillo. Frotar los muebles de madera con pasta dedientes para quitar las manchas de agua.

o Limpiacristales.- Mezclar ¼ de taza de vinagre blanco en un litro deagua tibia, aplicar sobre el cristal y frotar con papel de periódico.

o Quitamoho.- Frotar las manchas de moho con bicarbonato de sosa ocon una esponja empapada en vinagre blanco. Para la cortina de laducha, lavar con ½ taza de jabón y ½ taza de bicarbonato de sosa,añadir una taza de vinagre blanco para aclarar.

o Limpiahornos.- Mezclar 3 cucharaditas de sosa con un litro de aguatibia. Aplicar con pulverizador, esperar veinte minutos, después lavar.Para las manchas duras, frotar con lana de acero fina (0000) ybicarbonato de sosa.

o Limpia-alfombras y tapicerias.- Use un limpiador con jabón no aerosol.o Polvo abrasivo.- Use una marca que no contenga cloro, o mejor todavía

use bicarbonato de sosa.o Quitamanchas.- Disuelva ¼ taza de bórax en 3 tazas de agua fría.

Aplicar con esponja y dejar secar, o mojar la tela con la solución antesde lavarla con jabón y agua fría. Use un producto de limpieza en secoprofesional para las manchas resistentes.

o Limpia-azulejos.- Use polvo abrasivo o bicarbonato de sosa.

• Productos de pinturao Pintura y tintes.- Las pinturas látex y al agua son la mejor elección. Las

pinturas y tintes esmaltados están disponibles al agua. La limpieza norequiere disolventes.

o Pintura para profesionales.- Utilizar una buena ventilación. Nunca seponga la brocha en la boca. La pintura pulverizada es peligrosa si seinhala; por lo tanto, hay que llevar equipo protector o utilizar pinturaspremezcladas.

o Disolventes.- Mantener el disolvente en un bote cerrado hasta que laspartículas de pintura se depositen en el fondo. Separe el líquido limpio yreutilice. Guardar el sedimento de pintura para su recogida.

o Acabados para madera.- Laca, aceite de tung y aceite de linaza sonacabados que se obtienen que se obtienen de fuentes naturales. Lalaca se disuelve con alcohol, los aceites se diluyen con trementina parauna aplicación mejor. Utilice con la ventilación y protección adecuadas.

o Preservantes de madera.- Evite el uso de los que contienen pentaclorofenol,cerosota o arsenio. Cuando sea posible, utilice madera resistente, por ejem-plo utilice madera resistente como cedro o secoya.

• Pesticidas y fertilizanteso Fertilizantes químicos.- El compost, que usted puede elaborar en su

jardín son recortes de césped, residuos de comida y estiércol, es lamejor enmienda de suelo. Otras enmiendas orgánicas incluyen: estiércol,algas, turba, sangre, pescado y harina de huesos.

o Funguicidas.- Quite las hojas y ramas muertas o enfermas. El polvode azufre, pulverizador de azufre y el pulverizador de aceite inactivo(que no contiene cobre) son los productos menos tóxicos para tratarlas enfermedades de las plantas.

o Herbicidas.- Elimine las malas hierbas antes de que produzcansemillas. Utilice mulch (el mulch de alfalfa es bueno) para controlar lasmalas hierbas en el jardín.

o Insecticidas (interiores).- Unas buenas condiciones de higiene en laszonas de preparación de comidas y comedores evitarán los insectos,y la provisión de burletes y calafateos los mantendrán fuera. Para losinsectos andantes, utilice ácido bórico o acrogel de sílice en lasgrietas y agujeros. Para evitar la entrada de moscas, mantener enbuen estado las alambreras de puertas y ventanas. Utilicematamoscas y papel atrapamoscas.

o Insecticidas (jardín).- Lavar las plantas con agua a través demangueras o pulverizadores. Utilice insectos beneficiosos, porejemplo mariquitas y mantis. Cuando existan pocos insectos, tratarcada uno con alcohol de frotar. Una bacteria, B.T. es eficaz contra lasorugas. Los pulverizadores menos tóxicos incluyen: jabón insecticida,piretrina o una disolución casera de ajo/pimentón.

o Insecticidas (animales domésticos).- Pasar la aspiradora confrecuencia y después deshacerse de la bolsa. Utilice un buen peinecontra pulas e introducir las pulgas en agua jabonosa. Algunoscomplementos de la dieta pueden ayudar, por ejemplo levadura decerveza. Utilice jabones o baños naturales o de limoneno.

o Bolsas antipolilla.- Colocar trozos de cedro, bolsitas de alhucema ohierbas secas en cajones o armarios para disuadir a las polillas.

o Matacaracoles y babosas.- Llenar un cazo poco profundo con cervezavieja y colocarlo a nivel del suelo. O para capturar los caracolesdurante el día, dé la vuelta a los tiestos de barro dejando suficienteespacio para que puedan entrar. Los caracoles también se unen a lostablones. Recoger y destruir.

• Productos de automóvilo Anticongelante.- Pueden diluirse pequeñas cantidades e introducirse en el

desagüe conectado al sistema de alcantarillado (no a un foso séptico).

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

116

o Baterías.- Las viejas baterías de coche pueden ser entregadascuando se compra una nueva, o pueden reciclarse a través de unreciclador de baterías.

o Aceite de motor.- El aceite de motor sintético dura más tiempo que elaceite normal; de esta forma, se reduce la cantidad de aceite utilizado.El aceite de motor puede reciclarse en algunos talleres mecánicos.

o Líquido de frenos y transmisiones.- Puede mezclarse con el aceiteusado y reciclarse en algunos talleres mecánicos.

15.9. Cumbre de Río Agenda XXILos siguientes son los pactos e iniciativas más importantes acordados en laconferencia de la ONU sobre el medio ambiente y el desarrollo (Cumbre de laTierra) celebrada en Rio de Janeiro – Brasil, durante los días 3 a 14 de Junio de1992.Convención sobre el calentamiento global: Establece las pautas para regularlas emisiones de gases que se cree causan el calentamiento global.Convención sobre la biodiversidad: Compromete a las naciones signatarias ala protección de las especies en peligro de degradación y la cooperación entecnología genética y biológica. Estados Unidos no firmó éste pacto.Agenda XXI: Esbozo de la estrategia para la limpieza del medio ambiente y delas medidas para propiciar el desarrollo sin afectar el medio ambiente.Declaración sobre los principios forestales: Recomendar la preservación delos bosques de todo el mundo y vigilar el impacto del desarrollo sobre ellos.Declaración sobre el medio ambiente y el desarrollo: Declaración deprincipios que pone énfasis en la coordinación de los problemas económicos yambientales.Comisión del desarrollo sostenible: Creación de una agencia de la ONU en1992 para vigilar el cumplimiento internacional del los tratados sobre el medioambiente.Ayuda Financiera: Alrededor de US $ 6 000 millones anuales para losproyectos “verdes” en el tercer mundo han sido prometidos por las nacionesindustrializadas.

15.10. Ejercicios1. ¿Cuál de las siguientes relaciones contaminante-efecto sobre la salud

humana, es falso:

A. CO – Impide el transporte de oxigeno en la sangre.B. C6H6 – Tóxico con acción cancerígena.C. N2O – Gas hilarante.

D. CO2 – No es tóxico.E. SO3 – Es cancerígeno.

2. ¿Cuál de las relaciones no es verdadero:A. Rayos ultravioleta – Mutación genética y cáncer.B. Oxidos de azufre – Lluvias ácidos.C. Freones – Destrucción de la capa de ozono.D. D.D.T. - Cancerígeno y tóxico.E. Relámpago – No forma ozono.

3. Marque verdadero (V) o falso (F) en las siguientes proposiciones:i. El SO2 y CO son contaminantes primariosii. La gasolina etilénica contiene plomoiii. La principal fuente de contaminación de nuestro planeta es la

industria que utiliza el petróleo como fuente de energía.iv. El aluminio y la urea son biodegradables.

A. VVVF B. VFVF C. FVVF D. VVVV E. FFFF

4. ¿Cuál de las siguientes sustancias que se utiliza para la fabricación de teknoporpuede causar la transformación del ozono en oxigeno en la estratosfera.A. Estireno B. Triclorofluoro carbonoC. Octoato de cobalto D. Peróxido de metiletilketonaE. Alcohol isopropílico

5. De los siguientes enunciados cuáles son verdaderos (V) o falsos (F):a. La acción del agua a los óxidos de azufre que produce las lluvias ácidos

se llama sinergismo.ii. La difusión y la volatilización de una propiedad de los gases y líquidos.iii. Los rayos infrarrojos no son tan nocivos para el hombre.iv. Cuando a las aguas ácidas se agrega lechada de cal se produce una

reacción de neutralización.A. VVVV B. VFVV C. VFFV D. FFVV E. FVFV

6. ¿Cuál de los siguientes pares de sustancias son las que producen la lluviaácida y el efecto de invernadero?A. Cl3FC y CO B. SO2 y CO2 C. SO3 y Cl2D. NO2 y H2S E. NH3 y CH4

7. Indique cuál de las siguientes sustancias no es fácilmente biodegradable:A. Aguas servidas B. Fertilizantes C. InsecticidasD. Detergentes E. Herbicidas.

8. ¿Cuáles son las fuentes principales de emisión natural de SO2 y CO?A. Volcanes B. Pantanos C. Aguas termales

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

117

D. Industria petroquímica E. Plantas metalúrgicas

9. De los siguientes enunciados cuántos son verdaderos:i. El CO es más tóxico que el CO2ii. El NO es más tóxico que el NO2iii. El O2 es menos oxidante que el O3iv. Los contaminantes físicos son más perjudiciales que los químicos.

A. 0 B. 1 C. 2 D. 3 E. 4

10. En ausencia de oxigeno, el carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, y elfosforo de los contaminantes biodegradables, es convertido por bacteriasanaerobias en: CH4, NH3, H2S y PH3, los cuales, contribuyen al olordesagradable de ciertas aguas contaminadas.¿Cómo se clasifican estas sustancias en la atmosfera?

11. ¿Qué sustancias componen los depósitos de Cloro en la atmósfera?

12. ¿Por qué es ácida por naturaleza el agua de lluvia, incluso en ausencia degases contaminantes como el SO3?

13. Escriba ecuaciones químicas que ilustren el ataque de la lluvia ácida sobre:- El Hierro metálico.- La piedra caliza, CaCO3.

14. ¿Por qué la combustión de la hulla libera dióxido de Azufre? ¿Por qué seforma más SO2 que SO3 en éste proceso?

15. Escriba ecuaciones químicas para mostrar la formación de los ácidos apartir de SO2, SO3 y NO2, las cuales constituyen las lluvias ácidas.

16. ¿Qué papel juega el depósito de cloro en la regulación de la rapidez deagotamiento del Ozono en la atmósfera?

17. Las siguientes sustancias: CH4, SO2, NO, y CO se clasifican comocontaminantes primarios de la atmósfera, indique las fuentes naturales yantropogénicas para cada sustancia.

18. Los halones o bromofluorocarbono, se emplean extensamente, comoagente espumante para combatir incendios. Los clorofluorocarbonos seutilizan como aerosoles o gas refrigerante predecir y explicar en qué ordenlos enlaces carbono y halógeno fácilmente pueden fotodisociar en laatmosfera.

19. Los clorofluorocarbonos (CFC) son los responsables de la destrucción de lacapa de ozono, proporcione las fórmulas químicas y los nombres de estoscompuestos.

20. Si el pH de 2 cm. de precipitación pluvial en un área de 400 km2 es de 2.¿Cuántos kilogramos de ácido sulfúrico están presentes, si se supone éstees el único que contribuye el pH?

21. El p-[metilundecil] bencensulfonato de sodio, se encuentra en casi todo losdetergentes supóngase que esta sustancia sufre una descomposiciónaerobia de la siguiente manera:

C18H19O3SNa(ac) + O2(g) CO2(g) + H2SO4(ac) + Na2SO4(ac) + H2O(l)¿Cuál es la masa de oxigeno que se requiere para biodegradar 4 moles deesta sustancia?

22. La masa diaria promedio de oxigeno que consume las aguas residuales quese descargan es de 64 g/persona. ¿Cuántos litros de agua de unaconcentración inicial de 3x10-4 moles/litro de oxigeno se requiere cada díapara una población de 4 5000 habitantes, si el oxigeno se agota totalmente?

23. La concentración media estimada de monóxido de carbono en el aire de unaciudad es de 6 mg/litro. Calcule el número de moléculas de monóxido de carbonoen un litro de aire a una presión de 735 torr y una temperatura de 20 ºC.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

118

TEMA 15

INDUSTRIA QUÍMICA Y AMBIENTE

15.1. La industria química

La industria química es una subdivisión de la industria manufacturera, perodebido a su naturaleza y a la interdependencia de todas las industrias contribuyea casi todos los renglones de la productividad. Por ejemplo, los alimentos,carbohidratos, proteínas y grasas, son productos químicos. Su procesado,conservación y envasado dependen en gran parte de principios químicos.La ropa está hecha de fibras de origen natural, semisintético y sintético. Aun lasfibras naturales requieren colorantes, mordiente y otros productos químicos parasu procesado. El alojamiento también depende de productos químicos que vandesde los inorgánicos como concreto y vidrio hasta los orgánicos, como plásticosestructurales, pinturas y productos para el procesado de la madera. El automóvil,los cohetes y taxis espaciales, no existirían sin los materiales químicos.Las principales mejoras en la salud en los pasados cincuenta años se hanlogrado gracias al desarrollo de los agentes quimioterapéuticos y lasenfermedades infecciosas, tales como la tuberculosis y la neumonía han sidoprácticamente erradicadas en países desarrollados mediante el uso deantibióticos, que son productos químicos.Las actividades recreativas también han sido influenciadas por la químicamoderna. El esquiador se beneficia con esquís de fibra de vidrio y resina epoxi,así como con botas de poliuretano.El hecho de que la química también haya contribuido a la guerra moderna y quelas armas atómicas hagan de la extinción total de la humanidad una posibilidadno muy lejana, muestran que el uso de la tecnología (que incluye a la química)requiere un uso juicioso.

15.2. Características de la industria químicaa. Rápido crecimiento

Crecimiento en la industria química para 1984 – 1994Japón 11.7%Europa 9,7%Estados Unidos de Norteamérica 8.0%Reino Unido 5.7%

b. Investigación y desarrollo (I y D)La Industria Química requiere investigación intensa, un gasto de tres a cuatropor ciento se considera normal. Las compañías que fabrican productos químicosinorgánicos gastan menos; las compañías farmacéuticas y aquellas queproducen especialidades químicas gastan más.La mayoría de la investigación se dedica a mejorar los productos y se encuentraconfinada a países con infraestructura social y económica necesaria.De las cien compañías químicas más grandes del mundo (en 1986), 55 eranamericanas, y otras estaban repartidas entre Japón (12), Alemania (10), ReinoUnido (6), Francia (5), Italia (4) Suiza (3) y Holanda (3).

c. CompetenciaEl comercio de productos químicos es internacional. La competencia ocurreporque existen diferentes procedimientos y distintas materias primas parafabricar un producto químico determinado y un solo producto rara vez domina elmercado.

d. Intensidad de capital y economía en escalaLa industria química requiere mucho capital.

e. Obsolescencia de equipoSe debe a que el ritmo de los cambios tecnológicos ha sustituido procesos viejospor nuevos aumentando el tamaño de la planta.

f. Libertad de acceso del mercadoCualquiera que desee producir productos químicos en gran cantidad, lo puedehacer comprando plantas en paquete de compañías de ingeniería química. Unobstáculo es la cuota de entrada, si no se tienen unos cuantos cientos demillones de dólares para invertir, no se puede recomendar el iniciar la fabricaciónde productos químicos en gran escala.Entonces, la entrada al mercado de los productos químicos es libre en el sentidoque no hay barreras. No obstante, es tan caro que sólo algunos gobiernos,compañías petroleras y otras empresas gigantes pueden disponer el capitalnecesario.

g. Abundancia o carenciaEl mercado es cíclico y oscila como un péndulo de abundancia a escasez ynuevamente a abundancia.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

119

h. Comercio InternacionalLa facilidad de transporte y homogeneidad de los productos dan lugar a un grancomercio internacional de productos químicos.

i. Fases críticas y de penetración de mercadosLa industria química es crítica para la economía de una nación desarrollada. Enel Siglo XIX el desarrollo de una nación se podía medir por su producción deácido sulfúrico. En la actualidad se puede utilizar en forma similar la producciónde etileno como medida de complejidad industrial.Una economía avanzada no puede existir sin una industria química; tampocouna industria química puede existir sin una economía avanzada.La industria química no es reemplazable. Es una industria dinámica einnovadora. Muchos problemas que se refieren a la contaminación, recursos deenergía y escasez de materias primas han sido detectados y seguidos pormétodos químicos y la química desempeñará una función importante en susolución.

15.3. Productos químicos que se obtienen a partir del gas natural, petróleoy otras fuentesLas fuentes de productos químicos orgánicos son:- Gas natural y petróleo –90% de productos.- Carbón: acetileno y gas de agua.- Grasas y aceites: ácidos grasos, nitrógenos grasos.- Carbohidratos: celulosa, fermentación.

15.3.1. Destilación del petróleoEn una refinería se separan del petróleo crudo (líquido pegajoso y viscoso deolor desagradable) diversas fracciones mediante destilación según la siguientefigura.

Gases, punto deebullición 20ºC

CH4, C2H6, C3H8,C4H10 – Semejantes algas natural y útilescomo combustibles yproductos químicos. Noobstante, la mayor partesuele quemarse porquese recuperación4 escostosa.

Nafta ligera(gasolina) p.e. =20 – 150ºC

Nafta pesada p.e.=150-150ºC

En su mayoríacompuestos C4 – C10alifáticos ycicloalifáticos. Puedentener algunosaromáticos. Empleadocomo combustible yproductos químicos.

Querosenop.e.=150–200ºC

Tiene compuestos C9– C16 útiles comocombustibles paraaviones de propulsióna chorro, tractores ycalefacción.

CrudoGasóleop.e.=175-275ºC

Tiene compuestosC15 – C25 empleadoscomo diesel y paracalefacción. Cada vezcon mayor frecuenciase emplea comomateria prima para laobtención de olefinaspor desintegración.

Aceiteslubricantes p.e.=> 350ºC

Se emplean paralubricación. Por elproceso dedesintegracióncatalítica se puedenobtener fraccionesmás ligeras.

Torre

de

fraccionamiento

Aceitescombustiblespesados p.e.=>350ºC

Combustible paracalderas. Por elproceso dedesintegracióncatalítica se puedenobtener fraccionesmás ligeras.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

120

CRUDO

AsfaltoSe emplea enpavimentación,recubrimientosaplicacionesestructurales.

La obtención de productos químicos a partir del petróleo está íntimamenteasociada a la obtención de gasolina y otros combustibles. La industria químicaconsume alrededor del 10% de materia prima, sin embargo puede competir conéxito debido al valor agregado, según la siguiente relación:

Forma de petróleo Valor del petróleo

Como petróleo crudo X

Como combustible 2X

Como producto petroquímico (promedio) 13X

Como producto de consumo (promedio) 55X

Materia prima por la que compiten productos químicos y combustibles

Combustibles Productos químicos

Metano Principal componente delgas natural

Fuente de obtencióndel gas de síntesis,CO + H2; amoniaco

Etano Eleva el contenido de Btudel gas para calefacción

Propano y Butano Base del gas licuado depetróleo (GLP)

Propileno Empleado en reaccionesde alquilación parareparar hidrocarburos decadena ramificada de altooctanaje.

Fuente de obtenciónde etileno, propilenoy butilenos

Butileno Igual que el propileno

Benceno, tolueno yxilenos

Se emplean para elevarel octanaje de lagasolina.

Material inicial paraproductos químicos ypolímeros

15.3.2. Separación del gas naturalEl gas natural contiene cantidades recuperables de metano, etano, propano yalcanos superiores. En la cabeza del pozo el gas se encuentra a altas presiones(30 – 100 Pa).´El metano, principal componente del gas natural se usa para obtener gas desíntesis. El gas licuado de petróleo consta de propano y butano que podríanemplearse para obtener propileno y butileno.

15.4. Tecnologías limpiasLas tecnologías limpias son una opción amigable con el ambiente que permitenreducir la contaminación en el ambiente natural y la generación de desechos,además de aumentar la eficiencia del uso de recursos naturales como el agua yla energía. Permitiendo generar beneficios económicos, optimizando costos ymejorando la competitividad de los productos.El uso de tecnologías limpias representa una opción técnica, económica yambientalmente apropiada que contribuye al desarrollo sostenible de lasempresas, y el país en general.

15.5. Contaminantes químicos y sus fuentes y riesgos potencialesComo fuente de emisión o fuente generadora de contaminantes debemosentender el origen físico o geográfico donde se produce una emisióncontaminante al ambiente, ya sea el aire, el agua o el suelo.Estas fuentes de emisión se clasifican en móviles y fijas, según muestranpresencia o ausencia de movilidad dentro de un área determinada durante laemisión de los contaminantes. Las fuentes pueden ser naturales y de diferentesprocesos productivos del hombre (fuentes atropogénicas) que conforman lasactividades de la vida diaria.Las fuentes que generan contaminación de origen antropogénico másimportantes son: industriales, comerciales, agrícolas, domésticas.

15.5.1. Contaminantes de la atmósferaLas sustancias que se encuentran en la atmósfera tal como fueron emitidas seconocen como contaminantes primarios (H2S, NO, NH3, CO, HC, halógenos) y,como contaminantes secundarios del aire, son aquellos contaminantes queresultan de la interacción de los contaminantes primarios entre sí, estos son:bióxido de nitrógeno, ácido sulfuroso, cetonas y aldehídos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

121

Contaminantes primarios, efectos y fuentes

Contaminante Efecto en la salud Principales fuentes

Monóxido de CarbonoCO

Impide el transporte deoxígeno en la sangre.Causa daños en lossistemas nervioso central ycardiovascular.

Uso de combustiblesfósiles.

Bióxido de azufre, SO2 ,Trióxido de azufre, SO3

Cardiovasculares yrespiratorias.

Combustión de carbón ypetróleo que contieneazufre.

Bióxido de nitrógeno,NO2, Monóxido denitrógeno, NO

Tracto respiratorio alto ybajo.

Plantas generadoras deenergía eléctrica.(Combustión a altatemperatura decombustibles fósiles).

Hidrocarburos nosaturados y aromáticos

Algunos tienen propiedadescancerígenas,teratogénicas mutagénicas.

Uso de petróleo, gasnatural y carbón.

Macropartículas- sólidas- líquidas

Respiratorio,gastrointestinal, sistemanervioso central, renal, etc.

Actividades industriales,de transporte, decombustión y causasnaturales.

Bióxido de carbono No existen pruebas de quesea tóxico comocontaminante. Losproblemas respiratorios ydel sistema nervioso centralson consecuencia deproblemas internos ysistemáticos del organismo.

Sobreutilización decombustibles fósiles ycarbón.

Monóxido de carbonoEs un producto del uso de combustibles fósiles. Se forma por la combustiónincompleta de carbono o de sus compuestos.

2C (s)+ O2 (g) → 2CO (g)

Efectos del monóxido de carbono en la salud

HbCO(%) Efecto

Menos de 1,0 Ningún efecto aparente.

1,0 – 2,0 Efectos en la conducta.

2,0 – 5,0 Efectos en el sistema nervioso central:incapacidad para determinar o distinguirintervalos de tiempo, fallas en la agudeza visual,en la discriminación de la brillantez y algunasotras funciones motoras.

Más de 5,0 Cambios funcionales cardiacos y pulmonares

10,0 – 80,0 Dolores de cabeza, fatiga, somnolencia, coma,falla respiratoria, muerte.

Dióxido de azufre, SO2

Es un contaminante primario que se produce en la combustión de carbón ypetróleo que contienen azufre:

S(combustibles) + O2 → SO2

El SO2 también se produce en la refinación de ciertos minerales que sonsulfuros:

2PbS(s) + 3O2 (g) → 2PbO(s) + 2SO2 (g)

El SO2 es el contaminante del aire derivados el azufre más importante; sinembargo, algunos procesos industriales emiten trióxido de azufre, SO3, el cualse forma en la atmósfera en pequeñas cantidades debido a la reacción entre elSO2 y el oxígeno:

2SO2 (g) + O2 (g) → 2SO3 (g)

Fuentes de óxidos de azufre

Fuente Porcentaje del total anualde emisiones de SOx

Transporte 2,4

Combustión de productos energéticos (fuentesestacionarias, plantas de energía, calefacción deespacios industriales, etc.)

73,5

Procesos industriales (calcinación de minerales desulfuro)

22,0

Eliminación de desechos sólidos diversos 0,3

Diversos 1,8

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

122

Efectos de los óxidos de azufrePueden inhibir el crecimiento de las plantas y ser letales para algunas de ellas.

Efectos tóxicos del SO2 para el hombre

Concentración(partes por millón)

Efectos

1 – 6 Broncoconstricción

3 – 5 Concentración mínima detectable por elolfato

8 – 12 Irritación de la garganta

20 Irritación en los ojos y tos

50 - 100 Concentración máxima para una exposicióncorta (30 min.)

400 - 500 Puede ser mortal, incluso en una exposiciónbreve.

Los SOx se eliminan del aire mediante su conversión en H2SO4 y sulfatos (SO42-

). En esta forma terminan depositándose sobre la tierra o en el mar.

Óxidos de nitrógeno, NOxEl monóxido (NO) u óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno (NO2) soncontaminantes primarios del aire. El NO, es un gas incoloro e inodoro, en tantoque el NO2 es un gas de color rojizo, de olor fuerte y asfixiante parecido al delcloro.El NO se forma en el aire mediante la reacción:

N2 (g) + O2 (g) → 2NO(g)

Esta reacción ocurre a altas temperaturas durante el uso de combustiblesfósiles.El NO2 se forma por la reacción:

2NO(g) + O2 (g) → 2NO2 (g)

Fuentes de óxido de nitrógeno

Fuente Porcentaje del total anualde emisiones de NOx

Transporte 39,3

Combustión de productosenergéticos (fuentes estacionarias,plantas de energía, calefacción deespacios industriales)

48,5

Procesos industriales (plantas deácido nítrico, etc.)

1,0

Diversos (incendios forestales,quema agrícola, etc.)

8,3

Los óxidos de nitrógeno participan en la formación de contaminantessecundarios del aire. La mayoría de los NOx se convierten finalmente en ácidonítrico, (HNO3) y nitratos, (NO3

-). En esta forma se depositan sobre la tierra o enel mar como consecuencia de las lluvias o se sedimentan como macropartículas.

Efectos del NO2 en la salud

Concentración (partespor millón) – ppm(mg/L)

Efecto

1 – 3 Concentración mínima que sedetecta por el olfato

13 Irritación de nariz, garganta y ojos

25 Congestión y enfermedadespulmonares

100 – 1 000 Puede ser mortal, incluso tras unaexposición breve.

Reducción de la contaminación atmosférica- Cambio en el método de operación de motores- Sustitución de combustibles de alto contenido de azufre

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

123

- Alteración de la forma de los contaminantes. Por ejemplo, el carbónpulverizado desprende menos hollín que el carbón sólido, alteración dela eficiencia del equipo.

Reducción de la contaminación atmosférica

Contaminante Medidas

Separadores mecánicos por fuerza de gravedad ocentrífuga.

Precipitadores electrostáticos.

Filtros de tela.

Partículas

Lavadores húmedos.

Lavadores húmedos.

Incineración.

Oxidación o combustión catalítica.

Gases

Sustitución de las fuentes de energía: batería eléctrica envez de combustión, vapor y gas natural.

Dispositivos anticontaminantes- Dispositivos de depósito que eliminan partículas sólidas de los gases- Dispositivos de recolección de partículas, mecanismo de centrifugación,

filtros y precipitadores electrostáticos que separan las partículas de losgases.

15.6. Características de los contaminantes

Potencial de hidrógeno, pHDetermina si la sustancia es corrosiva; de ser así se le suele considerar comoresiduo peligroso. Para que una sustancia se pueda considerar corrosiva, debetener un pH menor o igual a 2,0 y mayor o igual a 12,5.

VolatilidadEs la propiedad que poseen algunos compuestos de poder evaporarse a bajastemperaturas y afectar la atmósfera. Entre los compuestos volátiles seencuentran las sustancias orgánicas como el etileno, propileno, benceno y la

acetona, que se evaporan y contribuyen directamente a la contaminación delaire, o a través de reacciones químicas o fotoquímicas para producir compuestossecundarios.

DegradabilidadEs la característica que tienen los compuestos que son reducidos por agentesnaturales físicos, químicos y procesos biológicos a un estado neutral o a nivelesaceptables por la naturaleza. Si el compuesto es reducido por materia orgánicaviva (bacterias especializadas), se le conoce como biogradable.

DifusiónEs la capacidad que poseen los contaminantes de poder distribuirseuniformemente en el medio que los rodea. Los gases tienen la propiedad de quepueden mezclar las moléculas, sin necesidad de que exista una reacciónquímica. Los líquidos sumergidos en un solvente tienen la capacidad dedistribuirse en todo el volumen del mismo.

Tiempo de vida mediaEs el tiempo que puede durar el contaminante en el medio ambiente antes deser degradado por los procesos naturales. Esta propiedad es diferente para cadatipo de compuesto; algunos tienen un tiempo de vida media menor a un día,mientras que otras sustancias nunca son degradadas por los procesos naturales.

Por sus propiedades, algunos elementos o compuestos químicos no producenningún efecto adverso sobre el medio ambiente, o bien, el daño es mínimo y seve minimizado por los mismo procesos naturales. El daño que pueden generarse debe a la mezcla con otros compuestos, la mezcla de sustancias se puedeclasificar en:Sinergismo.- Se entiende como sinergismo a la acción del aumento de losefectos de un contaminante a causa de la introducción o presencia de otro. Elefecto total de esta interacción es superior a la suma de los efectos de cada unode los contaminantes por separado. El vapor de agua en presencia de óxidos deazufre, reacciona para producir la lluvia ácida.Antagonismo.- Se refiere a la interacción de dos o más contaminantes, quetienen efectos opuestos en un ecosistema determinado, de tal manera, que unode ellos reduce parcialmente el efecto del otro.Efectos multiplicativos.-Es la acción que tienen algunos contaminantes que alinteraccionar producen un efecto exponencialmente mayor que si actuaran demanera individual.Neutralización.- Es el resultado que se obtiene cuando al interactuar doscontaminantes, reducen en su totalidad sus efectos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

124

15.7. Sustancias químicas no biodegradablesSon aquellos compuestos que no son reducidos por agentes naturales físicos,químicos y procesos biológicos a un estado neutral o a niveles aceptables por lanaturaleza.

15.8. Materiales como medios no contaminantesPara el control de los residuos prohibidos se recomienda usar los siguientessustitutos como alternativa a los productos domésticos tóxicos.• Limpiadores domésticos

o Aerosoles.- Elegir recipientes no-aerosol, como pulverizadores deacción bomba, de presión manual, o recipientes de bola.

o Limpiadores multiuso.- Mezclar un litro de agua tibia con unacucharadita de bórax, desinfectante o jabón líquido. Añadir un poco delimón o vinagre. Nunca mezcle amoniaco con lejía o cloro.

o Ambientadores.- Abrir ventanas y puertas y usar ventiladores. Colocaruna caja con bicarbonato de sosa en los armarios y frigorífico. Cocerclavo y canela en agua hirviendo. Las plantas para interiores ayudan alimpiar el aire y las cestas de hierbas proporcionan un olor agradable.

o Lejía de cloro.- Utilice bórax o bicarbonato de sosa para blanquear. Elbórax es bueno contra la grasa y es desinfectante. Si usted utiliza lejía,elija una lejía seca, no de cloro. Nunca debe mezclar la lejía de clorocon amoniaco o limpiadores de tipo ácido.

o Quitaolores.- Para alfombras, mezcle una parte de bórax con dos partesde harina de maíz, espolvorear libremente; aspire después de una hora.Para camas de gatos, espolvorear bicarbonato de sosa en la caja antesde añadir las piedras.

o Desinfectantes.- Utilice ½ taza de bórax en 4 litros de agua caliente.Para inhibir moho, no debe aclararse la solución de bórax.

o Desatascador.- Para evitar atascos, utilice un filtro en cada desagüe.Vierta agua hirviendo por el drenaje una vez a la semana. Paradesatascar, utilice un desatascador de goma o una serpiente metálica.

o Limpiador de suelos.- Para suelos de plástico, mezcle ½ taza devinagre blanco con 4 litros de agua tibia. Pula con agua o soda. Parasuelos de madera, mezcle ¼ taza de jabón de aceite con 4 litros deagua tibia.

o Cera para muebles.- Disuelva una cucharadita de aceite de limón en unlitro de aceite mineral. O utilice jabón de aceite para limpiar y un pañosuave para sacar el brillo. Frotar los muebles de madera con pasta dedientes para quitar las manchas de agua.

o Limpiacristales.- Mezclar ¼ de taza de vinagre blanco en un litro deagua tibia, aplicar sobre el cristal y frotar con papel de periódico.

o Quitamoho.- Frotar las manchas de moho con bicarbonato de sosa ocon una esponja empapada en vinagre blanco. Para la cortina de laducha, lavar con ½ taza de jabón y ½ taza de bicarbonato de sosa,añadir una taza de vinagre blanco para aclarar.

o Limpiahornos.- Mezclar 3 cucharaditas de sosa con un litro de aguatibia. Aplicar con pulverizador, esperar veinte minutos, después lavar.Para las manchas duras, frotar con lana de acero fina (0000) ybicarbonato de sosa.

o Limpia-alfombras y tapicerias.- Use un limpiador con jabón no aerosol.o Polvo abrasivo.- Use una marca que no contenga cloro, o mejor todavía

use bicarbonato de sosa.o Quitamanchas.- Disuelva ¼ taza de bórax en 3 tazas de agua fría.

Aplicar con esponja y dejar secar, o mojar la tela con la solución antesde lavarla con jabón y agua fría. Use un producto de limpieza en secoprofesional para las manchas resistentes.

o Limpia-azulejos.- Use polvo abrasivo o bicarbonato de sosa.

• Productos de pinturao Pintura y tintes.- Las pinturas látex y al agua son la mejor elección. Las

pinturas y tintes esmaltados están disponibles al agua. La limpieza norequiere disolventes.

o Pintura para profesionales.- Utilizar una buena ventilación. Nunca seponga la brocha en la boca. La pintura pulverizada es peligrosa si seinhala; por lo tanto, hay que llevar equipo protector o utilizar pinturaspremezcladas.

o Disolventes.- Mantener el disolvente en un bote cerrado hasta que laspartículas de pintura se depositen en el fondo. Separe el líquido limpio yreutilice. Guardar el sedimento de pintura para su recogida.

o Acabados para madera.- Laca, aceite de tung y aceite de linaza sonacabados que se obtienen que se obtienen de fuentes naturales. Lalaca se disuelve con alcohol, los aceites se diluyen con trementina parauna aplicación mejor. Utilice con la ventilación y protección adecuadas.

o Preservantes de madera.- Evite el uso de los que contienen pentaclorofenol,cerosota o arsenio. Cuando sea posible, utilice madera resistente, por ejem-plo utilice madera resistente como cedro o secoya.

• Pesticidas y fertilizanteso Fertilizantes químicos.- El compost, que usted puede elaborar en su

jardín son recortes de césped, residuos de comida y estiércol, es la

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

125

mejor enmienda de suelo. Otras enmiendas orgánicas incluyen: estiércol,algas, turba, sangre, pescado y harina de huesos.

o Funguicidas.- Quite las hojas y ramas muertas o enfermas. El polvode azufre, pulverizador de azufre y el pulverizador de aceite inactivo(que no contiene cobre) son los productos menos tóxicos para tratarlas enfermedades de las plantas.

o Herbicidas.- Elimine las malas hierbas antes de que produzcansemillas. Utilice mulch (el mulch de alfalfa es bueno) para controlar lasmalas hierbas en el jardín.

o Insecticidas (interiores).- Unas buenas condiciones de higiene en laszonas de preparación de comidas y comedores evitarán los insectos,y la provisión de burletes y calafateos los mantendrán fuera. Para losinsectos andantes, utilice ácido bórico o acrogel de sílice en lasgrietas y agujeros. Para evitar la entrada de moscas, mantener enbuen estado las alambreras de puertas y ventanas. Utilicematamoscas y papel atrapamoscas.

o Insecticidas (jardín).- Lavar las plantas con agua a través demangueras o pulverizadores. Utilice insectos beneficiosos, porejemplo mariquitas y mantis. Cuando existan pocos insectos, tratarcada uno con alcohol de frotar. Una bacteria, B.T. es eficaz contra lasorugas. Los pulverizadores menos tóxicos incluyen: jabón insecticida,piretrina o una disolución casera de ajo/pimentón.

o Insecticidas (animales domésticos).- Pasar la aspiradora confrecuencia y después deshacerse de la bolsa. Utilice un buen peinecontra pulas e introducir las pulgas en agua jabonosa. Algunoscomplementos de la dieta pueden ayudar, por ejemplo levadura decerveza. Utilice jabones o baños naturales o de limoneno.

o Bolsas antipolilla.- Colocar trozos de cedro, bolsitas de alhucema ohierbas secas en cajones o armarios para disuadir a las polillas.

o Matacaracoles y babosas.- Llenar un cazo poco profundo con cervezavieja y colocarlo a nivel del suelo. O para capturar los caracolesdurante el día, dé la vuelta a los tiestos de barro dejando suficienteespacio para que puedan entrar. Los caracoles también se unen a lostablones. Recoger y destruir.

• Productos de automóvilo Anticongelante.- Pueden diluirse pequeñas cantidades e introducirse en el

desagüe conectado al sistema de alcantarillado (no a un foso séptico).o Baterías.- Las viejas baterías de coche pueden ser entregadas

cuando se compra una nueva, o pueden reciclarse a través de unreciclador de baterías.

o Aceite de motor.- El aceite de motor sintético dura más tiempo que elaceite normal; de esta forma, se reduce la cantidad de aceite utilizado.El aceite de motor puede reciclarse en algunos talleres mecánicos.

o Líquido de frenos y transmisiones.- Puede mezclarse con el aceiteusado y reciclarse en algunos talleres mecánicos.

15.9. Cumbre de Río Agenda XXILos siguientes son los pactos e iniciativas más importantes acordados en laconferencia de la ONU sobre el medio ambiente y el desarrollo (Cumbre de laTierra) celebrada en Rio de Janeiro – Brasil, durante los días 3 a 14 de Junio de1992.Convención sobre el calentamiento global: Establece las pautas para regularlas emisiones de gases que se cree causan el calentamiento global.Convención sobre la biodiversidad: Compromete a las naciones signatarias ala protección de las especies en peligro de degradación y la cooperación entecnología genética y biológica. Estados Unidos no firmó éste pacto.Agenda XXI: Esbozo de la estrategia para la limpieza del medio ambiente y delas medidas para propiciar el desarrollo sin afectar el medio ambiente.Declaración sobre los principios forestales: Recomendar la preservación delos bosques de todo el mundo y vigilar el impacto del desarrollo sobre ellos.Declaración sobre el medio ambiente y el desarrollo: Declaración deprincipios que pone énfasis en la coordinación de los problemas económicos yambientales.Comisión del desarrollo sostenible: Creación de una agencia de la ONU en1992 para vigilar el cumplimiento internacional del los tratados sobre el medioambiente.Ayuda Financiera: Alrededor de US $ 6 000 millones anuales para losproyectos “verdes” en el tercer mundo han sido prometidos por las nacionesindustrializadas.

15.10. Ejercicios1. ¿Cuál de las siguientes relaciones contaminante-efecto sobre la salud

humana, es falso:

A. CO – Impide el transporte de oxigeno en la sangre.B. C6H6 – Tóxico con acción cancerígena.C. N2O – Gas hilarante.D. CO2 – No es tóxico.E. SO3 – Es cancerígeno.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

126

2. ¿Cuál de las relaciones no es verdadero:A. Rayos ultravioleta – Mutación genética y cáncer.B. Oxidos de azufre – Lluvias ácidos.C. Freones – Destrucción de la capa de ozono.D. D.D.T. - Cancerígeno y tóxico.E. Relámpago – No forma ozono.

3. Marque verdadero (V) o falso (F) en las siguientes proposiciones:v. El SO2 y CO son contaminantes primariosvi. La gasolina etilénica contiene plomovii. La principal fuente de contaminación de nuestro planeta es la

industria que utiliza el petróleo como fuente de energía.viii. El aluminio y la urea son biodegradables.

A. VVVF B. VFVF C. FVVF D. VVVV E. FFFF

4. ¿Cuál de las siguientes sustancias que se utiliza para la fabricación de teknoporpuede causar la transformación del ozono en oxigeno en la estratosfera.A. Estireno B. Triclorofluoro carbonoC. Octoato de cobalto D. Peróxido de metiletilketonaE. Alcohol isopropílico

5. De los siguientes enunciados cuáles son verdaderos (V) o falsos (F):a. La acción del agua a los óxidos de azufre que produce las lluvias ácidos

se llama sinergismo.ii. La difusión y la volatilización de una propiedad de los gases y líquidos.iii. Los rayos infrarrojos no son tan nocivos para el hombre.iv. Cuando a las aguas ácidas se agrega lechada de cal se produce una

reacción de neutralización.A. VVVV B. VFVV C. VFFV D. FFVV E. FVFV

6. ¿Cuál de los siguientes pares de sustancias son las que producen la lluviaácida y el efecto de invernadero?A. Cl3FC y CO B. SO2 y CO2 C. SO3 y Cl2D. NO2 y H2S E. NH3 y CH4

7. Indique cuál de las siguientes sustancias no es fácilmente biodegradable:A. Aguas servidas B. Fertilizantes C. InsecticidasD. Detergentes E. Herbicidas.

8. ¿Cuáles son las fuentes principales de emisión natural de SO2 y CO?A. Volcanes B. Pantanos C. Aguas termalesD. Industria petroquímica E. Plantas metalúrgicas

9. De los siguientes enunciados cuántos son verdaderos:

i. El CO es más tóxico que el CO2ii. El NO es más tóxico que el NO2iii. El O2 es menos oxidante que el O3iv. Los contaminantes físicos son más perjudiciales que los químicos.

A. 0 B. 1 C. 2 D. 3 E. 4

10. En ausencia de oxigeno, el carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, y elfosforo de los contaminantes biodegradables, es convertido por bacteriasanaerobias en: CH4, NH3, H2S y PH3, los cuales, contribuyen al olordesagradable de ciertas aguas contaminadas.¿Cómo se clasifican estas sustancias en la atmosfera?

11. ¿Qué sustancias componen los depósitos de Cloro en la atmósfera?

12. ¿Por qué es ácida por naturaleza el agua de lluvia, incluso en ausencia degases contaminantes como el SO3?

13. Escriba ecuaciones químicas que ilustren el ataque de la lluvia ácida sobre:- El Hierro metálico.- La piedra caliza, CaCO3.

14. ¿Por qué la combustión de la hulla libera dióxido de Azufre? ¿Por qué seforma más SO2 que SO3 en éste proceso?

15. Escriba ecuaciones químicas para mostrar la formación de los ácidos apartir de SO2, SO3 y NO2, las cuales constituyen las lluvias ácidas.

16. ¿Qué papel juega el depósito de cloro en la regulación de la rapidez deagotamiento del Ozono en la atmósfera?

17. Las siguientes sustancias: CH4, SO2, NO, y CO se clasifican comocontaminantes primarios de la atmósfera, indique las fuentes naturales yantropogénicas para cada sustancia.

18. Los halones o bromofluorocarbono, se emplean extensamente, comoagente espumante para combatir incendios. Los clorofluorocarbonos seutilizan como aerosoles o gas refrigerante predecir y explicar en qué ordenlos enlaces carbono y halógeno fácilmente pueden fotodisociar en laatmosfera.

19. Los clorofluorocarbonos (CFC) son los responsables de la destrucción de lacapa de ozono, proporcione las fórmulas químicas y los nombres de estoscompuestos.

__________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________

127

20. Si el pH de 2 cm. de precipitación pluvial en un área de 400 km2 es de 2.¿Cuántos kilogramos de ácido sulfúrico están presentes, si se supone éstees el único que contribuye el pH?

21. El p-[metilundecil] bencensulfonato de sodio, se encuentra en casi todo losdetergentes supóngase que esta sustancia sufre una descomposiciónaerobia de la siguiente manera:

C18H19O3SNa(ac) + O2(g) CO2(g) + H2SO4(ac) + Na2SO4(ac) + H2O(l)¿Cuál es la masa de oxigeno que se requiere para biodegradar 4 moles deesta sustancia?

22. La masa diaria promedio de oxigeno que consume las aguas residuales quese descargan es de 64 g/persona. ¿Cuántos litros de agua de unaconcentración inicial de 3x10-4 moles/litro de oxigeno se requiere cada díapara una población de 4 5000 habitantes, si el oxigeno se agota totalmente?

23. La concentración media estimada de monóxido de carbono en el aire de unaciudad es de 6 mg/litro. Calcule el número de moléculas de monóxido de carbonoen un litro de aire a una presión de 735 torr y una temperatura de 20 ºC.