Unidad 1. LEYES PONDERALES Y VOLUMÉTRICAS Y MEDIDA DE LA CANTIDAD EN QUÍMICA. 1. Leyes de las reacciones químicas. Ley de conservación de la masa, ley de las proporciones constantes. 2. Teoría atómica de Dalton y explicación de las leyes ponderales. 3. Leyes Volumétricas: ley de Gay-Lussac y ley de Avogadro. 4. El establecimiento de una escala de masas atómicas. 5. Fórmulas y composición química. Determinación de la fórmula empírica y molecular de un compuesto. 6. Masas atómicas. Cantidad de sustancia: el mol. Masa molar. 7. Ecuación general de los gases. Volumen molar de los gases. Mezclas de gases: ley de Dalton. Concepto de presión parcial. 8. Expresión de la composición de una disolución: porcentaje en peso, en volumen, molaridad, molalidad, fraccion molar, normalidad 9. Cálculos basados en la estequiometría de las reacciones químicas: reactivo limitante, rendimiento, etc. 1. LEYES DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA, LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES. Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. Antoine Laurente Lavoisier (1743-1794), publicó en 1789 el Traité élémentaire de chimie donde incluía la ley que lleva su nombre y que textualmente dice: “Nada se crea...y por tanto en todo proceso (químico) hay una cantidad igual de materia antes y después del mismo”. Dicho de otra manera: “En un sistema cerrado (sin intercambios de masa con el exterior) la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos de la reacción.” Observación: Esta ley puede cuestionarse si vemos la oxidación de un metal (formación de óxido) o la combustión de un trozo de madera donde parece que se crea o desaparece masa. Pero, teniendo en cuenta que los sistema deben ser cerrados, vemos que si se cumple, pues el oxígeno del aire hace que se forme el óxido, y los gases que se evaporan en la combustión también son parte de la reacción. Limitación: Hoy en día, después de admitir la relación existente entre masa y energía propuesta por Einstein, E = m . c2 (masa y energía son dos estados de un mismo ente, la masa en una concentración de energía), debería de hablarse de una única ley de conservación de la energía y de la masa y no una ley de conservación de la masa por un lado y otra de conservación de la energía por otro. En el caso que nos ocupa, la reacciones químicas, la variación de masa debido a la energía de la reacción es del orden de 0,000000001 gr (10 -9gr). Dado que las balanzas más precisas que existen en la actualidad llegan a medir 0,000001 gr, es obvio que para las reacciones químicas podemos seguir hablando de conservación de la masa, pues su variación es inapreciable y por tanto insignificante. Se considera a Lavoisier como el padre de la Química, pues pasó de un lenguaje cualitativo (propio de la alquimia) a un lenguaje cuantitativo, propio de las ciencias experimentales, gracias a la utilización de la balanza. Lagranje, después de que Lavoisier muriera en la gillotina, dijo de él: “Ha bastado un momento para cortarle la cabeza, pero no se producirá otra igual en todo este siglo”. Ley de las proporciones definidas o Ley de Proust Louis Joseph Proust (1754-1826) propuso en 1801 la siguiente ley: “Cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto lo hacen siempre en las mismas proporciones” Estas proporciones son en peso, no en átomos Ej: en el agua hay siempre un 11,1% de H y un 98,9% de oxígeno Na + Cl NaCl m(Na) /m(Cl) =23 / 35,5 = 1 / 1,5. H2 + ½O2 H2O m(H) / m(O) = 2 /16 = 1 / 8 Limitaciones: La existencia de isótopos, por ejemplo del hidrógeno (H11; D12; T13), hace que se puedan preparar agua protónica (H2O) y agua pesada (D2O), donde las proporciones de H y O son 11,19% y 88,81% para el agua protónica y 25,09% y 74,91% para el agua pesada.. Sin embargo esto no es un gran problema debido a dos razones: En una combinación química normal los elementos intervienen en una composición isotópica fija, con lo cual, la desviación de la ley es mínima es sólo sensible en el caso de hidrógeno. Es un hecho comprobado que existen un conjunto de compuestos, sobre todo de tipo iónico cuya composición es variable, dependiendo de las condiciones de formación. Estos compuestos se llaman no estequiométricos o Bertólidos (Berthollet). Dadao que el número de compuestos bertólidos es mínimo, se puede considerar que esta ley sigue siendo válida. Ley de las proporciones múltiples o Ley de Dalton Joseph Dalton, en 1805 dedujo la siguiente ley: “Las cantidades de un elemento que se combinan con una misma cantidad de otro elemento, para dar varios compuestos diferentes, guardan entre sí una relación de números enteros sencillos”. Ejemplo. Óxidos del nitrógeno Sustancia Cantidad de oxígeno Cantidad de nitrógeno Relación m (N) / m (O) N2O 28 16 16/16 = 1 N2O3 28 48 48/16 = 3 N2O5 28 80 80/16 = 5 Limitaciones: Esta leyes prácticamente inaplicable a los compuestos orgánicos. Por ejemplo, en el metano (CH4) se combinana 12,012 gr de C con 4,032 gr de H y en el C18H38 se conbinan 12,01 gr de carbono con 2,128 de H.. 4,032/2,128 = 1,895 número que no es entero, y no cumple esta ley. Curiosidad: La discromatopsía enfermedad que consiste en no distinguir bien los colores fue estudiada por Dalton con exhaustividad, pues el padecía esa enfermedad. De ahí que dicha enfermedad se llame actualmente Daltonismo. Ley de la proporciones recíprocas o Ley de los pesos de combinación o Ley de Richter. Benjamin Jeremías Richter (1762-1807), propuso su ley en 1790: “Las masas de diferentes elementos que se combinan con la misma masa de otro elemento dado, son iguales (o múltiplos o submúltiplos) a las masas con que los primeros elementos se combinan entre sí”. ó Cuando se combinan dos elementos lo hacen equivalente a equivalente o según múltiplos enteros. Sustancia H2S H2O CaS CaO Átomo H S H O Ca S Ca O Masa atómica 1 32 1 16 40 32 40 16 Valencia 1 2 1 2 2 2 2 2 Equivalente 1 16 1 8 20 16 20 8 (Ma/val) M1/m2 2/32 = 1/16 2/16 = 1/ 8 40 /32 = 20 /16 40/16= 20 /8 Ejemplo: 10 gr de A se combinan con 20 gr de C para dar AC 30 gr de B se combinan con 20 gr de C para dar BC Cuando se combinan A y B se combinan 10 gr de A con 30 gr de B. Esta ley dio la idea de tomar un elemento como referencia y calcular la masa de cada elemento que se combina con una cantidad fija de ese elemento que se tomó como referencia. Esta cantidad fija fue 1,008 gr de hidrógeno ó 8 gr de oxígeno. A partir de este dato se definió el peso equivalente o equivalente químico como “ la masa de un elemento que se combina con 1,008 partes de hidrógeno ó con 8 partes de oxígeno” Así: 8 gr de oxígeno se combinan con 1,008 gr de hidrógeno = P equivalente (O) = 8 23 gr de sodio se combinan con 1,008 gr de hidrógeno = P equivalente (Na) = 23 12 gr de carbono se combinan con 1,008 gr de hidrógeno =P equivalen (C) = 12 14gr de nitrógeno se combinan con 1,008 gr de oxígeno = P equivale (N) = 14 Limitaciones: Al no cumplirse en muchos casos la ley de proporciones múltiples, tampoco puede cumplirse esta. 2. TEORÍA ATÓMICA DE DALTON Y EXPLICACIÓN DE LAS LEYES PONDERALES. La teoría atómica de Dalton es la primera teoría química con base matemática. En ella se da una propuesta de constitución de la materia. Fue propuesta en 1803, y los puntos más importantes son: 1. La materia, y por tanto todos los elementos, está constituida por partículas materiales indivisibles e inalterables que denominó átomos (palabra griega). 2. Los átomos de un elemento son iguales en masa y tienen las mismas propiedades. 3. Los átomos de diferentes elementos tienen diferente masa y propiedades. 4. Los compuestos se forman por unión de átomos diferente en una relación numérica constante y sencilla. 5. Los “átomos” de un compuesto también son idénticos en masa y propiedades. 6. Las sustancias gaseosas están formadas por esferas compresibles que ocupan todo el espacio. Según la teoría atómica de Dalton tanto las últimas partículas de oro como de agua son átomos, si bien los átomos de agua son divisibles en oxígeno e hidrógeno, siendo estos ya indivisibles. Es decir, no existía el concepto de molécula. 1 átomo de H + 1 átomo de Cl 1 átomo de HCl Esta ley daba paso al primer cálculo cuantitativo de los átomos, su masa atómica. Veamos como la teoría atómica de Dalton, junto con los resultados de los análisis químicos, hacían posible la determinación de masas atómicas: Ej: Dalton siempre suponía la fórmula más sencilla. Por tanto para el cloruro de hidrógeno, supuso que un átomo de Cl se unía a uno de H dando 1 átomo de HCl. Experimentalmente se observó que 35,5 gr de Cl reaccionaban con 1 gr de H. Por tanto, tomando como referencia el átomo de hidrógeno, el peso de l cloro es de 35,5. Vemos por tanto que el gran problema de esta teoría es que se partían de fórmulas supuestas, partiendo de una base siempre aceptada en química, la hipótesis de máxima simplicidad. Antes de seguir adelante daremos una definición actual de átomo que difiere de la dada por Dalton que los suponía como partículas indivisibles e iguales en masa. Átomo: La menor partícula que constituye un elemento químico, que conserva las propiedades de este y no puede dividirse por métodos químicos. Veamos ahora como las leyes ponderales apoyan la teoría de Dalton: 1. La ley de consevación de la masa o ley de Lavoisier. Dado que los átomos son indivisibles e indestructibles, en una reacción química lo único que ocurre es una reorganización de átomos, por lo que la masa no varia al no variar el número de átomos. 2. Ley de las proporciones definidas. Al formarse un compuesto C por la combinación de n átomos de A y m de B, siendo los pesos de los átomos a y b respectivamente, el peso resultante de C será na + mb. La relación será (na/mb) y al serlos átomos invariables la relación siempre será constante. 3. Ley de las proporciones mútiples. La teoría de Dalton la explica facilmente al ser el átomo indivisible e invariable, por lo que todos los compuestos deben llevar una relación de números enteros sencillos. 4. Ley de las proporciones recíprocas. La teoría de Dalton también la explica ya que cada elemento es distinto al otro en peso pero la relación atómica, al ser de números enteros sencillos, puede adoptarse una relación entre los pesos de los distintos elementos que forman parte de un compuesto (peso equivalente). Por tanto, todas las leyes ponderales respaldan experimentalmente la teoría atómica de Dalton 3. LEYES VOLUMÉTRICAS: LEY DE GAY-LUSSAC Y LEY DE AVOGADRO. A continuación veremos un caso típico de cómo avanza la ciencia. Se producen hechos experimentales que la teoría no puede explicar y además va en contra de esos hechos. Gay-Lussac estudió numerosas reacciones gaseosas y propuso la siguiente ley experimental, la ley de los volúmenes de combinación: “Los volúmenes de gases, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, que reaccionan entre sí o que se producen en una reacción química, están en una relación de números enteros sencillos”. Entre otras reacciones, estudió y encontró lo siguiente: Hidrógeno + cloro cloruro de hidrógeno 1 vol + 1 vol 2 vol Hidrógeno + Nitrógeno amoniaco 1 vol + 3 vol 2 vol Hidrógeno + oxógeno agua 2 vol + 1 vol 2 vol La teoría de Dalton era incapaz de explicar estos hechos experimentales. Según Dalton, en volúmenes iguales había el mismo número de átomos. Así, si reaccionan volúmenes iguales de H y Cl, en esos volúmenes habría la misma cantidad de átomos de H y Cl (p.e. n) y por tanto, se producirán n átomos de HCl, por tanto si reacciona 1 vol de H con 1 vol de Cl se debería obtener 1 vol de HCl y no 2 como realmente se obtenía. Esta contradicción fue resuelta por el conde Amadeo Avogadro (1776-1856). Avogadro. En primer lugar, Avogadro creó el concepto de molécula. Propuso que las últimas partículas que constituían los gases no eran átomos sino moléculas, que según Avogadro eran agrupaciones de átomos de composición fija. Esto fue muy criticado en su tiempo entre otros por Dalton, pues era impensable que átomos del mismo elemento se unieran entre sí. Por tanto es justo decir que fue Avogadro quien introdujo la idea de molécula en química que posteriormente se extendió, no sólo a los gases, sino a muchos compuestos. Con esta idea de moléculas, Avogadro, en 1811, lanzó su hipótesis, que hoy ya es ley y que dice así: “Volúmenes iguales de todos los gases, a las mismas condiciones de P y T contienen el mismo número de moléculas” Esta hipótesis iba en contra de la teoría atómica de Dalton pues suponía la existencia de moléculas gaseosas (como H2, Cl2, N2, O2, Br2) pero sin embargo explicaba los experimentos de Gay-Lussac. Veamos como se explica los resultados de Gay-Lussac mediante la hipotesis de Avogadro: Hidrógeno Cloro Cloruro de hidrógeno Experiencia Gay-Lussac 1 1 2 Inexplicable según Dalton Explicable según Abogador Avogadro, por tanto puede explicar las experiencias de Gay-Lussac. Aún así, la hipótesis de Avogadro no fue aceptada hasta 1866, cuando Cannizaro la demostró. 1 volúmen 2 volúmenes 4. EL ESTABLECIMIENTO DE UNA ESCALA DE MASAS ATÓMICAS. Con la hipótesis de Avogadro se pudo comparar las masas de moléculas diferentes. Así en un mismo volumen de hidrógeno y oxígeno en las mismas condiciones de P y T, hay las mismas moléculas de H y O. La masa de ese volumen, puede medirse y es: m(H) = M(H) . n; m(O) = M(O).n Dividiendo, sabemos la relación entre las masas de las moléculas de O e H: M(H)/M(O). Esta experiencia puede hacerse con otros elementos. Así se vió que: Masa de 1 molécula de O = 16 veces la masa de 1 moléculas de H N = 14 “ “ “ H Como Avogadro supuso que las moléculas de los gases eran diatómicas: Masa de 1 at de O = 16 veces masa de 1 at de H. Para evitar referirse siempre al H, se tomó como convenio el dar el valor unidad a la masa del hidrógeno, por lo que se hizo una escala de masa atómicas relativa al hidrógeno. Posteriormente se tomó como referencia el oxígeno. Más tarde se descubrió que el oxígeno tenía diferentes isótopos naturales. Los químicos asignaron al oxígeno natural (formado por O 16, 17 y 18) la masa atómica relativa de 16. Los físicos asignaron esta masa al isótopo 16. Con esto se produjo una doble escala. Que fue solucionado en 1961 por la IUPAC, al elegir como referencia la doceaba parte del átomo de carbono doce. 5. FÓRMULAS Y COMPOSICIÓN QUÍMICA. DETERMINACIÓN DE LA FÓRMULA EMPÍRICA Y MOLECULAR DE UN COMPUESTO. Cálculo de la composición centesimal de una sustancia a partir de su fórmula 1. Calcular la masa molecular de la sustancia mediante la suma de las masas atómicas: Na2CO3 masa molecular: 2.23+ 12 + 3.16 = 106 2. Realizar factores de conversión o regla de tres para cada elemento, para obtener su porcentaje: Na Si en 106 uma de compuesto---------------100% del compuesto 46 uma de Na------------------------- x; x = 43,38 % Y así sucesivamente. Cálculo de la fórmula empírica y molecular a partir de la composición (centesimal o en gramos) 1. Se calcula el número de moles de atomos de cada elemento. (Por factor de conversión o dividiendo los gramos de cada elemento por su masa atómica) 2. Se divide estos números por el más pequeño de todos. Los números obtenidos deben ser enteros. Si no es así es necesario multiplicar por 2,3,4,5 hasta que todos los números sean enteros. Esa es la fórmula empírica. 3. Conocida la masa molecular por cualquier método: la fórmula molecular será un número entero de veces la empírica. Este número se deduce al relacionar la masa molecular y la masa de la fórmula empírica. Pm = nºentero. P(Form.emp). Determinación de masas moleculares. 1. Ecuación general de los gases: P V = n RT. (para sustancias gaseosas) Sabiendo la cantidad de sustancia (en gr) que hay en un recipiente a una determinada presión volumen y temperatura, se puede calcular directamente el peso molecular: PV = n R T; PV = gr/Pm. R T; Pm =(gr R T)/(P V) 2. Ecuación general de los gases y densidad de un gas (para sustancias gaseosas): Pm =(gr R T)/(P V)=d . R. T/ P 3. Crioscopía y ebulloscopía. Leyes de Rauolt. Experimentalmente se observa que al añadir un soluto a una disolvente, esta disolvente tiene un punto de ebullición mayor que el disolvente puro. A su vez, esta disolvente también tiene un punto de congelación menor que el disolvente puro. Raoult enunció leyes que regían este comportamiento: Crioscopía: En disoluciones diluidas el descenso del punto de congelación del disolvente es directamente proporcional a la concentración molal de la disolución: At = Kc m Ebulloscopia: En disoluciones diluidas el aumento del punto de ebullición del disolvente es directamente proporcional a la concentración molal de la disolución: At = Ke m 4. Densidad relativa La densidad relativa de una sustancia con respecto a otra es igual a : d(A,B) = d(A)/d(B) = Pm(A)/Pm(B). Veamos por qué: Según la ley de avogadro volúmenes iguales de diferentes gases en las mismas condiciones contienen un mismo número de moléculas. Por tanto si un gas tiene doble densidad que otro (doble masa en el mismo volumen), será porque cada molécula pesa el doble. 5. Presión osmótica Presión osmótica: de la misma manera que un gas ejerce una presión contra las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los continuos choques de sus moléculas con las paredes, las moléculas de soluto ejercerán una presión contra las paredes del recipien V=nRT = n R T /V = c R T V = gr R T/Pm Pm = gr R T / ( V) 6. MASAS ATÓMICAS. CANTIDAD DE SUSTANCIA: EL MOL. MASA MOLAR. Una unidad de masa atómica es la doceava parte del isótopo de carbono 12, es decir, 1 u.m.a. = 1/12 masa 12C 1 u.m.a. = 1,66.10-24 gr Mol es la cantidad de una sustancia que contiene un número de Avogadro (NA= 6,023.1023) de partículas (átomos o moléculas, iones o electrones). Esta cantidad coincide con la masa atómica o molecular en gramos de una sustancia. 1 mol (de átomos) de potasio---- pesa 39,1 gr 1 molécula de H2O contiene: ---- contiene 6,02.1023 átomos de potasio. - 2 átomos de hidrógeno - 1 átomo de oxígeno 1 mol (de moléculas) de H2O--- pesa 18 gr (2.1 + 16) 1 mol de moléculas de H2O contiene: -- contiene 6,02.1023 moléculas de agua. - 2 moles de átomos de hidrógeno - 1mol de átomos de oxígeno 3 7. ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES. VOLUMEN MOLAR DE LOS GASES. MEZCLAS DE GASES: LEY DE DALTON. CONCEPTO DE PRESIÓN PARCIAL. Volumen molar de un gas: Es el volumen que ocupa un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 0º C ). Este volumen es V0 = 22,4 l /mol. Ley de Boyle: P0 V0 = P1 V1 = cte Ley de Charles: V0 /T0 = V1 /T1 = cte P0 V0 /T0= P1 V1 /T1= cte Ley de Gay-Lussac: P0 /T0 = P1 /T1 = cte Ley de los gases ideales: P.V = n.R.T Presiones parciales (Dalton): Cuando hay varios gases en un mismo recipiente, la presión total de esa mezcla de gases, es igual a la suma de las presiones parciales de los gases sustituyentes PT = P1 +P2 +P3 + ..... Presión parcial de un gas: es la presión que tendría un gas si ocupara todo el volumen que ocupa la mezcla de gases, a la misma temperatura. Se calcula: PA = XA . PT; ó PA .V = nA .R.T Riqueza de % en volumen: % vol = tanto por ciento en volumen que un gas ocupa en una mezcla de gases. % volumen = % en moles.Ej: 20 % de volumen de O2 en el aire significa: de cada 100 l de aire, 20 l son de O2 Densidad Para un gas: densidad = masa del gas / volumen que ocupa el gas; d= m/V; Unidad g/L Para una sustancia pura: densidad = masa sustancia / volumen sustancia. 8. EXPRESIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE UNA DISOLUCIÓN: PORCENTAJE EN PESO, EN VOLUMEN, MOLARIDAD, MOLALIDAD, FRACCION MOLAR, NORMALIDAD - Concentración en g/l: C(g/L) = gramos soluto /V(L) disolución. - Porcentaje de riqueza en peso (%). C(%) masa = 100. gramos soluto / gramos disolución Ejemplo: Una disolución de ácido clorhídrico del 25% en peso (también se dice del 25% de riqueza en peso) significa que: En 100 gramos de la disolución hay 25 gramos de ac. clorhídrico y por tanto 100 – 25 = 75 gramos de agua - Molaridad (M) M = moles de soluto/ V(L) de disolución - Molalidad (m) m = moles de soluto / kilos de disolvente - Normalidad (N) N = equivalentes de soluto / V(L) disolución Los equivalentes se calcula : nº eq = gramos /peso equivalente. Y por su parte el peso equivalente se calcula Peq = Pm/ val Esta valencia depende del tipo de sustancia que sea: a) Átomos: la valencia; b) Iones : su carga; c) Ácidos : el número de H+; d) Bases : el número de OH- ; e) En oxidantes y reductores el nº de e- tomados o cedidos; f) En sales el producto de la carga de anión por el subíndice del mismo. - Equivalente gramo: número de gramos igual al peso equivalente - Fracción molar (X); XS = nS / nT ¸XD = nD / nT La fracción molar no tiene unidades pues resulta del cociente entre moles. La suma de las fracciones molares es la unidad: Xs + Xd = 1. DILUCIONES: Cuando una disolución se prepara a partir de otra añadiendo disolvente (agua), la disolución resultante se dice que está diluida y su concentración es menor, pero la cantidad de soluto es la misma en la disolución inicial y final pues solo se añadió disolvente. Por tanto: El nº moles de soluto de la 1ª disolución = al nº moles de soluto en la 2º disolución, es decir, M1. V1 = M2 . V2 Para una disolución: DENSIDAD = Masa de disolución (gr)/Volumen de disolución (cm3); d = m/V Unidad = Kg/l ó gr/ml ó gr/cm3 Debe quedar claro que es masa de la disolución y volumen de la disolución. El volumen final de una mezcla de dos disoluciones no es rigurosamente la suma de los volúmenes de cada una (pero puede suponerse así). La masa final de una mezcla de dos disoluciones si es rigurosamente la suma de las masas de cada una 9. CÁLCULOS BASADOS EN LA ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS: REACTIVO LIMITANTE, RENDIMIENTO, ETC. Una reacción química es un proceso en el cual unas sustancias (reactivos) se transforman en otras sustancias de naturaleza diferente (productos). Las reacciones químicas se representan escribiendo las fórmulas de los reactivos en primer lugar, una flecha o doble flecha y finalmente las fórmulas de los productos. Esto es lo que se llama ecuación química: Pb(NO3)2 + 2 KI PbI2 + 2 KNO3 Primer miembro Segundo miembro Información que proporciona una ecuación química: relación moles, moléculas, gramos, volúmenes ESTEQUIOMETRÍA: estudia las relaciones entre las cantidades de reactivos y productos de una reacción. Cuando ya se tiene una ecuación química ajustada se pueden establecer relaciones entre las cantidades de dos sustancias cualesquiera que intervienen en la reacción, y calcular mediante proporciones la cantidad de una sustancia si se conoce la cantidad de otra sustancia. PROCEDIMIENTO PARA HACER CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS 1. Se ajusta la ecuación química. 2. Se identifica el dato de partida (una cantidad concreta de una sustancia) y se expresa en moles(no siempre es imprescindible. Si la sustancia no es pura (% de riqueza) hay que calcular la cantidad de esa sustancia que es pura, pues las impurezas no reaccionan . Si el problemas es de reactivo limitante, hay que averiguar antes cuál es el reactivo limitante: este será el que reaccione por completo y por tanto el que se uso para la estequiometría. 3. Se establece una relación estequiométrica. basada en la proporcionalidad directa, es decir, un factor de conversión o la regla de tres, entre el número de moles de la sustancia dato y el número de moles de la sustancia sobre la que nos preguntan. A partir del dato que se nos da obtenemos el resultado en moles de la sustancia sobre la que se nos pregunta. 4. Conocido el número de moles, se transforma el resultado en las unidades que se pidan(en gramos, en volumen de la sustancia si es un gas o una disolución,etc). El rendimiento de una reacción química R(%) = cantidad obtenida .100 (Se aplica siempre a productos) cantidad teórica obtenida Unidad 2. Estructura del átomo 1. Desarrollo histórico de los modelos atómicos: descubrimiento de las partículas elementales y modelo de Thomson y de Rutherford. 2. Origen de ideas cuánticas. Radiación del cuerpo negro. Efecto fotoeléctrico. Espectros atómicos de emisión y absorción: líneas espectrales del átomo de hidrógeno. Hipótesis de Planck. 3. Sistemas monoelectrónicos. Modelo cuántico de Bohr. Limitaciones. 4. Dualidad onda corpúsculo (Hipótesis de De Broglie) Principio de Incertidumbre de Heisenberg 5. Modelo mecano-cuántico: números cuánticos y orbitales atómicos. 6. Distribución de los electrones: principio de exclusión de Pauli y regla de Hund 7. El Sistema Periódico actual. 8. Propiedades periódicas: radio atómico, energía de ionización, afinidad electrónica, electronegatividad., reactividad, poder oxidante y reductor. DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS MODELOS ATÓMICOS: DESCUBRIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y MODELOS ATÓMICOS DE THOMSON Y RUTHERFORD Breve introducción histórica. Ya 500 años a.C. Demócrito pensaba que toda la materia se componía de partículas indivisibles y muy pequeñas que llamó átomos. El INICIO DE LA TEORÍA ATÓMICA (explicar cómo son los átomos) se produjo gracias a Dalton y su teoría atómica (1803), que estudiamos en el tema anterior. Según Dalton los átomos son partículas esféricas indivisibles Modelo atómico de Thomson En 1897, cuando Thomson estudiaba los rayos catódicos llegó a la siguiente conclusión: los rayos catódicos están constituidos por partículas (con masa) cargadas eléctricamente . A estas partículas las denominó electrones. Como son partículas iguales la relación carga/masa debía ser la misma y variando los campos eléctricos y magnéticos, llegó a la conclusión de que esta relación era: carga/masa = 1,76.108 C / g. Años más tarde (1910) Milikan realizó un experimento para la determinación de la carga del electrón: el experimento de la gota de aceite. Así se supo que la carga de un electrón es: 1,602.10-19C y la masa son: 9,11.10-31Kg Thomson propuso entonces su modelo atómico: El átomo es una esfera cargada positivamente y en la superficie hay electrones cargados negativamente. Este modelo explicaba la existencia de iones, por extracción de electrones del átomo. Pero la aportación más importante de Thomson fue que revolucionó el concepto de átomo, al considerarlo como divisible (pues podían extraerse electrones), frente a la concepción de indivisibilidad de Dalton. Modelo atómico de Rutherford Hubo una serie de acontecimientos que influyeron decisivamente en la evolución del concepto de átomo. Descubrimientos sin los cuales no se hubiera podido avanzar en el conocimiento del átomo como el descubrimiento los Rayos X por Roentgen en 1895 y de la radiactividad por Bequerel en 1896. El modelo atómico de Rutherford (1911) fue postulado a raíz de una experiencia que tenía como objetivo corroborar experimentalmente el modelo de su profesor Thomson. Dicho experimento consistió en bombardear una lámina muy fina de oro rodeada de una lámina de sulfuro de cinc (película fotográfica) con partículas alfa (núcleos de He). Observó sorprendentemente que casi todas las partículas atravesaban la lámina, algunas se desviaban y muy pocas volvían para atrás. La única explicación posible era que prácticamente toda la masa del núcleo y la carga positiva estuvieran en una región muy pequeña casi puntual en el centro del átomo, es decir, habría un núcleo que es muy pequeño (10 -13m). A gran distancia de él están los electrones que girarían a su alrededor en órbitas circulares, (el electrón no cae por que la fuerza centrípeta y electróstatica se hacen iguales). El diámetro del átomo es del orden de 10 -8 cm. Así el núcleo atómico sería 10000 veces menor que el átomo. Rutherford propuso un nuevo modelo atómico que se le conoce como modelo planetario del átomo: 1. El núcleo es la parte del átomo en la que se encuentra localizada casi toda la masa del mismo y toda la carga positiva. (DIFERENCIA DOS PARTES) 2. A gran distancia del núcleo se mueven los electrones describiendo orbitas circulares. La fuerza centrípeta se iguala a la fuerza electrostática lo cual mantiene al electrón en su órbita. (ÁTOMO HUECO). 3. El número de cargas positivas y negativas han de ser iguales. (EXPLICA LA IONIZACIÓN) Las grandes aportaciones de Rutherford al modelo atómico son estas dos ideas principales: el átomo está constituido por dos partes muy diferenciadas (núcleo con casi toda la masa y 100000 menor que el átomos y corteza donde están los electrones), y por tanto el átomo está prácticamente vacío. Aunque este modelo fue un gran avance para dilucidar la estructura del átomo, pronto surgieron objeciones. El principal fallo de este modelo era que según la teoría electromagnética clásica, una partícula acelerada y cargada como el electrón emite energía, con lo cual el electrón emite energía con lo que su órbita disminuiría hasta chocar con el núcleo. El átomo de Rutherford es por tanto inestable. Además al caer el electrón emite energía de forma continua, por lo que su espectro sería continuo, siendo en realidad discontinuo, como se estudiará más adelante. Carga y masa de las partículas fundamentales Electrón: masa = 9,1.10-31 Kg; carga = 1,6.10-19 C (1-) -27 Protón: masa = 1,672.10 Kg; carga = 1,6.10-19 C (1+) Neutrón: masa = 1,674.10--27 Kg; carga = 0 Isótopos: son átomos con igual número atómico y diferente número másico. Sólo hay 20 eltos que no presentan isótopos naturales (aunque si se han conseguido sus isótopos artificiales). Dado que los isótopos presentan diferentes pesos el peso ató mico de un elemento que presenta isótopos naturales se calcula como la media ponderada de las masas de los isótopos que hay en la naturaleza Ej: El cloro tiene un isótopo35 (m= 34.96884) y uno 37 (m= 36,96590). La media ponderada es de 35,45. ORIGEN DE IDEAS CUÁNTICAS: RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO, EFECTO FOTOELÉCTRICO, ESPECTROS ATÓMICOS DE EMISIÓN Y ABSORCIÓN (LÍNEAS ESPECTRALES DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO). HIPÓTESIS DE PLANCK. Antes de entrar en analizar los hechos que dieron origen a la Teoría cuántica se recordará que según la teoría electromagnética clásica (TEM), cualquier radiación está constituida por ondas electromagnéticas (campos eléctricos y magnéticos). Estas ondas viajan a 3.108 m/s. Cada onda electromagnética está determinada por dos características esenciales: -Longitud de onda (: Distancia entre dos puntos de la onda en el mismo estado de vibración. . Unidad: metro -Periodo(T): Es el tiempo que tarda una onda en recorrer una longitud de onda. = c . T -Frecuencia(: Es la inversa del periodo. Es el número de oscilaciones completas que da la onda en 1s. = 1/T. Unidad = s-1 ó Hz c / Por tanto, conocida la longitud de onda se conoce la frecuencia y viceversa. Las distintas ondas electromagnéticas se diferencian en la longitud de onda o frecuencia. El conjunto de todas las radiaciones forman el espectro electromagnético (Rayos gamma, RX, UV, visible, IR, Microondas, Ondas radio TV) A finales del siglo XIX surgieron ciertos hechos experimentales cuya interpretación fue imposible dentro de la Física Clásica. Son los siguientes: Radiación del cuerpo negro Se entiende por radiación térmica de un cuerpo la energía que emite debido a su temperatura en forma de radiación electromagnética. Por otra parte un cuerpo negro es aquel capaz de absorber todas las radiaciones que llegan a él y por tanto de emitir también radiaciones de todas las Al estudiarse la radiación del cuerpo negro se observó la siguiente intensidad de las radiaciones emitidas según su longitud de onda. I comportamiento real comportamiento según la TEM Radiación del cuerpo negro UV Estos resultados contradicen la TEM. Según ésta la intensidad de radiación emitida aumenta de forma continua a medida que disminuye la longitud de onda, de forma que para pequeñas (UV) la energía emitida sería infinita (línea discontinua). A esta contradicción se le conoce como catastrofe ultravioleta. Efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones desde una superficie metálica sobre la que incide una radiación. Este efecto fue descubierto por Herzt en 1887 y explicado por Albert Einstein. (recibió el premio Nobel por esta explicación) El efecto fotoeléctrico tiene las siguientes características: - Solo se emiten electrones de la superficie del metal si la frecuencia de la radiación que incide es superior a un valor mínimo llamada frecuencia umbral. Esta frecuencia umbral es característica de cada metal. Según la TEM el efecto debe ocurrir a cualquier frecuencia con tal de que la intensidad sea lo suficientemente alta - El número de electrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de la radiación luminosa e independiente de la frecuencia de la radiación. Según la TEM también afectaría la frecuencia de la radiación - La energía cinética de los electrones emitidos aumenta al aumentar la frecuencia, pero dicha energía cinética es independiente de la intensidad de la radiación. Esto tampoco podía explicarlo la TEM. - Es instantáneo Espectros atómicos. Espectro del átomo de hidrógeno. Rayas espectrales Un espectro es el resultado de la descomposición por medios ópticos de la radiación emitida por un cuerpo. Ej : arcoiris. Existen muchas clases de espectros: de rayas o de bandas. Los de rayas o discontinuos se obtienen calentando hasta la incandescencia muestras de átomos. Un espectro atómico de emisión es el resultado de la descomposición por medios ópticos de la radiación emitida por un elemento calentado hasta la incandescencia. Se recogen en una especie de placa fotográfica. En la época que estamos tratando se obtuvieron los espectros atómicos de diferentes elementos. Estos espectros presentan una serie de líneas bien definidas (espectros de rayas o discontinuos) y separadas características a ese elemento. Son por tanto, la huella digital de cada elemento. Es importante señalar que cada línea de un espectro corresponde a un salto de un electrón de un nivel a otro de energía. Estos espectros atómicos van en contra del modelo de Rutherford, pues si el electrón emite continuamente energía debería pasar por todos los estados de energía y emitir radiación de todas las longitudes de onda, es decir, emitir una radiación continua. Lo que se observa es que un átomo solo emite una serie de radiaciones. En 1885 Balmer estudió el espectro de emisión del hidrógeno en la zona visible del espectro. Encontró que las longitudes de onda de las rayas del espectro se pueden hallar mediante la siguiente expresión: = R1 (1/nf 2 – 1/ni2) donde R es la cte de Rydberg = 1,097.107 m-1 y n = 2,3,4,5,6,7...(nº enteros) Las rayas que se obtienen al dar valores a n reciben el nombre de serie de Balmer. Para la serie de Balmer es siempre nf = 2. Posteriormente se estudió el espectro del hidrógeno en otras zonas del espectro y se encontraron otra serie de líneas que se denominan según el nombre de su descubridor. - Serie de Lyman: Las rayas pertenecen a la zona de ultravioleta; nf = 1; ni=2,3,4,.. - Serie de Paschen: Las rayas pertenecen a la zona del infrarrojo ; nf = 3; ni=4,5,6.. - Serie de Brackett: Las rayas pertenecen a la zona de infrarrojo; nf = 4; ni=5,6,7.. - Serie de Pfund: Las rayas pertenecen a la zona de infrarrojo; nf = 5; ni= 6, 7, 8 Hipótesis de PLANK. Max Planck, en 1900, formuló una hipótesis, del cual ni el mismo estaba muy convencido, que explicaba teóricamente la radiación del cuerpo negro. Posteriormente otros científicos utilizaron su hipótesis para explicar ciertos hechos que hasta entonces no habían podido ser interpretados como son los espectros atómicos de emisión y absorción experimentales y el efecto fotoeléctrico. Hipótesis de Planck: la energía se emite o se absorbe de forma discontinua, es decir, en cantidades discretas de energía, que son múltiplos enteros de una cantidad mínima llamada cuanto de energía. Por tanto la energía que se absorbe o se emite no puede tener cualquier valor, sino solo unos valores determinados, que son múltiplos enteros de una cantidad mínima. Se dice la que energía está cuantizada, es decir, discontinua. No puede tomar cualquier valor, sino solo unos determinados valores. La formulación matemática de la hipótesis de Planck es: E = n. h . Donde n = un número entero; h = la constante de Planck; h = 6,62.10-34 J.s = 6,62.10-27erg/s = frecuencia de la radiación; unidad = hertzio o s-1 Esta hipótesis supuso con el tiempo la mayor revolución de la Física, pues hasta entonces se consideraba que la energía de emitía y absorbía de forma continua, que podía tener cualquier valor. A partir de Planck, se reconoció que esto no es así, sino que la energía sólo puede tomar determinados valores. La hipótesis de Planck se vió afianzada por los siguientes sucesos: 1. A partir de la hipótesis de Planck, éste pudo deducir teóricamente una ecuación que explicaba exactamente el comportamiento de la radiación del cuerpo negro. 2. Einstein en 1905 dio una explicación del efecto fotoeléctrico basándose en la teoría de los cuantos de Planck. Esta explicación es: La luz está constituida por fotones(pequeños paquetes de energía), cuya energía depende de la frecuencia de la radiación y vale E = h . . Cuando un electrón de la superficie del metal capta un fotón la suficientemente energético, es decir, con la frecuencia adecuada, aumenta su energía Esta energía se utiliza para vencer las fuerzas que lo unen al metal separándose de él (trabajo de extracción que corresponde a la frecuencia umbral) y para aumentar la energía cinética del electrón arrancado. Cada fotón arranca un electrón. A más intensidad, más fotones, y por tanto más electrones arrancados. Si la frecuencia es mayor, mayor será la energía del fotón y con más energía cinética saldrá el electrón La ecuación que explica el fenómeno es: E = W0 + ½ mv2 ; h = h 0 + ½ mv2 Einstein, con esta explicación, propuso una naturaleza corpuscular para la luz. Es decir, la radiación tiene carácter corpúscular cuando interacciona con la materia. Y podría decirse que tiene carácter ondulatorio cuando se propaga por el espacio o el vacío. 3.Con la hipótesis de Planck, Bohr pudo explicar los espectros atómicos. Bohr en su tercer postulado introduce una ecuación que explica las frecuencias de las ondas emitidas por los electrones al saltar de un nivel a otro de energía. En concreto los espectros son producidos por saltos de los electrones de los átomos de un nivel electrónico a otro. Pero, ¿cómo se producen estos saltos? Se producen cuando un átomo se excita (al calentarlo p.e.) un electrón de la última capa pasa a un nivel energético superior. Pero un átomo excitado no es estable, y este electrón pasa de nuevo a su estado inicial emitiendo mediante radiación (un cuanto de energía) la energía que antes había absorbido. La diferencia entre la energía en el estado excitado y en el estado inicial, equivale a la energía que se ha desprendido en forma de radiación electromagnética: E2 – E1 = hv. Cada línea de un espectro corresponde a un salto de un electrón de un nivel a otro de energía. 3. SISTEMAS MONOELECTRÓNICOS. MODELO CUÁNTICO DE BOHR. LIMITACIONES. Como vimos anteriormente el modelo atómico de Rutherford era inestable y además era incapaz de explicar que los espectros atómicos fuesen discontinuos. Por esta razón Borh propuso un nuevo modelo atómico basado en la Teoría de los cuantos de Planck, enunciando tres postulados cuya justificación venía dada por la experiencia, pues la naturaleza parecía comportarse ajustándose a estos postulados. Estos son los tres postulados. Es un modelo atómico para átomos con un solo electrón: Cuando un electrón gira en su órbita no emite energía y, por tanto esa órbita es estacionaria. Al no emitir energía no varía su velocidad y no se acerca al núcleo. Así solucionaba el problema de la inestabilidad del átomo de Rutherford. Este postulado permite deducir el valor de la velocidad aplicando las leyes de la dinámica a este movimiento circular uniforme: Fc = Fe . De esta expresión se deduce que v2 = cte/r, es decir que la velocidad del electrón solo depende del radio de la órbita. Sólo son posibles para el electrón aquellas órbitas en las que se cumple que el momento cinético del electrón (m.v.r) es múltiplo de h/Por tanto m.v.r = n.h/2 n = 1,2,3,4..... En este postulado Bohr hace incluye la idea de Planck de la cuantización de la energía, a través de la cuantización del momento cinético del electrón. De dicha ecuación se obtiene que: r = cte´. n2 Esta ecuación nos indica que el radio de la órbita del electrón esta cuantizada, es decir, sólo pueden tener ciertos valores dados por el número cuántico n (y por la constante de Planck, h). A dicho número entero n se le denomina número cuántico principal, pues determina los valores (radio) posibles de la órbita. La energía que se libera al pasar el electrón de una órbita superior (más alejada del núcleo) a otra inferior (más cercana) se emite en forma de ondas electromagnéticas, cuya frecuencia viene dada por la ecuación E2 – E1 = h . Cuando ocurre esto, la onda electromagnética emitida da lugar a una línea en el espectro atómico Se puede deducir la energía del electrón a partir de las ecuaciones del primer y segundo postulado, obteniéndose la expresión: E = - cte´´/n2 De nuevo se observa como la energía del electrón depende fundamentalmente de n. De nuevo puede decirse que la energía del electrón está cuantizada, el electrón sólo puede tener determinados niveles de energía. Nótese además como al aumentar n (órbitas más lejanas) el valor absoluto de la energía se hace menor, pero al ser un número negativo es en realidad mayor: a mayor n, mayor energía. El rotundo éxito del modelo de Bohr fue explicar teóricamente a partir de las ecuaciones que propuso el espectro atómico del hidrógeno. Pudo calcular teóricamente las frecuencias correspondientes a cada una de las líneas espectrales del átomo de hidrógeno. Por supuesto, a partir del modelo de Bohr se puede deducir la expresión experimental de Balmer [1/ = R (1/nf2 - 1/ni2)] y calcular la cte de Rydberg. Esto fue de nuevo un resultado que apoyó la validez del modelo. Cuando un modelo o teoría reproduce exactamente los resultados experimentales se da por válida. Limitaciones del modelo de Bohr. Al pasar de los años se construyeron espectrógrafos más resolutivos y se observaron dos hemos de relevancia: - Algunas líneas que gruesas observadas hasta entonces eran en realidad dos líneas muy finas con longitudes de onda muy próximas entre sí. - Zeeman observó que si sometía los átomos a un campo magnético, el espectro de emisión se complicaba mucho, apareciendo nuevas líneas, lo que se conoce como efecto Zeeman. Estos problemas se solucionaron con la corrección de sommerfield, que introdujo el número cuántico secundario. Corrección de Sommerfield Somerfield, a partir de los hechos antes descritos propuso que debían existir en una misma capa electrones con niveles de energía diferentes, que producían las nuevas líneas espectrales detectadas. Esto va en contra de la teoría de Bohr, pues la energía de un electrón en su órbita es: Ee- = - cte / n2 Así, Todos los electrones de la capa “n” tendrán la misma energía. Para superar esta contradicción Sommerfield se apoyó en la teoría de la relatividad de Einstein. Según esta la masa de un cuerpo varía con su velocidad (sobre todo para velocidades elevadas). Por tanto para un mismo nivel n, podrían existir electrones con diferente energía si fuesen a diferente velocidad. Pero si hay electrones que se mueven con diferente velocidad no describirán órbitas circulares (V = cte) sino elípticas. Es decir, según Sommerfield, dentro de una misma capa principal (dada por n), existen distintas trayectorias además de la circular. Estas nuevas órbitas o niveles de energías explican la aparición de nuevas líneas espectrales. DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO (HIPÓTESIS DE DE BROGLIE) PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG A principios del siglo XX se aceptaba la idea de que la luz, y en general la radiación electromagnética, tiene un comportamiento dual, es decir, puede tener carácter corpuscular y ondulatorio: una veces se comporta como onda (interferencia, polarización) y otras como partícula (efecto fotoeléctrico, rayos X, efecto compton). Hipótesis de De Broglie (1924). De Broglie, basado en la dualidad onda-corpusculo de la luz extiende el comportamiento dual a la materia. Su hipótesis es la siguiente: toda partícula que se mueva debe tener asociada una onda cuya longitud de onda vendrá dada por: = h/p = h/mv. Es decir, una partícula que se mueva es a la vez partícula y onda. Así supuso que los electrones (partículas en movimiento) tendrían carácter ondulatorio (tendrían asociada una longitud de onda). Posteriormente, está suposición se corroboró mediante la obtención de la difracción de electrones, lo que supuso la aceptación de su hipótesis. Fue de nuevo un concepto revolucionario para su tiempo, pues suponía que cualquier cuerpo con velocidad se comportaba como una onda. Sin embargo es necesario tener en cuenta que el carácter ondulatorio de un cuerpo se detecta si su longitud de onda es lo suficientemente grande y eso solo ocurre con partículas extremadamente pequeñas (electrones, etc). Para partículas de nuestro entorno real, la masa es tan grande que la longitud de onda se hace prácticamente cero, es decir, indetectable: no puede observarse fenómeno ondulatorio. Por tanto la hipótesis de De Broglie se aplica a partículas subatómicas. Principio de Incertidumbre de Heisenberg. El principio de indeterminación de Heisemberg dice: debido a la naturaleza dual es imposible conocer de manera exacta y simultaneamente la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. Por tanto siempre existirá una indeterminación en la cantidad de movimiento, en la posición, o en las dos. Esta indeterminación viene dada por : x . p = h/4No se demostrará matemáticamente esta expresión. Esto es debido a la propia naturaleza dual de las partículas, no al fallo de los métodos de observación. Esta indeterminación, debido al valor que tiene (cte de Planck), alcanza relevancia a nivel atómico y carece de importancia a nivel macroscópico (nuestro mundo). Por tanto para partículas atómicas, si se quisiera conocer exactamente la posición de un electrón p.e., la incertidumbre en la cantidad de movimiento sería infinita. La consecuencia más relevante respecto al modelo atómico, es que el concepto de órbita de Bohr debe ser modificado, pues según la ecuaciones propuestas por él podría conocerse la trayectoria de un electrón en cualquier instante, es decir, podría conocerse exactamente velocidad y posición del electrón y de forma simultanea. MODELO MECANO-CUÁNTICO: NÚMEROS CUÁNTICOS Y ORBITALES ATÓMICOS. Los resultados anteriores hacen que el modelo de Bohr, no sirva para describir la realidad del átomo. El principal fallo de este modelo es que según Borh es posible conocer posición y velocidad exacta y simultáneamente, debido a que el eletrón se mueve en una órbita, y esto no es imposible según Heisemberg, por lo uqe el concepto de órbita no era correcto. Por tanto se hizo necesario el elaborar un nuevo modelo atómico que respondiese a los conocimientos que ya se tenían, sobre todo en cuanto a la dualidad onda partícula y al principio de Heisemberg. El modelo atómico actual está basado en la ecuación de onda Schrödinger. Este científico partió de la ideas de que toda partícula lleva asociada una onda, y en concreto el electrón. Halló una ecuación de onda que permitía describir el movimiento del electrón. m/h2 (E-V) Las soluciones de esta ecuación para un átomo con un electrón se denominan funciones de onda u orbitales, que vienen definidos por varios números cuánticos. Las ideas principales de este modelo atómico son: - La función de onda u orbital es una solución de la ecuación de onda de Schrödinger. representa la probabilidad de encontrar un electrón en un punto del espacio. A partir de esto puede comprenderse el concepto de orbital que clarificaremos con un ejemplo: supongamos que disponemos de una cámara fotográfica que toma fotos del electrón del átomo de hidrógeno miles de veces. El resultado es un orbital. Un orbital sería la zona del espacio donde existe muchas posibilidades de encontrar el electrón. Por tanto no se sabe exactamente donde está el electrón (de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heirsemberg), solo podemos saber que existe una zona, llamada orbital, donde la probabilidad de encontrar el electrón es muy alta. Esta zona vendrá determinada por unos valores determinados (números cuánticos) - La función de onda está caracterizada por los números cuánticos que nos informa de la situación de los electrones, nivel energético, forma, orientación, etc. Por tanto, el modelo atómico actual se asemeja a una Nube de carga: el átomo se asemeja a una nube de carga, donde el mayor volumen lo ocupan los electrones, y dado que no se sabe exactamente su localización de habla de nube electrónica o nube de carga. Como se dijo anteriormente, los números cuánticos salen al resolver la ecuación de onda. Son los siguientes: - Número cuántico principal (n): Sus valores son n = 1, 2, 3, 4, 5… El significado ya lo dio Borh: Determina el volumen real del orbital y el nivel de energía (mayor energía y volumen a mayor n). También se representan por K, L, M, N, O, P, Q… - Número cuántico secundario o azimutal (l): Puede tomar los valores enteros comprendidos entre 0 y n1. l = 0...(n – 1) Para n= 1 l = 0 (s) En el nivel n = 1 sólo hay un orbital s Para n= 2 l = 0, 1 (s, p) En el nivel n = 2 hay orbitales s y p Para n= 3 l = 0, 1, 2 (s, p ,d) En el nivel n = 3 hay orbitales s, p y d Para n= 4 l = 0, 1, 2, 3 (s, p, d, f) En el nivel n = 4 hay orbitales s, p, d y f Para n= 5 l = 0, 1, 2, 3 (s, p, d, f) En los niveles n = 5,6,7.. hay orbitales s, p, d y f Este nº cuántico determina la forma del orbital y el subnivel de energía: - Los orbitales con l = 0 se denominan s (sharp) y es esférico. - Los orbitales con l = 1 se denominan p (principal) y tiene forma de madeja de lana. - Los orbitales con l = 2 se denominan d (diffuse) y tiene forma de doble madeja de lana. - Los orbitales con l = 3 se denominan f (fundamental) y su forma es muy complicada. Los electrones que están en un orbital s se les llama electrones s, los que están en un orbital p se les llama Elec. trones p, los que están en un orbital d se les llama electrones d y los electrones que están en un orbital f se les llama electrones f. - Número cuántico magnético (m ó ml): Puede tomar los valores enteros desde +l hasta l pasando por 0. m = +l...0...l. Este nº cuántico informa de las posibles orientaciones de los orbitales en el espacio. También determina el número de orbitales que hay de cada tipo (s, p, d, f), dependiendo del número de valores posibles de m en cada caso Para l = 0 (orbital s) m = 0 (solo tiene una posible orientación) 1 orbital s para cada nivel n Para l = 1 (orbital p) m = +1, 0, -1 (las 3 orientaciones son: eje X, Y y Z) 3 orbitales p para cada nivel n2 Para l = 2 (orbital d) m = +2, +1, 0, -1, -2 (5 orientaciónes) 5 orbitales d para cada nivel n3 Para l = 3 (orbital f) m = +3, +2, +1, 0, -1, -2 ,-3 (7 orientaciones) 7 orbitales f para cada nivel n4 Los 3 orbitales p de cada nivel, al igual que los cinco orbitales d y los siete f tienen entre sí las misma energía, se dice que están degenerados. Esto es así puesto que la energía viene definida por los dos primeros números cuánticos y “m” sólo indica la orientación espacial. Con los tres primeros números cuánticos se define o caracteriza perfectamente cualquier orbital. Es decir me informan de todo lo que es posible saber de un orbital. - Número cuántico de spin (s ó ms): Puede tomar los valores +1/2 y –1/2 . Dan idea de la alineación paralela o antiparalela a un campo magnético externo del electrón. Es importante señalar que los electrones que están en un mismo orbital tienen spin contrario. DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES: PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI Y REGLA DE HUND La configuración electrónica fundamental es la distribución más estable de los electrones en la corteza del átomo. Todos los átomos pueden presentar otras configuraciones “excitadas” donde uno o más electrones estarán situados en niveles de energía superiores a los del estado fundamental. Para saber la configuración electrónica en estado fundamental hay que considerar los siguientes principios: 1. Principio de exclusión de Pauli: no pueden existir dentro de un átomo dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales. Por lo tanto el número máximo de electrones que cabe en un orbital (los 3 primeros nº cuánticos iguales) es 2 (puesto que sólo hay dos nº de spin diferente). 2. Regla de Hund: mientras sea posible los electrones se colocan en cada subnivel energético con espines desapareados. Se le denomina regla de la máxima multiplicidad. 3. Principio de mínima energía: Los electrones están siempre en los niveles más bajos de energía. El orden de energía viene dado por el diagrama de Möller, o por la tabla periódica. (tiene dos excepciones: se llena el 5d1 antes que los 4f y los 6d1 antes que los 5f). Para usarlo es necesario saber el número atómico. 4. Regla de Madelung: Cuando dos orbitales tiene el mismo valor para “n + l” el de menor energía y más estable (el primero que se llena) es el de menor “n”. - Una orientación práctica y lógica para construir configuraciones es, conocido el número atómico, seguir la tabla periódica de arriba a abajo y de izquierda a derecha teniendo en cuenta que: a) los grupos 1 y 2 llenan los orbitales s, del 13 al 18 los orbitales p, del 3 al 12 los orbitales d (y los f con los lantánidos y actínidos); b) Para los niveles con n mayor o igual a 4 se llenas los orbitales (n-1)d; c) Para los niveles con n mayor o igual a 6 se llenan los orbitales (n-2)f. S P D 4p2 2 5s 4 4d f O(Z =8): 1s2 2s2 p4 ó 1s 2s 2p Diagramas de orbitales Ac(Z=89): 1s2 2s2 p6 3s2 p6d10 4s2 p6 d10 f14 5s2 p6 d10 6s2 p6 d1 7s2. Escepciones a las configuraciones electrónicas: Explicación: un elemento gana Elemento Configuración teórica Configuración real 2 4 1 5 estabilidad con sus orbitales d (Ar)4s 3d (Ar)4s 3d 24Cr 2 4 1 5 semillenos (caso de Cr, Mo y W) o (Kr)5s 4d (Kr)5s 4d 42Mo 2 4 1 5 llenos (caso del Cu, Ag y Au), y si (Xe)6s 5d (Xe)6s 5d 74W están muy cerca de conseguirlo (Ar)4s23d9 (Ar)4s13d10 29Cu 2 9 1 10 “promocionan” un electrón s a ese Ag (Kr)5s 4d (Kr)5s 4d 47 2 9 1 10 nivel d para obtener más estabilidad Au (Xe)6s 5d (Xe)6s 5d 79 Comentarios adicionales: - Son electrones de valencia aquellos que se sitúan en la última capa (y para los elementos “d” también algunos de la penúltima) y que son los responsables del comportamiento químico de los elementos. - Son electrones internos aquellos que se sitúan en capas interiores. Son los responsables del apantallamiento (se explicará a continuación) que sufren los electrones externos. No afectan a la reactividad química y están involucrados en procesos físicos como la producción de rayos X. EL SISTEMA PERIÓDICO ACTUAL. El sistema actual se basa en una observación de Moseley en 1914. Moseley encontró una relación entre la longitud de onda de las radiaciones que emitía un átomo y su número atómico. Por otra parte se conocía la relación entre la estructura electrónica y las propiedades de un átomo. Así se aplicó el criterio del número atómico para ordenar los átomos. Teniendo en cuenta el número atómico y la repetición de las configuraciones electrónicas se elaboró el actual sistema periódico por Werner y Paneth: consta de 18 columnas grupos o familias y siete filas o periodos de forma que, los átomos con propiedades parecidas están en la misma columna. - Hay 7 periodos, cada uno formado por todos los elementos en cuya configuración electrónica el numero cuántico principal mayor es el mismo (el “n” mayor coincide con el periodo). - Hay 18 grupos o familias, numeradas del 1 al 18. Cada una está integrada por elementos que presentan una configuración electrónica análoga en la última capa. Reciben estos nombres:1 (alcalinos); 2 (alcalinoterros)3,4,5,6,7,8,910,11,12 (metales de transición o elementos “d”); 13(térreos), 14 (carbonoideos); 15 (nitrogenoideos); 16 (anfígenos); 17 (halógenos) y 18 (gases nobles). Los grupos 1,2 (elementos “s”) y 13,14,15,16,17 (elementos “p”) son los elementos representativos. - Existen dos filas los lantánidos y actínidos que son los elementos de transición interna que completan los orbitales 4f y 5f respectivamente y pertenecen al 6º y 7º periodo. PROPIEDADES PERIÓDICAS Las propiedades de los elementos de la tabla periódica varían de forma periódica. Veamos cómo y porqué Apantallamiento y la carga nuclear efectiva Se llama apantallamiento a las repulsiones entre electrones que se dan en un átomo y que disminuye la atracción del núcleo hacia los átomos (lo que se conoce como carga nuclear efectiva) Así a mayor apantallamiento menor carga efectiva y viceversa, ya que: Z (efectiva) = Z (real) – apantallamiento. - Al bajar en un grupo aumenta el apantallamiento debido a que hay más capas de electrones (y por tanto disminuye la carga nuclear efectiva) y por tanto disminuye la atracción del núcleo hacia los e- Al desplazarnos hacia la derecha en un periodo el apantallamiento no varia ( pues hay las mismas capas de e-) y la carga nuclear efectiva aumenta pues aumenta la carga real del núcleo (los protones), y por tanto aumenta la atracción del núcleo hacia los electrones. Volumen atómico y radio atómico El volumen atómico es el cociente entre el peso atómico de un elemento y su densidad El radio atómico es “la mitad de la distancia entre dos núcleos del elemento unidos por enlace químico”. Aunque son conceptos diferentes la variación de los dos en la tabla periódica es igual. - En un grupo aumenta de arriba abajo pues hay cada vez más niveles electrónicos que hacen aumentar el tamaño del átomo. La variación en un grupo es mayor que en un periodo. - En un periodo disminuye al principio pues aumenta la atracción electrostática entre el núcleo (que cada vez tiene más protones) y los electrones de la última capa (que cada vez son más), lo que contrae el volumen del átomo. Al final de cada periodo vuelve a aumentar pues aumenta la repulsión entre los propios electrones pues cada vez hay más. Los radios iónico varían respecto a los átomos neutros: - Si se pierde electrones formándose cationes, la repulsión entre electrones es menor y el radio disminuye. - Si se ganan e- formándose aniones, la repulsión entre los electrones es mayor y el radio aumenta. En átomos e iones isoelectrónicos (mismo nº de electrones, pero núcleo diferente) el radio iónico dismimuye al aumentar el nº atómico Z, pues al aumentar la carga nuclear, la atracción electrostática aumenta. Energía o Potencial de ionización (E.I ó P.I) La energía de ionización es la energía necesaria para extraer el electrón más externo de un átomo gaseosa en estado fundamental: X (g) + E.I. X+(g) + 1e- . Se mide en eV o kJ. - En un grupo la EI disminuye al descender porque en este sentido aumenta el nº de capas de e- y por ello aumenta el apantallamiento; así el electrón a extraer está menos unido (cuesta menos energía separarlo) - En un periodo la EI aumenta al ir hacia la derecha porque aumenta el nº de protones (la carga nuclear) sin aumentar el nº de capas de e- (apantallamiento constante), con lo que la atracción es mayor (pues aumenta la carga nuclear efectiva). La variación en un periodo es mayor que en un núcleo. (Ej: alcalinos muy baja EI; gases nobles y halógenos muy alta EI) Las segundas y terceras EI son mayores que la 1ª pues ya el átomo se ha convertido en catión que se resiste a ceder otro e-. Además las 2ª y sucesivas EI dependen de la configuración electrónica pues los alcalinos (ns1) tienen una 1º EI pequeña pero una 2ª EI muy grande pues el segundo electrón es de una capa más interna y destruye el octeto de esa capa. Afinidad electrónica La afinidad electrónica es la energía intercambiada (normalmente desprendida) al cuando un átomo gaseosa en estado fundamental acepta un e- : X (g) + 1eX-(g) + AE . Se mide en eV o kJ. - En un grupo la AE disminuye al descender porque en este sentido aumenta el nº de capas de e- y el electrón a aceptar estará menos unido (se desprenderá menos energía al aceptarlo) porque hay más apantallamiento. - En un periodo la AE aumenta al ir hacia la derecha porque aumenta el nº de protones (la carga nuclear) sin aumentar el nº de capas de e- (apantallamiento constante), con lo que la atracción es mayor (pues aumenta la carga nuclear efectiva). La variación en un periodo es mayor que en un núcleo. Varía más en un periodo(Ej: alcalinos muy baja AE; halógenos muy alta AE; gases nobles no tienen AE) Electronegatividad La electronegatividad es la tendencia de un átomo para atraer el par (o los pares) de electrones del enlace que forma con otro átomo. Linus Pauling en 1932 asigno una electronegatividad (X) a cada elemento (Ej: F = 4; H = 2,1 ; N = Cl = 3; O = 3,5) - En un grupo la X disminuye al descender porque en este sentido aumenta el nº de capas de e- y la atracción por los electrones externos es menor (hay más apantallamiento). - En un periodo la X aumenta al ir hacia la derecha porque aumenta el nº de protones (la carga nuclear) sin aumentar el nº de capas de e- (apantallamiento constante), con lo que la atracción es mayor (pues aumenta la carga nuclear efectiva). La variación en un periodo es mayor que en un núcleo. Varía más en un periodo(Ej: alcalinos muy baja X; halógenos muy alta X; gases nobles no tienen X) Reactividad Los elementos más reactivos son los que tienen las anteriores propiedades más altas o bajas (EI, AE y X) pues tenderán a reaccionar para quedarse más estables. Así los elementos más reactivos son los elementos superiores de la tabla periódica situados en los extremos. Los más bajos y centrados son menos reactivos Carácter metálico Un elemento es metálico si su EI y AE son bajas. El carácter metálico aumenta hacia la izquierda y abajo. Un elemento es no metálico si su EI y AE son altas. El carácter no metálico aumenta hacia la derecha y arriba. Los metales tienden a perder electrones por lo que son buenos reductores. Los no metales tienden a ganar electrones por lo que son buenos oxidantes. Valencia La valencia iónica de los elementos (nº de electrones que pierden + o ganan – para llegar al octeto) se deduce de la configuración electrónica. Tema: FORMULACIÓN INORGÁNICA. 0. Valencia y estado o número de oxidación de un elemento. 1. Óxidos. 2. Peróxidos. 3. Hidróxidos. 4. Haluros de hidrógeno. Ácidos hidrácidos. Hidruros semimetálicos 5. Hidruros metálicos. 6. Sales neutras binarias: 7. Ácidos oxácidos. 8. Cationes y aniones. 9. Sales neutras ternarias. 10. Sales ácidas. 0. VALENCIA Y ESTADO O NÚMERO DE OXIDACIÓN DE UN ELEMENTO. La valencia de un elemento es la capacidad que tiene este elemento para combinarse con el hidrógeno y viene dada por el número de electrones captados o cedidos por este elemento cuando forma la molécula de cualquier compuesto. El número o estado de oxidación es la valencia, pero con un signo + o – qué indica, qué elemento es más electronegativo de los dos que forman el enlace. El más electronegativo tiene nº de oxidación negativo y el otro positivo. También puede verse como el número de electrones que faltan para completar la última capa (signo -) o el número de electrones que sobran para tener la última capa completa (signo +). Los números o estados de oxidación más frecuentes de los elementos de la tabla periódica son: Li Na K Rb Cs Fr +1 B: -3,+3 Al Ga +3 In Tl Be Mg Ca Sr Ba Ra +2 C: -4,+4,+2 Si: -4,+4,+2 Ge Sn +2,+4 Pb Sc Y La Ac +3 Cr: +2,+3,+6 Mo: +3,+6 W: +3,+6 Pd: +2,+4 Pt: +2,+4 Ir: +2,+4 Fe Co Ni Cu: +1,+2 Ag: +1,(+2) Au: +1,+3 +2,+3 N: -3, +1,2,3,4,5 P: -3, +1,+3,+5 As: -3, +3,+5 Sb: -3, +3, +5 Bi: +3 O: -2 S Se -2, +2,+4,+6 Te Po:+2, +4 Mn: +2,+3,+4,+6,+7 Tc: +4, +7 Re: +4, +7 Zn: +2 Cd: +2 Hg: +1,+2 F: -1 Cl Br -1, +1,+3,+5,+7 I 1. ÓXIDOS Son compuestos formados por oxígeno y un metal o un no metal. El oxígeno siempre tiene valencia 2-. (O-2) No se distinguirá entre óxidos metálicos y no metálicos (anhídridos) excepto para la nomenclatura tradicional. En las otras dos nomenclaturas, no se diferencia entre óxidos metálicos y no metálicos. * Fórmula general: M2 Ox ó Nm2Ox x= valencia del metal o del no metal * Nomenclatura: - Tradicional: óxido + nombre metal + -hipo...oso (valencia menor) -oso -ico -per...ico (valencia mayor). Estos sufijos se utilizan para no metales con cuatro valencias diferentes (Cl, Br, I, Mn). Si tienen tres valencias (S, Se y Cr) se utilizan las tres primeras y si hay dos las dos intermedias. Ej: Cl2O : óxido hipocloroso (valencia 1). Cl2O3 : óxido cloroso (valencia 3). Cl2O5 : óxido clórico (valencia 5). Cl2O7 : óxido perclórico (valencia 7). Fe2O2 = FeO: óxido ferroso (valencia 2).Fe2O3 : óxido férrico (valencia 3). Li2O: óxido de litio (si solo existe una valencia). - Sistemática (I.U.P.A.C.): prefijo (mono,di,tri) + óxido + prefijo (di,tri) + nombre metal Ej: Fe2O3 : trióxido de dihierro FeO: monóxido de hierro (si hay un solo átomo metálico no se pone prefijo). Cl2O : monóxido de dicloro Cl2O3 : trióxido de dicloro Cl2O5 : pentaóxido de dicloro Cl2O7 : heptaóxido de dicloro - Stock: óxido de + nombre metal (valencia con que áctua) Ej: FeO: óxido de hierro (II) Cl2O5 óxido de cloro (V) 2. PERÓXIDOS Son compuestos formados por oxígeno y otro elemento. El oxígeno tiene siempre valencia –1. El grupo característico es O-22 . Es decir, siempre hay dos átomos de oxígeno y nunca puede simplificarse ese “dos”, pues en los peróxidos siempre hay dos átomos de oxígeno, y sino, un número par de oxigenos. * Fórmula general: MOx(par) * Nomenclatura: - Tradicional: igual que para los óxidos pero con el prefijo per-: Ej: Li2O2 peróxido de litio H2O2 peróxido de hidrógeno, agua oxigenada. FeO2 peróxido ferroso - Sistemática: exactamente igual que para los óxidos. Ej: Li2O2 dióxido de dilitio H2O2 dióxido de dihidrógeno FeO2 dióxido de hierro - Stock: igual que para los óxidos pero con el prefijo per-. Ej: FeO2 peróxido de hierro (II) 3. HIDRÓXIDOS Son compuestos formados por grupos hidroxílo, OH -,que siempre actua con valencia –1, y un metal. * Fórmula general: M (OH)x * Nomenclatura: x= valencia del metal - Tradicional: hidróxido + nombre metal + -oso (valencia menor) -ico. (valencia mayor) Ej: Sn(OH)2 hidróxido estannoso (valencia 2). Sn(OH)4 : hidróxido estánnico (valencia 4). NaOH: hidróxido de sodio, o hidróxido sódico (si solo hay una valencia). - Sistemática (I.U.P.A.C.): (no se utiliza) prefijo (mono,di,tri) + hidróxido + nombre metal Ej: Sn(OH)2 : dihidróxido de estaño (valencia 2). Sn(OH)4: tetrahidróxido de estaño (valencia 4). NaOH: hidróxido de sodio - Stock: hidróxido de + nombre metal (valencia) Ej: Sn(OH)2 : hidróxido de estaño (II). Sn(OH)4 : hidróxido de estáño (IV). NaOH: hidróxido de sodio 4. HALUROS DE HIDRÓGENO. ÁCIDOS HIDRÁCIDOS. HIDRUROS SEMIMETÁLICOS. Ácidos hidrácidos Son compuestos formados por hidrógeno y algunos no metales (F, Cl, Br, I, S, Se, Te). El hidrógeno actúa con valencia +1 y los no metales con su única valencia negativa. El hidrógeno siempre se escribe a la izquierda. * Fórmula general: Hx Nm * Nomenclatura: x= valencia del no metal - Tradicional: ácido + nombre no metal + hídrico (en disolución acuosa) Ej: HF : ácido fluorhídrico HCl: ácido clorhídrico HBr: ácido bromhídrico HI: ácido yodhídrico H2S: ácido sulfhídrico H2Se: ácido selenhídrico H2Te: ácido telurhídrico - Sistemática (I.U.P.A.C.): nombre no metal + uro + de hidrógeno. Ej: HF : fluoruro de hidrógeno HCl: cloruro de hidrógeno HBr: bromuro de hidrógeno HI: yoduro de hidrógeno H2S: sulfuro de hidrógeno H2Se: seleniuro de hidrógeno H2Te: teluluro de hidrógeno Estos son todos los ácidos hidrácido que existen. No hay más. Hidruros semimetálicos Existen otros hidruros no metálicos o semimetálicos que reciben los siguientes nombres (el hidrógeno se pone en estos casos al final, pues no actúan como ácidos, y actúa con la valencia +1, y los no metales con su única valencia negativa) Compuesto Nom. Tradicional Nom. Funcional (I.U.P.A.C) BH3 Borano Trihidruro de boro CH4 Metano metano SiH4 Silano Tetrahidruro de silicio NH3 Amoniaco amoniaco PH3 Fosfina Trihidruro de fósforo AsH3 Arsina Trihidruro de arsénico SbH3 Estibina Trihidruro de antimonio 5. HIDRUROS METÁLICOS. Son compuestos formados por hidrógeno y un metal. Son los únicos compuestos, juntos con los anteriores, donde el hidrógeno actúa con valencia –1. y los metales con su valencia positiva. Ahora el hidrógeno siempre se escribe a la derecha. * Fórmula general: M Hx x= valencia del metal * Nomenclatura: - Tradicional: hidruro + nombre metal + Ej: NaH : hidruro de sodio, hidruro sódico. CuH2: hidruro cúprico -oso -ico CuH: hidruro cuproso AlH3: hidruro de aluminio - Sistemática (I.U.P.A.C.): prefijo + hidruro + nombre metal. Ej: NaH : hidruro de sodio CuH: hidruro de cobre CuH2: dihidruro de cobre AlH3: trihidruro de aluminio - Stock: hidruro de + nombre metal (valencia del metal) Ej: CuH2: hidruro de cobre (II) 6. SALES NEUTRAS 6.1. Sales neutras: no metales + metales Son compuestos formados por no metales (F, Cl, Br, I, S, Se, Te, N, P, As, Sb, C, Si, B), que actúan con su valencia negativa, y un metal. Provienen de los ácido hidrácidos. Los elementos metálicos siempre se escriben a la izquierda pues son los menos electronegativos. * Fórmula general: My Nmx * Nomenclatura: x= valencia del metal; Nm= no metal; M = metal y = valencia negativa. - Tradicional: nombre no metal + uro + nombre metal + -oso -ico Ej: LiF : fluoruro de litio CaF2: fluoruro de calcio AlCl3: cloruro de aluminio KI : Yoduro de potasio FeCl2 : cloruro ferroso. FeBr3 : bromuro férrico Na4C : carburo de sodio - Sistemática (I.U.P.A.C.): pref + no metal + uro + nombre metal. LiF : fluoruro de litio CaF2: difluoruro de calcio AlCl3: tricloruro de aluminio MnS: sulfuro de manganeso KI : Yoduro de potasio FeCl2 : dicloruro de hierro. FeBr3 : tribromuro de hierro Na4C : carburo de tetrasodio - Stock: Nombre no metal + -uro de nombre metal (valencia) Ej: CuBr2: bromuro de cobre (II) MnS: sulfuro de manganeso (II) 6.2. Sales neutras: no metales + no metales Son compuestos formados por no metales (F, Cl, Br, I, S, Se, Te, N, P, As, Sb, C, Si, B). El elemento más electronegativo se coloca a la derecha (actúa con su valencia negativa) y el menos electronegativo a la izquierda (actúa con cualquiera de sus valencias positivas) * Fórmula general: Nmy Nmx * Nomenclatura: x= valencia del no metal; y= valencia negativa del no metal - Sistemática (I.U.P.A.C.): pref + no metal(+e) + uro + nombre no metal. BrF3 : trifluoruro de bromo BrCl: cloruro de bromo SeI2: diyoduro de selenio CCl4 : tetracloruro de carbono BP : fosfuro de boro CS2 : disulfuro de carbono B2S3 : trisulfuro de diboro IF7 : heptafluoruro de yodo - Stock: no metal + -uro + de no metal (valencia) BrCl: cloruro de bromo (I) SeI2: yoduro de selenio (II) 7. ÁCIDOS OXÁCIDOS Son compuestos formados por oxígeno-hidrógeno y un no metal (o metales de transición). Cuando se encuentran en disolución acuosa, dejan protones en libertad, y las disoluciones se vuelven ácidas. Los ácidos oxoácidos se obtienen añadiendo 1 (ó más) moléculas de agua al óxido o anhídrido correspondiente. * Fórmula general: Hx Xy Oz * Nomenclatura: X= no metal, Cr, Mn, Tc, Mo, W, V, (Nb, Ru, Re Sc) . - Tradicional: ácido + nombre no metal + hipo....oso oso ico per.....ico Ej: Cl2O + H2O =H2Cl2O2 = HClO : ácido hipocloroso Cl2O3 + H2O =H2Cl2O4 = HClO2 : ácido cloroso Cl2O5 + H2O =H2Cl2O6 = HClO3 : ácido clórico Cl2O7 + H2O =H2Cl2O8 = HClO4 : ácido perclórico - Sistemática (I.U.P.A.C.): pref (nº oxig) + oxo + nombre no metal (val) + -ato de hidrógeno Ej: HClO : oxoclorato (I) de hidrógeno HClO2 : dioxoclarato (III) de hidrógeno HClO3 : trioxoclorato (V) de hidrógeno HClO4 : tetraoxoclorato (VII) de hidrógeno - Stock: Ácido pref (nº oxig) + oxo + nombre no metal + ico (val) Ej: HClO : ácido oxoclorico (I) HClO2 : ácido dioxoclorico (III) HClO3 : ácido trioxoclorico (V) HClO4 ácido tetraoxoclorico (VII) Prefijos meta y orto: Estos prefijos hacen referencia al número de moléculas de agua que tiene el ácido. Se usan para los ácidos del P, As y Sb, Si y B, I(VII) y Te(VI) - meta: se añade una sola molécula de agua - orto: se añaden dos (Si) o tres moléculas de agua Compuesto Nom. Tradicional Nom Sistemática (I.U.P.A.C) P2O3 + H2O = HPO2 Ácido metafosforoso Dioxofosfato (III) de hidrógeno P2O3 + 3 H2O = H3PO3 Ácido (orto)fosforoso Trioxofosfato (III) de hidrógeno La terminación orto se puede suprimir. Así , el ácido orto fosfórico, orto arsénico u orto antimómico, se nombran generalmente como ácido fosfórico, ácido arsénico y ácido antimónico. Regla práctica: Si un ácido de los elementos señalados (P,As,Sb, Si, B, I(VII), Te(IV)) tiene tres o más hidrógenos es orto. Si tiene 1 ó 2 es meta. Prefijos di, tri, tetra: Estos prefijos hacen referencia al grado de polimerización de los ácidos. - di: se forma quitando 1 molécula de agua a dos moléculas del ácido - tri: se forma quitando 2 moléculas de agua a tres moléculas de ácido Ejemplos: 2 H2SO4 - 1 H2O = H2S2O7 ácido disulfúrico/heptaoxodisulfato(VI) de hid. 3 H3PO4 - 2 H2O = H5P3O10 ácido trifosfórico/decaoxotrifosfato (V) de hid. Lista de ácidos: Nomenclatura. Tradicional Sistemática Cl2O + H2O =H2Cl2O2 = HClO : ácido hipocloroso oxoclorato (I) de hidrógeno Cl2O3 + H2O =H2Cl2O4 = HClO2 : ácido cloroso dioxoclorato (III) de hidrógeno Cl2O5 + H2O =H2Cl2O6 = HClO3 : ácido clórico trioxoclorato (V) de hidrógeno Cl2O7 + H2O =H2Cl2O8 = HClO4 : ácido perclórico tetraoxoclorato (VII) de hidrógeno Br2O + H2O =H2Br2O2 = HBrO : ácido hipobromoso oxoborato (I) de hidrógeno Br2O3 + H2O =H2Br2O4 = HBrO2 : ácido bromoso dioxoborato (III) de hidrógeno Br2O5 + H2O =H2Br2O6 = HBrO3 : ácido bromico trioxoborato (V) de hidrógeno Br2O7 + H2O =H2Br2O8 = HBrO4 : ácido perbromico tetraoxoborato (VII) de hidrógeno I2O + H2O =H2I2O2 = HIO : ácido hipoyodoso oxoyodato (I) de hidrógeno I2O3 + H2O =H2I2O4 = HIO2 : ácido yodoso dioxoyodato (III) de hidrógeno I2O5 + H2O =H2I2O6 = HIO3 : ácido yodico trioxoyodato (V) de hidrógeno I2O7 + H2O =H2I2O8 = HIO4 : ácido metaperyodico tetraoxoyodato (VII) de hidrógeno 2 H2O + HIO4 = H5IO6 ácido (orto)peryodico hexaoxoyodato (VII) de hidrógeno SO + H2O = H2SO2 ácido hiposulfuroso SO2 + H2O = H2SO3 ácido sulfuroso SO3 + H2O = H2SO4 ácido sulfurico SeO + H2O = H2SeO2 ácido hiposelenioso SeO2 + H2O = H2SeO3 ácido selenioso SeO3 + H2O = H2SO4 ácido selénico TeO + H2O = H2TeO2 ácido hipoteluroso TeO2 + H2O = H2TeO3 ácido teluroso TeO3 + H2O = H2TeO4 ácido metatelúrico TeO3 + 3H2O = H6TeO6 ácido (orto)telúrico N2O + H2O = HNO ácido hiponitroso NO + H2O = H2NO2 ácido nitroxílico N2O3 + H2O = HNO2 ácido nitroso N2O5 + H2O = HNO3 ácido nítrico P2O + H2O = HPO ácido metahipofosforoso P2O + 3 H2O = H3PO2 ácido (orto)hipofosforoso P2O3 + H2O = HPO2 ácido metafosforoso P2O3 + 3 H2O = H3PO3 ácido (orto)fosforoso P2O5 + H2O = HPO3 ácido metafosfórico P2O5 + 3 H2O = H3PO4 ácido (orto)fosfórico As2O3 + H2O = HAsO2 ácido metaarsenioso As2O3 + 3 H2O = H3AsO3 ácido (orto)arsenioso As2O5 + H2O = HAsO3 ácido metaarsénico As2O5 + 3 H2O = H3AsO4 ácido (orto)arsénico Sb2O3 + H2O = HsbO2 ácido metaantimonioso Sb2O3 + 3 H2O = H3SbO3 ácido (orto)antimonioso Sb2O5 + H2O = HSbO3 ácido metaantimónico Sb2O5 + 3 H2O = H3SbO4 ácido (orto)antimónico CO + H2O = H2CO2 ácido carbonoso CO2 + H2O = H2CO3 ácido carbónico SiO + H2O = H2SiO2 ácido silicioso SiO2 + H2O = H2SiO3 ácido metasilícico SiO2 + 2 H2O = H4SiO4 ácido (orto)silícico B2O3 + H2O = HBO2 ácido metabórico B2O3 + 3 H2O = H3BO3 ácido (orto)bórico CrO3 + H2O = H2CrO4 ácido crómico MnO3 + H2O = H2MnO4 ácido mangánico Mn2O7 + H2O = HMnO4 ácido permangánico TcO3 + H2O = H2TcO4 ácido tecnético Tc2O7 + H2O = HTcO4 ácido pertecnético ReO3 + H2O = H2ReO4 ácido rénico 2 H2SO4 – H2O = H2S2O7 ácido disulfúrico 2 H2SO3 – H2O = H2S2O5 ácido disulfuroso 2 H2SeO4 – H2O = H2Se2O7 ácido diselénico 2 H3PO4 – H2O = H4P2O7 ácido difosfórico 3 H3PO4 – 2H2O = H5P3O10 ácido trifosfórico 2 H2CrO4 – H2O = H2Cr2O7 ácido dicrómico 8. CATIONES Y ANIONES Los iones son especies químicas con carga: si la carga es positiva se llamas cationes y si es negativa aniones. Estas especies se producen cuando un átomo o grupo de átomos pierde electrones de la última capa (se forman cationes) o gana electrones que los coloca en la última capa (se forman aniones). Iones monoatómicos. Nomenclatura: - Tradicional: ión + nombre del metal + (-oso/-ico en función del estado de ox) ión + nombre no metal + -uro Ej: K+: ión potasio Fe2+: ión ferroso Cl- : ión cloruro - Sistemática (I.U.P.A.C.): ión + nombre metal (estado ox) ión + nombre no metal + -uro Ej: K+: ión potasio Fe2+: ión hierro (II) Cl- : ión cloruro Iones poliatómicos. Son iones que provienen de una molécula que ha perdido algún/os átomos. - Tradicional: ión + nombre no metal + hipo-/per- .... –ito/-ato Ej: SO42-: ión sulfato ClO-: ión hipoclorito - Sistemática: ión + pref(nº de oxígeno) + -oxo + nombre no metal + -ato (val) Ej: SO42-: ión tetraoxosulfato(VI) ClO-: ión oxoclorato (I) Otros iones importantes: NH4+: ión amonio H3O+: ión hidrónio u oxonio OH- : ión hidroxilo 9. SALES NEUTRAS (TERNARIAS) Son compuestos formados por un metal, un no metal y oxígeno. Provienen de los ácidos oxácidos, donde todos los hidrógenos se sustituyen por un metal. * Fórmula general: Mx Nmy Oz * Nomenclatura: - Tradicional: nombre no metal + hipo.....ito + nombre metal + (-ico) -ito (-oso) -ato per.......ato Es decir, la terminación –oso pasa a “-ito” y la terminación –ico pasa a “-ato” Sistemática (I.U.P.A.C.): pref (nº oxig) + oxo + nombre no metal + -ato (val) de nombre metal (valencia, si hay + de 1) Ejemplos Tradicional Funcional NaClO (Na+ / ClO-) hipoclorito sódico oxoclorato (I) de sodio NaClO2 (Na+ / ClO2-) clorito sódico dioxoclorato (III) de sodio NaClO3 (Na+ / ClO3-) clorato sódico trioxoclorato (V) de sodio NaClO4 (Na+ / ClO4-) perclorato sódico tetraoxoclorato (VII) de sodio K2SO3 (2K+ / SO32-) sulfito potásico trioxosulfato (IV) de potasio MgSO4 (Mg2+/ SO42-) sulfato de magnesio tetraoxosulfato (VI) de magnesio NaNO (Na+ / NO- ) hiponitrito de sodio oxonitrato (I) de sodio Li2CO3 carbonato de litio trioxocarbonato (IV) de litio Fe2[CO3]3 carbonato férrico trioxocarbonato (IV) de hierro (III) Cu[NO3]2 nitrato cúprico trioxonitrato (V) de cobre (II) Cu(NO3) nitrato cuproso trioxonitrato (V) de cobre (I) Co2[CO3]3 carbonato cobáltico trioxocarbonato (IV) de cobalto (III) Ca(ClO3)2 clorato cálcico trioxoclorato (V) de calcio Aunque en realidad supone una mezcla de ambas nomenclaturas se acepta esta forma de nombrar: Carbonato de hierro (III) Fe2(CO3)3; nitrato de cobre (II) = Cu(NO3)2 10. SALES ÁCIDAS Las sales ácidas provienen de la sustitución parcial de los iones hidrógeno de un ácido por un metal. Por tanto están constituidas por oxígeno, hidrógeno, no metal y metal. * Fórmula general: MxHo Nmy Oz * Nomenclatura: - Sistemática (I.U.P.A.C.): (di, tri) hidrógeno(nº oxig) + oxo + nombre no metal + -ato (val)) de nombre metal (valencia, si hay + de 1) Ejemplos Tradicional Sistemática K2HPO4 hidrógenofosfato de potasio hidrógenotetraoxofosfato (V) de potasio KH2PO4 dihidrógenofosfato de potasio dihidrógenotetraoxofosfato (V) de potasio NaHCO3 hidrógenocarbonato de sodio hidrógenotrioxocarbonato (IV) de sodio Cr(HSO3)3 hidrógenosulfito de cromo(III) hidrógenotrioxosulfato (IV) de cromo (III) A veces todavía se utiliza otra forma: KH2PO4 = fosfato diácido de potasio; NaHCO3= carbonato ácido de sodio Sólo con el NaHCO3 se utiliza el nombre de bicarbonato sódico, pues es un nombre muy común. Ejercicio de Formulación 2º Bachillerato 05/06 Nombre: nº: Completa con la fórmula o los nombres correspondientes la siguiente tabla: FÓRMULA TRADICIONAL IUPAC STOCK Ácido metaarsénico Ácido dioxosulfúrico (II) Sn(OH)4 Nitrito de cadmio ----------------------------Cromato de niquel (III) ----------------------------Peróxido de potasio Hidrógenofosfato de sodio ----------------------------Dicromato de potasio ----------------------------CoF3 FeH2 Óxido de estaño (IV) Permanganato de mercurio (I) -----------------------Bromuro de oro (III) Trioxoborato (III) de hidrógeno Seleniuro de hierro Ion trioxosulfato (IV) ------------------------2-metil-1,4-pentanodiol 3-heptenal Ácido 3-amino hexanoico CH3 CHCl CH2 NO2 2,3-dicloro-2-buteno CH= C CH2 CH(CH3)CH2CH3 CH3COOCH2CH3 Cianuro de propilo m-etilfenol CH3CH(CH3)CONH2 C6H5-O-CH3 3-pentanona Ácido acético CH3NHCH(CH3)2 CH2=CH CH2 CHCl2 Ácido benzoico Ejercicio de Formulación 2º Bachillerato 05/06 Nombre: Completa con la fórmula o los nombres correspondientes la siguiente tabla: FÓRMULA TRADICIONAL IUPAC 2SO3 Ácido selenhídrico H3BO3 Tribromuro de oro Cromato de niquel (II) SnO2 Hidrógenoarseniato de sodio nº: STOCK -------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------Sulfuro de cinc AuH3 Dicromato de litio Peróxido de potasio Permanganato de mercurio(II) ---------------------------- Dioxonitrato (III) de cadmio Dioxosulfato (II) de hidrógeno -------------------------------------------------------Hidróxido de estaño (IV) ----------------------------- HAsO3 3-etil-1,4-pentanodiol CH3CH2CH2CH=CHCH2CHO CH3CH2CH2CHNH2CH2COOH Acetileno CH3CCl =CClCH3 CH= C CH2 CH(CH3)CH2CH3 Acetato de etilo CH3CH2CH2CN m-etilfenol 2-metilbutanamida Fenilmetiléter CH3CH2COCH2CH3 CH3CH2CH2 COONa Metilisopropilamina 4,4-dicloro-1-buteno C6H5COOH Corrección del ejercicio de Formulación Nombre: 2º Bachillerato 04/05 nº: Completa con la fórmula o los nombres correspondientes la siguiente tabla: FÓRMULA TRADICIONAL IUPAC STOCK H2CO3 Ácido carbónico Trioxocarbonato(IV)de (di)hidrógeno Ácido trioxocarbónico (III) H2SO2 Ácido hiposulfuroso Dioxosulfato (II) de (di)hidrógeno Ácido dioxosulfúrico (II) Sn(OH)4 Hidróxido estánnico Tetrahidróxido de estaño Hidróxido de estaño (IV) Cd(NO2)2 Nitrito de cadmio dioxonitrato (III) de cadmio Ni2(CrO4)3 Cromato de niquel (III) tetraoxocromato(VI) de (di)niquel (III) K2O2 Peróxido de potasio Dióxido de dipotasio Peróxido de potasio Na2HPO4 Hidrógeno(orto)fosfato de Hidrógenotetraoxofosfato(V) de sodio (di)sodio K2Cr2O7 Dicromato de potasio Heptaoxodicromato(VI) de (di)potasio CoF3 Fluoruro cobáltico Trifluoruro de cobalto Fluoruro de cobalto (III) FeH2 Hidruro ferroso Dihidruro de hierro Hidruro de hierro (II) SnO2 Óxido estánnico Dióxido de estaño Óxido de estaño (IV) HgMnO4 Permanganato de Tetraoxomanganato (VII) de mercurio (I) mercurio (I) AuBr3 Bromuro aúrico Tribromuro de oro Bromuro de oro (III) H3BO3 Ácido (orto) bórico Trioxoborato (III) de hidrógeno Ácido trioxobórico (III) Fe Se Seleniuro ferroso Seleniuro de hierro Seleniuro de hierro (II) 2SO3 Ión sulfito Ion trioxosulfato (IV) 2-metil-1,4-pentanodiol CH2OHCH(CH2CH3)CH2CHOHCH3 3-heptenal CH3CH2CH2CH=CHCH2CHO Ácido 3-amino hexanoico CH3CH2CH2CHNH2CH2COOH 1-nitropropano CH3 CH2 CH2 NO2 CH3CCl =CClCH3 2,3-dicloro-2-buteno CH= C CH2 CH(CH3)CH2CH3 4-metil-1-hexino Acetato de etilo Etanoato de etilo Cianuro de propilo m-etilfenol 2-metilpropanamida Fenilmetiléter 3-pentanona Ácido acético Metilisopropilamina 4,4-dicloro-1-buteno Butanoato de sodio Acetileno Ácido benzoico CH3COOCH2CH3 CH3CH2CH2CN C6H4(OH)(CH2CH3) en posición 1,3 CH3CH(CH3)CONH2 C6H5-O-CH3 CH3CH2COCH2CH3 CH3COOH CH3NHCH(CH3)2 CH2=CH CH2 CHCl2 CH3CH2CH2 COONa CH= CH C6H5COOH Ejercicio de Formulación 2º Bachillerato 06/07 Nombre: nº: Completa con la fórmula o los nombres correspondientes la siguiente tabla: FÓRMULA SISTEMÁTICA STOCK TRADICIONAL HIO3 Hidróxido de bismuto (III) ----------------------------------CoPO4 ------------------------------------------------------------------- Nitrito de cinc Ácido arsénico Al(HSO4)3 --------------------------------Trióxido de diniobio ---------------------------------Fluoruro de plomo (II) ---------------------------------Na2Cr2O7 --------------------------------NH4Cl ---------------------------------Seleniuro de hidrógeno --------------------------------Peróxido de bario ---------------------------------Permanganato de mercurio (I) Cromato de estaño (IV) Hidruro de potasio H2SO3 ------------------------o-bromofenol (CH)3N Ácido 2-hidroxibutanoico CH3 O C6H5 2-cloro-1-nitro-2-buteno CH2 = CH CH2 CH(CH3)CH=CH2 CH3 CH2CONH2 metilpropano butanonitrilo CH3CH2COCH3 CH3CH2COOCH2CH3 CHCl3 Ácido acético CH3CH=CHCHO metanal m-etilmetilbenceno TEMA : FORMULACIÓN ORGÁNICA 1. Hidrocarburos. 1.1. Alcanos 1.2. Alquenos 1.3. Alquinos 1.4. Hidrocarburos cíclicos saturados. 1.5. Hidrocarburos aromáticos (Hidrocarburos cícliclos insaturados). 2.Derivados halogenados de hidrocarburos. 3.Alcoholes. Fenoles. 4.Éteres. 5.Aldehidos y cetonas. 6Ácidos carboxilicos. Ésteres. 7.Aminas. 8.Amidas. 9. Nitrilos o cianuros. 1. HIDROCARBUROS Son compuestos constituidos exclusivamente por carbono e hidrógeno. Pueden la forma se clasifican en: a) Acíclicos. Son hidrocarburos de cadenas carbonadas abiertas. Ej: CH3-CH2-CH2-CH3 butano b) Cíclicos. Son hidrocarburos de cadenas carbonadas cerradas, formadas al unirse dos átomos terminales de una cadena lineal. Según el tipo de enlace que tengan se clasifican en: a) Alcanos (h. saturados o parafinas): Hay solo enlaces simples entre los átomos de carbono. b) Alquenos (h. insaturados u olefinas): hay al menos un doble enlace. c) Alquinos (h. saturado o acetilenos): hay al menos un triple enlace. d) Hidrocarburos aromáticos: son los derivados del benceno. 1.1. ALCANOS 1. Según las normas de la IUPAC, para la nomenclatura de los alcanos lineales se consideran dos casos: Los cuatro primeros compuestos reciben los nombres siguientes: Metano, etano, propano, butano. Los prefijos en negrita significan 1, 2, 3 y 4 carbonos respectivamente. Los compuestos siguientes se nombran utilizando como prefijos los numerales griegos (pent-, hex-, hep-, oct, non, deca...) que indican el número de átomos de carbono de la cadena, añadiéndoles la terminación ano, que es genérica y aplicada a todos los hidrocarburos saturados (de ahí el nombre de alcanos). Ejemplos: Fórmula Fórmula semidesarrollada Nombre C5H12 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 pentano C6H14 CH3-(CH2)4-CH3 hexano C7H16 CH3- (CH2)5-CH3 heptano C8H18 CH3- (CH2)6-CH3 octano C9H20: CH3- (CH2) 7-CH3 nonano C10H22 CH3- (CH2)8-CH3 decano C11 H24: CH3- (CH2) 9-CH3 undecano C12H26 CH3-(CH2)10 -CH3 dodecano C13H28: CH3- (CH2) 11-CH3 tridecano Otros: tetradecano(14), pentadecano(15), hexadecano(16), heptadecano(17), octadecano(18), nonadecano(19), eicosano (20), eneicosano (21), docosano (22), tricosano (23), tetracosano (24), tríacontano(30), tetracontano (40). 2. Los radicales de hidrocarburos son grupos de átomos que se obtienen por pérdida de un átomo de hidrógeno. - Los radicales derivados de los alcanos por pérdida de un átomo de hidrógeno de un carbono terminal se nombran sustituyendo la terminación ano por –ilo, o la terminación il si el radical está unido a una cadena carbonada. Ej: CH3metilo (metil) ; CH3-CH2etilo (etil) CH3-CH2-CH2propilo (propil);CH3-CH2-CH2-CH2butilo (butil) C6H5-: fenilo (fenil) - Pero también existen radicales ramificados. En estos casos, se considera la cadena más larga como el radical principal, y la ramificación se señala mediante un localizador (número) que empieza a contar por la ramificación. Ej: CH3-CH2-CH-CH22-metilbutilo CH3-CH2-CH2-CH1-metilbutilo CH3 CH3 - Hay otros radicales que tienen un nombre común aceptado: Ej: CH3-CHisoprilo (1-metiletilo) CH3-CH-CH2- isobutilo (2-metilpropilo) CH3 CH3 3. Según las normas de la IUPAC, para nombrar alcanos de cadena ramificada se procede de la forma siguiente: Se elige como cadena principal la que contenga el mayor número de átomos de carbono. Si hay más de una cadena con el mismo número de átomos, se elige la cadena que tenga más radicales. Si el número de radicales es también el mismo, se elige como cadena principal la de localizadores más bajos. Se numera la cadena principal de un extremo a otro, de tal forma que se asignen los números más bajos (localizadores) a los carbonos que posean ramificaciones. Los localizadores se escriben delante del nombre del radical, separados de él por un guión. Los radicales se nombran delante de la cadena principal en orden alfabético. Ej: CH3-CH2-CH2-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 4-propiloctano CH2-CH2-CH3 La cadena más larga es la de 8 carbonos. CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-CH2-CH3 6 – etilundecano CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 La cadena más larga es la de once carbonos CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 CH3 CH2-CH3 5-etil-3-metiloctano (y no 4-etil-6-metiloctano) Si al numerar la cadena principal, empezando por cualquiera de sus extremos, los sustituyentes están en los mismos números, se asigna el localizador menor a la primera cadena lateral que se cita (por orden alfabético). Ej: CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3 Los localizadores son 3,5 y 8 empezando a contar por CH3 CH2 CH2-CH3 ambos lados. Se nombra dando el localizador más bajo al CH2 radical que se nombra primero por orden alfabético CH3 3-etil-7-metil-5-propilnonano (y no 7-etil-3-metil-5propilnonano) Sólo se pueden acumular localizadores que se refieren a radicales idénticos. En este caso, los localizadores se separan entre sí por comas y los nombres de los radicales llevan los prefijos di, tri, tetra, etc. Ej: CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH-CH3 4-etil-2,7-dimetiloctano CH3 CH2-CH3 CH3 (En los radicales sencillos (no ramificados) no se tienen en cuenta los prefijos multiplicativos para el orden alfabético. Los radicales complejos (ramificados) se nombran según el orden alfabético, teniendo en cuenta en dicho orden los prefijos multiplicativos de los radicales complejos. estos se escriben poniéndolos entre paréntesis.) 1.2. ALQUENOS 1. Son compuestos que tienen uno o más dobles enlaces entre átomos de carbono. Nomenclatura: - Se elige la cadena mas larga que contiene al doble enlace y se nombra como los alcanos pero con la terminación –eno. - Se numera la cadena a partir del extremo más próximo al doble enlace, de forma que al doble enlace le corresponda el localizador más bajo. Se indica con un número el carbono sobre el que está el doble enlace. - Si hay ramificaciones, se nombran como en los alcanos. Ej: CH3-CH=CH-CH3 2- buteno CH3-CH2-CH=CH2 1-buteno CH3-CH2-CH-CH=CH2 3-etil-1penteno CH2-CH3 - Cuando un hidrocarburo contiene más de un doble enlace, se elige como cadena principal la que tiene mayor número de dobles enlaces, aunque no sea la mas larga. Se utilizan para nombrarlo las terminaciones: -dieno, trieno, etc. Se comienza a numerar por el extremo que asigne los localizadores más bajos a los dobles enlaces. Ej: CH3-CH=CH-CH=CH-CH2-CH=CH2 1,4,6-octatrieno (y no 2,4,7 octatrieno) CH3-CH=CH-C=CH-CH2-CH3 4-butil-2,4-heptatrieno CH2-CH2-CH2-CH3 2. Los radicales de alquenos se nombran igual que los radicales de los alcanos pero con la terminación -enilo, y se señala con un localizador la presencia del doble enlace. Ej:CH2=CH-CH- 2propenilo; CH2 =CH- etenilo o vinilo 1.3. ALQUINOS 1. Son hidrocarburos que presentan uno o más triples enlaces entre los átomos de carbono. Nomenclatura: - La cadena principal es la que contiene el triple enlace y se añade la terminación -ino. Se numera la cadena a partir del extremo más próximo al triple enlace. - La posición de éste se indica mediante el localizador correspondiente, que será el menor de los dos números asignados a los dos átomos de carbono unidos por el triple enlace. El localizador se coloca delante del nombre. - Si en un compuesto existen dos o más triples enlaces, se utilizan para nombrarlo las terminaciones -diino, triino, etc. Se numera asignando a los carbonos con triple enlace los localizadores más bajos que se pueda. Ej: CH3-CH2-C= CH 1-butino CH3-CH2-C= C-CH2-CH2-C=CH 1,5-octadiino CH3-CH-C= CH 3-metil-1-pentino CH2-CH3 2. En hidrocarburos con dobles y triples enlaces se numera la cadena de tal forma se les asignan los localizadores más bajos a las insaturaciones (dobles y triples enlaces) prescindiendo de que sean enlaces dobles o triples. Se nombra 1º los dobles enlaces (suprimiendo la –o- de eno) y después los triples enlaces. Ej: CH2=CH-C=C-C=C- CH 1-hepten-3,5-diino; CH3-CH2-C=C-CH=CH-CH=CH2 1,3-octadien-5-ino - Cuando los localizadores de las insaturaciones coinciden al numerar por izquierda y derecha, se da preferencia a los dobles enlaces sobre los triples . Ej: CH2=CH-C= CH 1-buten-3-ino (no 3-buten-1-ino) - Cuando hay ramificaciones (cadenas laterales) se toma como cadena principal la que posea mayor número de dobles y triples enlaces. Si hay varias cadenas con igual número de dobles y triples enlaces, la principal es la más larga. Y si son igualmente largas, la principal es la que tiene mayor número de dobles enlaces. Ej: CH2-CH2-CH3 CH=-C-C=C-CH=CH2 4-etinil-3-etil-1,3-heptadieno CH2-CH3 3.Los radicales alquinilos se nombran igual que los radicales alquenilos, pero añadiendo la terminación –inilo. Ej: CH= Cetinilo CH3-CH2-C= C1-butinilo 1.4. HIDROCARBUROS CÍCLICOS SATURADOS Son hidrocarburos de cadena cerrada, donde los átomos de carbono del están unidos por enlaces sencillos. Se nombran anteponiendo el prefijo ciclo al nombre del alcano de cadena abierta de igual número de átomos de carbono: Ciclobutano , Ciclohexano Los radicales se nombran con el sufijo –ilo. Ej: ciclopropilo 1.5. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS El benceno es la base de estos compuestos. Es un compuesto muy peculiar (muy estable).Debido a que los primeros derivados del benceno se obtuvieron de plantas aromáticas se les dio el nombre de hidrocarburos aromáticos. Su fórmula se expresa de uno de estos tres modos: ====== ====== 1. Los hidrocarburos aromáticos proceden del benceno, por sustitución de uno o más átomos de hidrógenos por otras cadenas. Se nombran del siguiente modo. - Los compuestos aromáticos que tienen un sustituyente se nombran anteponiendo los nombres de los radicales a la palabra benceno. Ejemplos: Metilbenceno, Etilbenceno - Cuando hay dos sustituyentes, su posición relativa se indica mediante los números 1,2, 1,3 y l,4, o mediante los prefijos orto (o), meta(m) y para (p), respectivamente. Ejemplos: 1-etil-2-metilbenceno 1-etil-3-metilbenceno 1-etil-4-metilbenceno orto-etilmetilbenceno meta-etilmetilbenceno para-etílmetilbenceno o-etilmetilbenceno m-etilmetilbenceno p-etilmetilbenceno - Si hay tres o más sustituyentes, se numera el hidrocarburo de tal manera que estos radicales reciban los localizadores más bajos en conjunto. Si hay varias opciones se dará los localizadores más bajos a los radicales por orden de preferencia. Siempre se citan en orden alfabético. - Algunos hidrocarburos aromáticos reciben nombres vulgares que son aceptados: tolueno, xileno, estireno. 2. Existen muchos hidrocarburos policíclicos fusionados. Los más importantes: Naftaleno,Antraceno, Fenantreno 1.5. DERIVADOS HALOGENADOS DE LOS HIDROCARBUROS Son hidrocarburos que contienen en su molécula átomos de halógeno (F. Cl, Br, I) 1. Se nombran anteponiendo el nombre del halógeno (fluoro, cloro bromo, yodo) al del hidrocarburo. La posición de los átomos de halógeno se indica por medio de localizadores.(Algunos compuestos también pueden nombrarse mediante la nomenclatura Función-Radical, donde el compuesto se considera un haluro de alquilo) Ejemplos: CH3-CH2-CH2-CI 1 –cloropropano; o-diclorobenceno CI-CH2-CH2-CI 1 2-dicloroetano; 2,3-dibromobutano CH3-CH=CH-CI 1-cloro-1-propeno; 4-cloro-2-penteno 2. Existen algunos derivados halogenados que tienen nombres triviales: Ejemplos: CHF3 fluoroformo; CHCl3 cloroformo; CHBr3 bromoformo; CHI3 yodoformo 2. ALCOHOLES (R-OH) Y FENOLES (Ar-OH) Los alcoholes se consideran derivados de los hidrocarburos al sustituir un hidrógeno por un -OH (hidroxilo). Si el hidrocarburo es lineal, da lugar a los alcoholes. CH3-CH2-CH3 Propano; CH3-CH2-CH2-OH Propanol Si el hidrocarburo es aromático, se obtienen los fenoles. Pueden existir alcoholes con varios grupos hidroxilo: son los polialcoholes. Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, según esté unido el grupo funcional (-OH) a un carbono primario, secundario o terciario.» (Los átomos de carbono pueden ser: primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios según estén unidos. respectivamente, a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono) 2.1. ALCOHOLES (R-OH) Nomenclatura: se nombra añadiendo la terminación ol al hidrocarburo de que procede. Ej: CH3-CH2-OH Etanol; CH3OH metanol o formol; - Si el alcohol es secundario o terciario, se numera la cadena principal de tal modo que el localizador más bajo corresponda al carbono unido al radical –OH. - Si se trata de un polialcohol. al nombrarlo se colocan los sufijos di, trí, tetra, etc., para indicar el número de grupos -OH. En cuanto a la numeración de la cadena, se sigue el criterio indicado anteriormente. Ej: CH3-CHOH -CH2OH 1,2-propanodiol CH2OH-CH2-CH2OH 1 3-propanodiol CH2OH-CH2-CHOH-CH3 1,3-butanodiol CH2OH-CHOH-CH2OH 1,2,3-propanotriol (glicerina) Ejemplos: 2-metil-1-butanol; 2-metil-2-propanol; 3,7-dimetil-2,6-octadien-1-ol; 2-propen-1-ol; 2,3-dimetil-2,3-butanodiol; 2-buten-1-ol; 2-buten-1,4-diol; 4-metil-2-penten-1-ol. 2.2. FENOLES (Ar-OH): Se obtienen al sustituir uno o más átomos de hidrógeno del benceno por grupos -OH. Si se sustituye un solo átomo de hidrógeno, se obtienen los fenoles; si son varios, difenoles, tri fenoles, etc. Nomenclatura: nombre del hidrocarburo aromático + ol Si existen varios radicales -OH, se numeran los átomos de carbono del benceno de modo que a los carbonos con grupos hidroxilo les corresponda la numeración más baja en conjunto; al nombrar los polifenoles, deben escribirse los localizadores y los prefijos correspondientes: di, tri, etc. 4-metil-1 2-bencenodiol; 3-metil-1,2-difenol; 1 ,3-bencenodiol; p-difenol; 2-clorofenol; m-bromofenol Como sustituyente se nombra hidroxi 3. ÉTERES (R-O-R' R-O-Ar Ar-O-Ar') Los éteres están formados por un átomo de oxígeno mido a dos radicales procedentes de los hidrocarburos. Nomenclatura: Se nombran los radicales unidos al oxígeno en orden alfabético más la palabra éter. Ej: butiletiléter, etilmetiléter, dietiléter, fenilmetiléter. Como sustituyente se nombra oxo CH3CH2CH2CH2-O-CH2 CH3; CH3CH2-O-CH3; CH3CH2-O-CH2CH3;C6H5-O-CH3 4. ALDEHIDOS Y CETONAS Ambos tipos de compuestos se caracterizan por tener un doble enlace carbono-oxígeno en su grupo funcional, que es el grupo carbonilo, -CO. Diferencia: en los aldehídos el grupo carbonilo está en un extremo de la cadena; y en las cetonas el grupo carbonilo no está en el medio de la cadena. 4.1.ALDEHIDOS (R-CHO) Se pueden considerar derivados de hidrocarburos al sustituir 2 átomos de H de un carbono final por 1 átomo de O. Nomenclatura: nombre del hidrocarburo del que derive más el sufijo al o el sufijo dial, según haya 1 ó 2 -CO Ej: Benzaldehído; propanal, 3-butenal, formaldehído, etanal, Como sustituyente se nombre- oxo 4.2.CETONAS (R-CO-R´) Se pueden considerar derivadas de hidrocarburos al sustituir 2 átomos de H, de un carbono 2º, por 1 átomo de O. Nomenclatura sustitutiva. Se nombran a partir del hidrocarburo del que derivan, añadiendo la terminación ona e indicando la posición del grupo carbonilo,-CO-, mediante localizadores. Ej: propanona (acetona), butanona, 2-hexanona, 2-pentanona. Como sustituyente se nombra –oxo CH3-CO-CH3;CH3-CO-CH2-CH3; CH3-CH2-CH2-CH2-CO-CH3;CH3-CO-CH2-CH2-CH3 5. ÁCIDOS Estos compuestos ternarios se caracterizan por tener el grupo carboxilo (COOH). R-COOH Nomenclatura: Se nombran con la palabra ácido y el nombre hidrocarburo con la terminación –oico. Se aceptan nombres vulgares de muchos ácidos carboxílicos y dicarboxílicos. Algunos de ellos son: Fórmula Nombre sistemático Nombre vulgar aceptado H-COOH ácido metanoico ácldo fórmico CH3-COOH ácido etanoico ácido acético CH3-CH2-COOH ácido propanoico (ácido propiónico) CH3-CH2-CH2-COOH ácido butanoico (ácido butírico) CH3- (CH2)3-COOH ácido pentanoico (ácido valeriánico) HOOC-COOH HOOC-CH2-COOH ácido etanodíoico ácido propanodioico (ácido oxálico) (ácido malónico) 6.ÉSTERES Los aniones de los ácidos carboxílicos se obtienen por pérdida del átomo de hidrógeno del grupo carboxilo. Se nombran reemplazando la terminación ico del ácido por la terminación ato (igual que las sales inorgánicas). Si el hidrógeno es sustituido por radicales alquílicos, se obtienen los ésteres. RCOO-(anión) RCOOR´ (éster) La nomenclatura de los ésteres es igual que la de las sales, pero con el nombre del radical terminado en ilo. CH3-COO-CH2-C H3 Etanoato de etilo C6H5COO-CH3 benzoato de metilo CH3-COO-C6H5 Etanoato de fenilo H-COO-CH2-CH3 metanoato de etilo CH3COO-CH2 –CH2 -CH2-CH3 acetato de butilo Sales de ácidos: se obtienen si el hidrógeno del grupo OH de un ácido es sustituido por un metal. Se nombra como los ésteres pero nombrando al final el metal. Ej: CH3-COONa acetato de sodio; C6H5COOK benzoato de potasio. 7. HALUROS DE ACIDO Son compuestos derivados de los ácidos donde el grupo –OH ha sido sustituido por un halógeno: R-CO-X. Nomenclatura: nombre del halógeno +uro de cadena + ilo. Ej: cloruro de acetilo(etanoilo), fluoruro de butanoilo, bromuro de benzoilo, CH3~COBr , CH3- CH2-COCl. CH3-COCl; CH3CH2CH2COF; C6H5-COBr 8.AMIDAS Las amidas son compuestos que se pueden considerar derivados de los ácidos al sustituir el grupo -OH por el grupo NH2. Lo que caracteriza a las amidas es la unión del nitrógeno al carbono del grupo carbonilo. R-CONH2 Nomenclatura: al nombre del hidrocarburo se le añade la terminación amida (sin la –o del final del hidrocarburo) Ej: formamida, etanamida, benzamida, pentanamida; CH3~CH2-CONH2, CH3-CH2-CH2-CONH2 9. AMINAS Son derivados del NH3 (amoníaco) al sustituir 1, 2 o 3 átomos de hidrógeno por radicales orgánicos. Se clasifican en aminas primarias (1 H sustituido), secundarías (2 H sustituidos) o terciarias (3 H sustituidos). Nomenclatura: - Las aminas primarias se nombran añadiendo el sufijo amina al radical unido al átomo de nitrógeno. - Las aminas secundarias y terciarias se nombran igual pero considerando como cadena principal la mayor (se nombra antes de la palabra “amina”).Es decir, se toma como cadena principal la que tiene el radical más complejo y las demás se nombran antes por orden alfabético. (Si la sustitución queda indeterminada se localiza anteponiendo la letra N, que indica que la sustitución se ha realizado en el nitrógeno.) Ej: CH3-CH2-CH2-NH2 propilamina CH3-NH-CH3 dimetilamina CH3-CH2-NH-CH2-CH2-CH3 etilpropilamina CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 etilmetilpropilamina CH3 Como sustituyente se nombra –amino. 10. NITRILOS O CIANUROS El grupo característico es el –C=N. Nomenclatura: - Se nombran añadiendo el sufijo nitrilo al nombre del hidrocarburo de igual número de átomos. - También se puede usar el nombre ciano seguido del nombre del radical unido al grupo nitrilo. Ej: CH3~CH2-CN; HCN, CH3~CH2-CH2-CN, cianuro de metilo, cianuro de hidrógeno, cianuro de potasio, Pentanonitrilo, propanonitrilo. Como sustituyente se nombra ciano. 11. NITRODERIVADOS Son compuestos que poseen uno o más grupos -NO2. Este grupo procede del ácido nítrico HNO3. Nomenclatura - El grupo -N02 nunca se considera como función principal; en todos los compuestos es sustituyente. Se designa siempre mediante el prefijo nitro prededido de un localizador si es necesario. Ej: nitroetano, o-etilnitrobenceno. CH3-CH2 NO2; CH2(NO2)-CH2-CH3; CH3-CH2-CH2-NO2 Para formular o nombrar compuestos que presenten varias funciones orgánicas ya estudiadas, se deben tener en cuenta los siguientes criterios: a)Elegir la función principal. Según este criterio: 1. Ácidos 2. Derivados de ácidos en este orden: ésteres, haluros de acilo, amidas. 3. Nitrilos 4. Aldehidos 5. Cetonas 6. Alcoholes y fenoles 7. Aminas 8. Éteres 9. Alquenos 10. Alquinos 11. Alcanos 12. Nitroderivados b) Determinar la cadena principal. c) Numerar el sistema, con localizadores si es necesario. e) Formular o nombrar el compuesto. 1. etil-2-metilhexano 2. nonano 3. metano 4. 2,2-dimetilbutano 5. 4-etil-3,3-dimetilheptano 6. 2,4, pentadieno 7. 4-metil-1-penteno 8. 5,6-dimetil-3-hepteno 9. 1,3,5-hexatrieno 10.2-metil-3-vinil-1,4-heptadieno 11.acetileno 12.1,3-butadiino 13.3-etil-1-pentino 14.3 buten-1 ino. 15.Ciclopentano 16.Etano 17.Ciclohexano 18.p- etilmetilbenceno 19.o-dimetilbenceno 20.tolueno 21.m-butiletilbenceno 22.Naftaleno 23.Antraceno 24.1-cloropropano 25.1,3-dibromobutano 26.1-cloro-2-metilbutano 27.1,2-diclorobenceno 28.cloruro de etilo 29.bromuro de propanoilo 30.cloruro de butanoilo 31.1-cloro-1-propeno 32.2-propanol 33.etanol 34.1,4-pentanodiol 35.3-metil-1-hexanol 36.fenol 37.p-metilfenol 38.glicerina ó (1,2,3-propanotriol) 39.2-propen-1-ol 40.1,3-butanodiol 41.etilpropiléter 42.dimetiléter 43.Dietiléter o éter etílico 44.Fenilmetiléter 45.Difeniléter 46.butiletiléter 47.Butanal 48.Etanal 49.2-metilbutanal 50.formaldehido 51.propanodial 52.benzaldehido 53.butanona 54.3-heptanona 55.acetona 56.3metil- 2 pentanona 57.2-hexanona 58.ácido acético 59.ácido pentanoico 60.ácido 3-hexenoico 61.ácido 2-metilpropanoico 62.ácido propanodioico 63.ácido oxálico (etanodioico) 64.ácido benzoico 65.metanoato de etilo 66.acetato de metilo 67.2-metilpropanoato de propilo 68.butanoato de sodio 69.propanoato de etilo 70.benzoato de metilo 71.etanoato de sodio 72.Etilamina 73.Anilina (fenilamina) 74.Dimetilamina 75.(N)-metilpropilamina 76.(N)-etil-(N)-metilpropilamina 77.(NN)-dietilbutilamina 78.Difenilamina 79.Metanamida 80.Etanamida (acetamida) 81.Butanamida 82.2-metilpentanamida 83.Benzamida 84.Etanonittrilo (cianuro de metilo) 85.Cianuro de propilo (butanonitrilo) 86.Cianuro de hidrógeno (ácido cianhídrico) 87.Cianuro de potasio 88.Cianuro de magnesio 89.Cianuro de etilo 90.2,3-dinitropentano 91.Nitrometano 92.Nitrobenceno 93.2-nitropentano 1 CH3CH(CH3)CH(CH2CH3)CH2CH2CH3 2 CH3CH2CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 3 CH4 4 CH3C(CH3)2CH2CH3 5 CH3CH2C(CH3) 2CH (CH2CH3) CH2CH3 6 CH3CH=CH CH=CH2 7 CH2 =CH CH2 CH(CH3 )CH3 8 CH3CH2CH=CHCH (CH3)CH(CH3)CH3 9 CH2=CHCH=CHCH=CH2 10 CH2 =C(CH3) CH (CH=CH2)CH=CHCH2CH3 11 CH=CH 12 CH=CC=CH 13 CH= CCH(CH2CH3) CH2CH3 14 CH = CH2CH=CH 2 15 16 CH3CH3 17 18 CH3CH2 CH3 19 CH3 CH3 20 CH3 21 CH3CH2CH2CH2 CH3CH2 22 23 24 CH2ClCH2CH 2CH3 25 CH2BrCH 2CHBrCH3 26 CH2ClCH(CH3)CH2CH3 27 Cl Cl 28 CH3CH2Cl 29 CH3CH2COOBr 30 CH3CH2CH2COOCl 31 CHCl=CHCH3 32 CH3CHOHCH3 33 CH3CH2OH 34 CH2OHCH2CH2CHOHCH3 35 CH2OHCH2CH(CH3)CH2CH2CH3 36 C6H5OH 37 CH3CH2 OH 38 CH2OH CHOHCH2OH 39 CH3CH=CH2OH 40 CH2OHCH2CHOHCH3 41 CH3CH2OCH2CH2CH3 42 CH3OCH3 43 CH3CH2OCH2CH3 44 C6H5OCH3 45 C6H5OC6H5 46 CH3CH2OCH2CH2CH2CH3 47 CH3CH2CH2CHO 448 CH3CHO 549 CH3CH2CH2CH(CH3)CHO 550 HCHO 551 CHOCH2CHO 552 C6H5CHO 53 CH3CH2COCH3 54 CH3CH2COCH2CH2CH2CH3 55 CH3COCH(CH3)CH3 56 CH3COCH3 557 CH3COCH2CH2CH2CH3 58 CH3COOH 59 CH3CH2CH2CH2COOH 60 CH3CH2CH=CHCH2COOH 61 CH3CH(CH3)COOH 62 COOHCH2COOH 63 COOHCOOH 64 C6H5COOH 65 HCOOCH2CH3 66 CH3COOCH3 67 CH3CH(CH3)COOCH2CH2CH3 68 CH3CH2CH2COONa 69 CH3CH2COOCH2CH3 70 C6H5COOCH3 271 CH3COONa 372 CH3CH2NH2 473 C6H5NH2 74 CH3NHCH3 75 CH3CH2CH2NHCH3 76 CH3CH2CH2NCH2CH3(CH3) 77 CH3CH2CH2CH2 N(CH2CH3)2 78 C6H5NHC6H5 79 HCONH2 80 CH3CONH2 81 CH3CH2CH2CONH2 82 CH3CH2CH2CH (CH3)CONH2 83 C6H5CONH2 84 CH3CN 85 CH3CH2CH2CN 86 HCN 87 KCN 88 Mg(CN)2 89 CH3CH2CN 90 CH3CHNO2CHNO2CH2CH3 91 CH3NO2 92 C6H5NO2 93 CH3CHNO2CH2CH2CH3 AJUSTE DE REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REACCIONES REDOX) 1. CONCEPTO DE RECCIÓN DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX). Una reacción de oxidación-reducción (reacción redox para abreviar) es una reacción de transferencia de electrones, donde unas sustancias ceden electrones y otras los captan, convirtiéndose unos compuestos en otros. Una reacción redox se identifica porque cambia el nº de oxidación de dos átomos o compuestos. El número de oxidación: es la carga real o formal que se asigna a un átomo cuando está combinado o libre. Generalmente coincide con la valencia que tenga el átomo en el compuesto. Para saber el nº de oxidación recordamos que: 1. El número de oxidación de los elementos aislados es cero (Cu, Al, H2 N2, Cl2, I2, P4...) 2. El del O es –2 (excepto en los peróxidos: –1). El del H es +1, menos en los hidruros metálicos que es –1. 3. El compuesto debe ser neutro, lo que nos pude servir para hallar el nº de oxidación de algún elemento. En una reacción redox, hay una oxidación y una reducción. Veamos que son: Oxidación: es la perdida de electrones. Por tanto el elemento que se oxida pierde electrones. Se puede decir que un elemento que se oxida aumenta su número o estado de oxidación. Ej: los metales. (Fe – 2e- = Fe2+) Reducción: es la ganancia de electrones. Por tanto el elemento que se reduce gana electrones. Cuando un elemento se reduce disminuye su número o estado de oxidación. Ej: los no metales Nota: Siempre que hay una oxidación necesariamente hay una reducción. No puede haber una oxidación sin reducción ni viceversa. Esto es así porque cuando un elemento pierde electrones otra los gana, pues los electrones están en una sustancia o en otra pero no existen solos. Por eso se llaman reacciones redox. En una reacción redox se llama: Agente reductor: al compuesto que contiene al átomo que se oxida, pues al oxidarse hace que otro se reduzca. Agente oxidante: al compuesto que contiene al átomo que se reduce, pues al reducirse hace que otro se oxide. En toda reacción redox hay una semireacción de oxidación y otra semirreacción de reducción. 2. AJUSTE DE REACCIONES REDOX POR EL MÉTODO DEL IÓN-ELECTRÓN. La explicación se hará tomando como base una reacción concreta: H2S + K2Cr2O7 + HCl CrCl3 + KCl + S + H2O 1. Hallar el número de oxidación, que se anota encima del símbolo de cada átomo. (El compuesto debe ser neutro) +2 +2 +12 -14 -3 +2 +1 -2 +1 +6 -2 +1 -1 +3 -1 +1 -1 0 +1 -2 H2S + K2Cr2O7 + HCl CrCl3 + KCl + S + H2O Y se determina cuál es el elemento que se oxida (aumenta el nº oxidación) y cuál el que se reduce (disminuye el nº oxidación) y también los agentes oxidante y reductor. Se señala con flechas los procesos de oxidación y reducción. +2 +2 +12 -14 -3 +2 +1 -2 +1 +6 -2 +1 -1 +3 -1 +1 -1 0 +1 –2 Agente oxidante: K2Cr2O7 H2S + K2Cr2O7 + HCl CrCl3 + KCl + S + H2O Agente reductor: H2S Oxidación (pasa de –2 a 0) Reducción (pasa de +6 a +3) 2. Se escriben las dos semirreacciones, la de oxidación y la de reducción de la siguiente manera: Los compuestos que contienen al elemento que se oxida o reduce se escribe en forma iónica cuando se pueda. Para eso se tienen en cuenta las reglas: - Los elementos y oxidos se escriben tal y como están. - Los ácidos, bases y sales se disocian según los siguentes ejemplos: Ácidos: HNO3 H+ + NO3-; H2Se 2H+ + S2- ; H2SO4 2H+ + SO42- ; H3PO4 3H++PO43+ 2+ 3+ Bases: NaOH Na + OH ; Ca(OH)2 Ca + 2 OH ; Al(OH)3 Al + 3OH Sales: FeCl3 Fe3+ + 3Cl-; CaSO4 Ca2+ + SO42-;Li3BO3 3Li+ + BO33-;Al2 (SO4)3 2Al3++3SO42En este ejemplo tendríamos: H2S 2H+ + S2- ; K2Cr2O7 Teniendo esto en cuenta las semireacciones son: Semireacción de oxidación: S2S Semireacción de reducción: Cr2O72Cr3+ 3. Se ajustan estás dos semirreacciónes del siguiente modo: 2K+ + Cr2O7-2; CrCl3 Cr3+ + 3Cl- a) Se ajusta el número de átomos del elemento que se oxida o reduce si es necesario. Este paso es muy importante y suele olvidarse!!!. Semireacción de oxidación: S2S Semireacción de reducción: Cr2O722 Cr3+ El “2” afecta también a la carga que ahora es 6 b) Se ajusta el número de átomos de oxígeno añadiendo las moléculas de agua necesarias en el miembro con menos O hasta igualar el número de átomos de O en los dos miembros de la semirreacción: Semireacción de oxidación: S2S (No hace falta, puesto que no hay oxígenos) Semireacción de reducción: Cr2O722 Cr3+ + 7 H2O (Puesto que hay 7 O en el 1er miembro) c) Se ajusta el número de hidrógenos añadiendo tantos protones (H+) como hagan falta en el miembro que tenga menos: Semireacción de oxidación: S2S (No hace falta, puesto que no hay hidrógenos) Semireacción de reducción: Cr2O72- + 14H+ 2 Cr3+ + 7 H2O (Puesto que hay 14 H+ en el 2o miembro) d) Por último se ajustan las cargas sumando o restando el número de electrones necesarios para que las cargas en ambos miembros de la semirreacción sean iguales (cada electrón es una carga negativa, e-). En la oxidación se restan (pues se pierden) electrones y en la reducción se suman (pues se ganan). Semireacción de oxidación: S2- 2eS ó S2S + 2e2+ 3+ Semireacción de reducción: Cr2O7 + 14H + 6e 2 Cr + 7 H2O e) Como el número de electrones cedidos y captados debe ser el mismo pues los electrones no existen aisladamente, se multiplican las dos semirreacciones por el menor número entero posible para que el número de electrones que intervienen en cada semireacción sea el mismo. Si es el mismo se deja tal y como está. Semireacción de oxidación: (S2- 2eS)X3 2Semireacción de oxidación: 3S - 6e3S 2+ Semireacción de reducción: Cr2O7 + 14H + 6e 2 Cr3+ + 7 H2O (así se consigue que haya 6 electrones en cada semireacción) Nota: al ajustar hay que seguir el orden indicado, pues sino el ajuste estará mal. 4. Se suman, miembro a miembro, las semirreacciones, y se obtiene la ecuación en forma iónica. Semireacción de oxidación: 3 S2- - 6e3S Semireacción de reducción: Cr2O72- + 14H+ + 6e2 Cr3+ + 7 H2O Ecuación iónica: 3 S2- + CrO72- + 14 H+ 2 Cr3+ + 3 S + 7 H2O + Si hubiese H2O ó H en los dos miembros se simplifican antes de seguir adelante. 5. Para pasarla a forma molecular se añaden los iones necesarios (los que se obtuvieron en la disociación) en cada miembro cuidando que la reacción quede ajustada. Ecuación iónica: 3 S2- + CrO72- + 14 H+ 2 Cr3+ + 3 S + 7 H2O 2+ Hay 3 iones S , y cada uno se combina con 2 iones H , por lo que necesitamos 6 H+. Dado que tenemos en los reactivos 14 H+ y que ya hemos utilizado 6H+ quedan 8H+. Como vemos en la ecuación inicial también existe HCl, y por tanto los 8H+ que sobran se combinan con 8 Cl-. Por tanto sumamos 8Cl- en los productos para que la reacción siga ajustada. Por otra parte el ión CrO72- se combina con 2 K+ que habrá que sumar en los productos. Estos 2K+ se combinarán con 2 iones Cl-; y los 6 iones Cl- restantes con los 2 iones Cr3+. Ecuación iónica: 3 S2- Ecuación molecular + CrO72- + 6 H+ + 2 K+ 3 H2S + K2Cr2O7 + 14 H+ 8H+ + 8Cl8 HCl 2 Cr3+ 6Cl2 CrCl3 + + 3S + 7 H2O 2K+ + 2Cl+ 2 KCl + 3S + 7 H2O TEMA 9: QUIMICA ORGÁNICA 1. Introducción a la química orgánica. Características generales de los compuestos orgánicos (solubilidad, punto de fusión y ebullición, carácter covalente, etc.). 2. Grupos funcionales y series homólogas. Nomenclatura de los compuestos orgánicos. 3. Tipos de enlaces C – C y su descripción orbitálica. Representación de las moléculas orgánicas. 4. Concepto general de isomería. Tipos y ejemplos. 5. Desplazamientos electrónicos que influyen en la reactividad: efectos inductivos y mesómero. 6. Reacciones orgánicas. Clasificación. 7. Reacciones orgánicas más importantes. 1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS (SOLUBILIDAD, PUNTO DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CARÁCTER COVALENTE, ETC.). Gran parte de los materiales que conocemos hoy en día están hechos por compuestos orgánicos (plásticos, petróleo, medicinas, tejidos, etc.). Esta es la razón de estudiar este tema. ¿Qué es la química del carbono? Antiguamente se llamaba química orgánica, pues estudiaba los compuestos que solo podían fabricar los seres vivos. Pero a partir de 1828, cuando se sintetizó la urea (un compuesto orgánico) en un laboratorio, se le llamó química del carbono (aunque por razones históricas se siga utilizando el nombre de química orgánica). Para analizar las características más importantes de los compuestos orgánicos es útil compararlos con los compuestos inorgánicos orgánicos. Compuestos orgánicos (química del Compuestos inorgánicos carbono) Existen millones de compuestos Actualmente tienen mucha Existen varios miles de orgánicos y la posibilidad de importancia los compuestos compuestos inorgánicos sintetizar nuevos compuestos es organometálicos (formados descritos. casi ilimitada. por c. Orgánicos y metales) Se disuelven en disolvente apolares Se disuelven en disolventes polares Los puntos de fusión y ebullición son bajos Se descomponen a bajas temperaturas Sus reacciones son lentas Están compuestos por átomos de C, H, O, N, (S, P) Los puntos de fusión y ebullición son altos Son estables a altas temperaturas Sus reacciones son rapidas Están compuestos por todo tipos de átomos ¿Por qué hay tantos compuestos orgánicos? El carbono es el “culpable” La causa de que haya muchísimos más compuestos orgánicos que inorgánicos, es la estructura electrónica del carbono. El carbono tiene 4 electrones en la última capa: C: 1s2 2 s2 p2. Los cuatro electrones de la última capa están distribuidos así: 2s 2px 2py 2pz Hay, por tanto, 4 orbitales con cuatro electrones desapareados. El carbono puede formar 4 enlaces y siempre forma 4 enlaces. Por esta razón se pueden formar largas cadenas más o menos largas y ser ramificadas. 2. GRUPOS FUNCIONALES Y SERIES HOMÓLOGAS. NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS. Un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos cuya presencia en una molécula le confiere a esta un comportamiento químico característico. Cada grupo funcional tiene su función química característica Ej: grupo funcional= alcohol función química = hidroxilo (OH) Ej: grupo funcional= cetona función química = carbonilo (C=O) Una clases o familia es un conjunto de compuestos que presentan un mismo grupo funcional, por lo que tienen un comportamiento químico similar. Hay compuestos polifuncionales que poseen más de un grupo funcional Una serie homóloga es un conjunto de sustancias que tienen un mismo grupo funcional pero diferente cadena (diferente número átomos de carbono). Ej: CH3-OH (metanol); CH3-CH2-OH (etanol); CH3-CH2-CH2-OH (propanol) 3. TIPOS DE ENLACES C – C Y SU DESCRIPCIÓN ORBITÁLICA. REPRESENTACIÓN DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS. La configuración del C = 1 s2 2s2 p2 pero en el momento de la formación de enlace puede existir hibridaciones. a) Hibridación sp3 o tetraédrica (ángulo de 109,5º): la presentan los carbonos que formen 4 enlaces simples. b) Hibridación sp2 o triangular plana (ángulo de 120º): la presentan los carbonos que formen 1enlace doble. c) Hibridación sp2 o lineal (ángulo de 180º): la presentan los carbonos que formen 1 enlace triple (o dos dobles). Representación de moléculas orgánicas Hay varias formas de representar una molécula orgánica. Veamos estas formas con tres ejemplos: Sustancia Metano etano propano Fórmula molecular CH4 C2H6 C3H8 Formula estructural CH4 CH3—CH3CH3—CH2—CH3 plana H H H H H H Fórmula estructural semidesarrollada H---C---H H---C----C---H H--- C--- C --- C --- H H H H H H H 4. CONCEPTO GENERAL DE ISOMERÍA. TIPOS Y EJEMPLOS. LA ISOMERÍA SE PRESENTA CUANDO DOS O MÁS SUSTANCIAS TIENEN LA MISMA FÓRMULA MOLECULAR, PERO DIFERENTES ESTRUCTURAS Y POR TANTO o diferentes propiedades físicas y/o químicas. Hay varios tipos de isomería: Plana o estructural: Se debe a las diferencias existentes en la unión y ordenación de los átomos en las moléculas. Hay 3 clases: 1. Isomería de cadena: Los isómeros se caracterizan por la diferente posición de los átomos que forman la cadena.. Ej: pentano y dimetil propano/butano y 2-metilpropano 2. Isomería de posición: Los isómeros se caracterizan por que tienen la misma cadena carbonada pero el grupo funcional se encuentra en diferente posición. Ej. Butanol y el 2-butanol/1-clorobutano y 2clorobutano 3. Isomería de función: Los isómeros se caracterizan porque los grupos funcionales son distintos, por lo que pertenecen a familias distintas. Ej: Propanal y propanona. Del espacio o estereoisomeria: Los isómeros solo se diferencia en la orientación espacial de sus átomos. Hay 2 clases 4. Isomería cis-trans o geométrica: .Es debido a la no rotación del doble enlace C=C. Se produce cuando hay un doble enlace y al menos un sustituyente igual en cada carbono del doble enlace (y diferentes sustituyentes en el mismo carbano del doble enlace). Estos sustituyentes pueden colocarse cerca (cis) o enfrentados (trans). Ej: 2 –buteno; no 2metil-2-penteno 5. Isomería óptica: se da cuando hay un carbono asimétrico o carbonos quirales (un carbono unido a cuatro radicales o sustituyentes diferentes). Estas sustancias presentan dos isómeros, donde uno es la imagen especular (espejo) del otro. Estas imágenes no son superponibles y se llaman enantiomeros. Estos solo se diferencian en que desvían el plano de polarización de la luz a izquierda (levogiro o levorrotatorio) o a la derecha (dextrógiro o dextrorrotatorio). Ej: Ácido láctico. 5. DESPLAZAMIENTOS ELECTRÓNICOS QUE INFLUYEN EN LA REACTIVIDAD: EFECTOS INDUCTIVOS Y MESÓMERO. Las reacciones se dan fundamentalmente debido a 2 efectos: inductivo y mesómero Efecto inductivo (I): Es el desplazamiento electrónico permanente que experimentan los enlaces de una cadena saturada producido por la diferencia de electronegatividad entre dos átomos determinados. Tomando como referencia el átomo de hidrógeno, aquellos átomos o grupos de átomos que atraen más hacia sí los electrones de su enlace con el carbono tienen efecto inductivo negativo (I -)(Ej: NO2, CN, COOH, F, Cl, Br, I, OCH3). Si tienen tendencia a ceder los electrones tienen efecto inductivo positivo (I +)(Ej: CH3, C2H5, C3H7) Efecto mesómero (M): Es el desplazamiento electrónico permanente de los electrones de un enlace hacia uno de los átomos (por lo que debe haber un enlace doble). Tomando como referencia el átomo de hidrógeno, aquellos átomos o grupos de átomos que atraen más hacia sí los electrones de su enlace con el carbono tienen efecto mesómero negativo (M -)(Ej: NO2,COOH, COOR, CO). Si tienen tendencia a ceder los electrones tienen efecto mesómero positivo (M +)(Ej:OH, OR, NH2, X) 6. REACCIONES ORGÁNICAS. CLASIFICACIÓN Hay miles de reacciones orgánicas, pero todas ellas se pueden clasificar en tres tipos generales: de sustitución, de adición y de eliminación Reacciones de sustitución Son aquellas en la que un átomo o grupo atómico X (que proviene del reactivo) unido a un carbono es sustituido por otro átomo o grupo diferente Y de la molécula reaccionante: R-X + Y ----------> R-Y + X Reacciones de adición Son típicas de moléculas con dobles y triples enlaces entre carbonos y dobles enlaces entre C y O. Son reacciones en las que dos átomos o grupos atómicos se unen a la molécula reaccioante por su enlace múltiple dando lugar a la formación de enlaces más sencillos. Reacciones de eliminación: Pueden considerarse como las opuestas a las reacciones de adición. Consisten en la eliminación de dos átomos o grupo atómicos de la molécula reaccioante, formádose dobles enlaces (o ciclos o triples enlaces) Eliminación --> CH3 - CH2X <==========> CH2 = CH2 + HX <--- Adición Reacciones de polimerización: Reacciones Redox: Cuando cambia el estado de oxidación Por ejemplo: La oxidación de alcoholes primarios da un aldehído; la oxidación del aldehído da un grupo carboxílico. Una combustión en también una oxidación La oxidación de alcoholes secundarios a una cetona. 7.REACCIONES ORGÁNICAS MÁS IMPORTANTES. Clasificaremos las reacciones según el tipo de compuesto que las sufren: Reacciones de hidrocarburos, haluros de alquilo y alcoholes Alcanos - Reacciones de combustión: con oxígeno (también son reacciones redox) - Reacciones de sustitución: - Halogenación: R-H + X2 (luz ó 250-400ºC) = R-X + HX - Nitración: R-H + ac.nítrico (400ºC) = R-NO2 + agua - Sulfonación: R-H + ac.sulfúrico (400ºC) = R-SO3H + agua. - Obtención: - Hidrogenación de hidrocarburos insaturados: C=C(H2,Pd) = C-C - Reducción de haluros de alquilo: R-X (H2,Pd) = R-H - Hidrólisis de rect. De Grignard: R-MgX + agua = R-H - Sintesis de wurtz: R-X + R-X + 2 Na = R-R + “ NaX Alquenos - Reacciones de adición: - De hidrógeno: C=C (H2,Ni) = CH-CH - De halógenos: C=C + HX = Cx-CH. La adición de halógenos sigue la regla de Markovnikov que establece que el hidrógeno del haluro de hidrógeno se adicionará la átomo de carbono menos sustituido y por tanto con más átomos de hidrógeno. - De agua: C=C + agua (presencia de ácidos) = CH-COH (alcoholes). Esta adición también sigue la regla de Markovnikov. - Reacciones de combustión Obtención : - Deshidratación de alcoholes: CH-COH (ac.sulfúrico) = Deshidrohalogenación de haluros de alquilo CH-CX (KOHalc) == C=C Alquinos - Reacciones de adicción: Igual que para los alquenos - Obtención: - Deshidrohalogenación de haluros de alquilo: CHX-CHX (“ KOHalc) = C=C - Alquilación de acetiluros: R´-C=CNa + R-X = R´-C=C-R + NaX Hidrocarburos aromáticos - Reacciones de sustitución: - Halogenación: benceno + X2 (AlCl3 ´ó FeCl3)= X-benceno + HX - Nitración : benceno + ac.nítrico (sulfúrico, calor) = benceno-NO2 + agua - Sulfonación: benceno + ac.sulfúrico (calor) benceno-SO3H + agua - Alquilación de Friedel-Crafts: benceno + RX (AlCl3 ó FeCl3) = benc-R + HX - Reacciones de adición: Hidrogenación : benceno + hidrógeno (Ni-raney, TyP elevadas) ciclohexano. - Obtención: hulla, petróleo, Polimerización del etino: 3etino (400ºC) = benceno Haluros de alquilo - reacciones de sustitución: - R-X + agua (KOH) = R-OH + KCl - R-X +NaCN = R-CN +NaX - R-X + NH3 = R-NH2 + HX - Reacciones de eliminación: Deshidrohalogenación : CH-CX (KOHalc) = C=C + KH + agua Alcoholes. - Reacciones de rotura del enlace OH (con metales alcalinos): R-OH + M = R-OM +1/2H2 - Reacción de sustitución: - con haluros de hidrógeno: R-OH +HX = R-X + agua - Reacción de eliminación -CH-COH (ac sulfúrico,calor) = C=C + agua - Reacciones de oxidación: - alcohol 1º (K2Cr2O7) = aldehido (KmnO4) = ácido -alcohol 2º (K2Cr2O7) = cetona - Obtención: - Hidrólisis de haluros de alquilo: R-X + agua = R-OH (- OH) - Hidratación de alquenos_ -C=C- + agua (ac. sulfúrico) = COH- CH - Reducción de ácidos carboxilicos, aldehidos y cetonas - Hidrólisis de esteres Aldehidos y cetonas - Reacciones de oxidación: pasan a ácidos carboxílicos - Reacciones de reducción: : pasan a alcoholes Obtención: - Oxidación alcoholes - Deshidrogenación de alcoholes R-OH (Cu, 300ºC) = R-CHO Ácidos carboxílicos: - Reacciones ácido base - Reacciones de sustitución (formación de derivados) : ésteres (con alcoholes) y amidas (con aminas) - Reacciones de reducción: pasan a alcoholes Ésteres: hidrólisis UNIVERSIDADES DE ANDALUCÍA PRUEBA DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD BACHILLERATO QUÍMICA CRITERIOS ESPECÍFICOS DE CORRECCIÓN El examen consta de dos opciones A y B. El alumno deberá desarrollar una de ellas completa sin mezclar cuestiones de ambas, pues, en este caso, el examen quedaría anulado y la puntuación global en Química sería cero. Cada opción (A o B) consta de seis cuestiones estructuradas de la siguiente forma: una pregunta sobre nomenclatura química, tres cuestiones de conocimientos teóricos o de aplicación de los mismos que requieren un razonamiento por parte del alumno para su resolución y dos problemas numéricos de aplicación. Valoración de la prueba: a) Pregunta nº 1.- 6 fórmulas correctas 1’5; 5 fórmulas correctas 1’0 p.4 fórmulas correctas 0’5 p. Menos 0p b) Cuando las preguntas tengan varios apartados, la puntuación total se repartirá, por igual, entre los mismos. c) Cuando la respuesta deba ser razonada o justificada, el no hacerlo conllevará una puntuación de cero en ese apartado. d) Si en el proceso de resolución de las preguntas se comete un error de concepto básico, éste conllevará una puntuación de cero en el apartado correspondiente. e) Los errores de cálculo numérico se penalizarán con un 10% de la puntuación del apartado de la pregunta correspondiente. En el caso en el que el resultado obtenido sea tan absurdo o disparatado que la aceptación del mismo suponga un desconocimiento de conceptos básicos, se puntuará con cero. f) En las preguntas 5 y 6, cuando haya que resolver varios apartados en los que la solución obtenida en el primero sea imprescindible para la resolución de los siguientes, se puntuarán éstos independientemente del resultado de los anteriores. g) La expresión de los resultados numéricos sin unidades o unidades incorrectas, cuando sean necesarias, se valorará con un 50% del valor del apartado. h) La nota final del examen se redondeará a las décimas de punto.