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Universidad Central del Ecuador
Facultad de Ciencias Químicas
Fundamentos Espectroscópicos
 Trabajo 4: Isótopos, Cationes, Aniones y Radicales Libres
TEMA 1. Cationes y Aniones
1.1 Definición y características de cationes y aniones
Anión
Un anión es un ion con carga eléctrica negativa, es decir, que ha ganado electrones; los
aniones se describen con un estado de oxidación negativo.
Hay dos tipos de aniones: monoatómicos y poliatómicos:
- Los aniones monoatómicos suelen corresponder a no metales que han ganado
electrones completos en su capa de valencia.
- Los aniones poliatómicos se pueden considerar como procedentes de una molécula
que ha perdido electrones.
Los aniones ácidos proceden de un ácido poliprótico que ha perdido parte de sus
electrones.
Clasificación
Clase (A).- desprenden gases con el ácido clorhídrico o sulfúrico diluido, carbonato,
bicarbonato, sulfito, tiosulfato, sulfuro, nitrito, hipoclorito, cianuro y cianato. Están incluidos
los del (I) con el agregado de los siguientes: floruro, cloruro, bromuro, yoduro, nitrato,
clorato, perclorato, bromato y yodato, borato, ferrocianuro, ferricianuro, tiocianato,
formiato, acetato, oxalato , tartrato y citrato.
Clase (B).- reacciones de precipitación, sulfato, persulfato, fosfato, fosfito, hipofosfito,
arseniato, arsenito, silicato, flousilicato, salicilato, benzoato y succinato. Reacciones de
oxidación y reducción en solución, manganato, permanganato de potasio, cromato y
dicromato.
Cationes
Un catión es un ion con carga eléctrica positiva, es decir, ha perdido electrones; los
cationes se describen con un estado de oxidación positivo. Las sales típicamente están
formadas por cationes y aniones (aunque el enlace nunca es puramente iónico, siempre
hay una contribución covalente). También los cationes están presentes en el organismo
en elementos tales como el sodio (Na) y el potasio (K).
1.2 Métodos para obtener cationes y aniones de carbono
Métodos para obtener carbocationes:
Los carbocationes pueden generarse de diferentes maneras ya sea mediante la ionización
de halogenuros de alquilo, reacciones de sustitución electrofílica aromática y en la adición
electrofílica de alquenos.
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La manera más simple de formar un carbocation es la ionización de un átomo o grupo de
átomos unido al carbono que se separa con sus electrones de enlace para formar un par
iónico. En todos los casos, el empleo de un disolvente altamente polar es indispensable,
pues la solvatación hace que el catión sea estable.
Métodos para obtener carbaniones:
La formación del carbanion se ve favorecida por la presencia de grupos atractores de
electrones capaces de estabilizar la carga negativa por resonancia.
La desprotonación de un carbono con una base de Brönsted es el procedimiento más
directo para generar un carbanion; se generan además en la reacción de Michael, en
reacciones que se utilice el reactivo de Grignard, entre otras.
1.3 Estabilidad de los cationes. Factores que influyen en la estabilidad
Estabilidad de los Carbocationes
Los carbocationes se presentan como intermediarios en varios tipos de reacción pero es
difícil mantenerlos por mucho tiempo. Los más estables se han preparado en solución y,
en algunos casos, aun en estado sólido. En solución el carbocation puede estar libre, lo
que es más probable en disolventes polares en los que el catión estará solvatado, o
puede existir como un par iónico, lo que significa que está estrechamente asociado con un
ion negativo llamado contraion. Los pares iónicos se forman fácilmente en disolventes no
polares.
Para los alquil carbocationes simples el orden de estabilidad es terciario > secundario >
primario.
Los factores que determinan la estabilidad de los carbocationes son:
- Efectos electrónicos.- los carbocationes son especies deficientes en electrones, por lo
tanto, cualquier cambio estructural que incremente la densidad electrónica en el
centro positivo estabilizara al carbocation; así la presencia de un átomo o grupo
atrayente de electrones cercano al carbono positivo desestabilizará al catión mientras
que un grupo donador le conferirá estabilidad.
- Hiperconjugación.- el orden de estabilidad puede explicarse por hiperconjugación y
por efecto de campo. En la hiperconjugación un enlace vecino al carbono con carga
positiva, comparte los electrones con el orbital vacío del carbocation estabilizándolo
de esta manera.
- Transposición.- otra forma de estabilizar una carga positiva es mediante una
transposición, que consiste en que un átomo o grupo de átomos vecinos al
carbocation, se transfiera al carbocation junto con sus electrones de enlace, para
dejar una carga positiva más estable.
- Efecto de los disolventes.- sólo en muy pocos casos los carbocationes son lo
suficientemente estables para ser aislados; el papel del disolvente en las reacciones
de generación de carbocationes es de fundamental importancia, es más, muy pocas
proceden en ausencia de disolvente; obviamente el disolvente juega un papel
importante en facilitar el proceso de ionización. Este papel se debe en gran parte al
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carácter dipolar de algunos disolventes y su consecuente habilidad para estabilizar
iones.
- Resonancia.- cuando la carga positiva de un carbocation se distribuye entre varios
átomos debido a la presencia de un doble enlace, un átomo que tenga pares de
electrones no compartidos o un anillo aromático vecinos, la carga se estabiliza. Este
efecto se denomina efecto de resonancia, y es común en compuestos aromáticos,
éteres o carbocationes alílicos.
1.4 Posibles usos.
o
o
o
o
o
o
o
Los iones son esenciales para la vida, por ejemplo el ion Sodio es el más importante
catión (Na+) extracelular participa en: la regulación de la presión osmótica celular, etc.
El catión potasio (K+) intracelular participa en: transmisión del impulso nervioso,
contracción muscular, activación enzimática (cofactor enzimático), entre otros.
El calcio con su catión extracelular (Ca2+) participa en la constitución del tejido óseo,
dientes y sistema nervioso, coagulación sanguínea, etc.
El cloro (Cl), su más importante anión (Cl-) extracelular participa en la regulación
osmótica celular y síntesis del ácido clorhídrico estomacal.
El magnesio como catión (Mg2+) interviene en la activación enzimática, desarrollo
óseo, contracción muscular
Los aniones más importantes del fósforo son los aniones intracelulares H2PO4-,
HPO42-, PO43- participan en el desarrollo óseo y de los dientes, las reacciones de
transferencia de energía (ATPfosfocreatina) y constitución de nucleótidos, fosfolípidos
y otras sustancias.
Los cationes son usados como la parte positiva en un compuesto formando un enlace
iónico y estos participan en reacciones en su mayoría de intercambio iónico que
tienen aplicaciones en la medicinas como las resinas de intercambio catiónico
TEMA 2. Isótopos
2.1 Definición y características de isotopos.
Isótopo
Se denominan isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen
cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en masa. La mayoría de los
elementos químicos poseen más de un isótopo; solamente 21 elementos, por ejemplo el
berilio y sodio; poseen un solo isótopo natural; mientras que el estaño es el elemento con
más isótopos estables. Otros elementos tienen isótopos naturales, pero inestables, como
el Uranio, cuyos isótopos están constantemente en decaimiento, lo que los hace
radiactivos.
Los isótopos inestables son útiles para estimar la edad de variedad de muestras
naturales, como rocas y materia orgánica. Esto es posible, siempre y cuando, se conozca
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el ritmo promedio de desintegración de determinado isótopo, en relación a los que ya han
decaído. Gracias a este método de datación, conocemos la edad de la tierra.
Los rayos cósmicos hacen inestables a isótopos estables de Carbono que posteriormente
se adhieren a material biológico, permitiendo así estimar la edad aproximada de huesos,
telas, maderas, cabello, etc. Se obtiene la edad de la muestra, no la del propio isótopo, ya
que se tienen en cuenta también los isótopos que ya han desintegrado en la misma
muestra. Se sabe el número de isótopos desintegrados con bastante precisión, ya que no
pudieron haber sido parte del sistema biológico a menos que hubieran sido aún estables
cuando fueron absorbidos.
2.2 Principales isótopos de C, H, O, N, S y X
Isotopos del Carbono
En la naturaleza, podemos encontrar varios isótopos de carbono; los más frecuentes son
el carbono 12, el carbono 13 y el carbono 14. Estos números indican el número másico
para cada isótopo; el número atómico es siempre el mismo, ya que todos estos isótopos
tienen 6 protones, y lo que varía entonces en cada uno de ellos es la cantidad de
neutrones presentes en el núcleo: seis, siete y ocho, respectivamente.
Las propiedades químicas de cada uno de estos isótopos de carbono son similares, casi
la totalidad del dióxido de carbono presente en la atmósfera, está formado por 12C; sin
embargo, una pequeña fracción de estas moléculas está formada con 13C, y una porción
aún menor tiene como componente un átomo de 14C.
El isótopo de 14C es radiactivo e inestable, y sus propiedades se han aplicado en la
determinación de la edad de algunos fósiles.
Isótopos del Hidrógeno
El hidrógeno natural tiene tres isótopos, conocidos como: protio o hidrógeno común, el
cual no contiene neutrones y posee una abundancia de un 99.985 %; deuterio, el cual
posee un neutrón y una abundancia de 0.015%; y el tritio, radiactivo y de dos neutrones,
con una abundancia de 10-15 %.
Estos isótopos son tan especiales, que son el único grupo de isótopos que posee
símbolos especiales, y estos son: H para el protio, D en el caso del deuterio, y T para el
isótopo tritio.
Isótopos del Oxigeno
El oxígeno tiene tres isótopos estables y diez radioactivos; todos sus isótopos radioactivos
tienen un periodo de semidesintegración de menos de tres minutos.
Isotopos del Nitrógeno
Existen dos isótopos estables del nitrógeno, 14N y 15N, siendo el primero el que se
produce en el ciclo carbono-nitrógeno de las estrellas, el más común sin lugar a dudas
(99,634%).
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De los diez isótopos que se han sintetizado, el 13N tiene un periodo de semidesintegración
de nueve minutos, y el resto de segundos o menos.
Las reacciones biológicas de nitrificación y desnitrificación influyen de manera
determinante en la dinámica del nitrógeno en el suelo, casi siempre produciendo un
enriquecimiento en 15N del sustrato.
Isótopos del Azufre
Se conocen 18 isótopos del azufre, cuatro de los cuales son estables: 32S (95,02%), 33S
(0,75%), 34S (4,21%) y 36S (0,02%).
Aparte del 35S, formado al incidir la radiación cósmica sobre el argón-40 atmosférico y que
tiene un periodo de semidesintegración de 87 días, los demás isótopos radiactivos son de
vida corta.
Isótopos del Cloro
En la naturaleza se encuentran dos isótopos estables de cloro; uno de masa 35uma, y el
otro de 37uma, con unas proporciones relativas de 3:1 respectivamente, lo que da un
peso atómico para el cloro de 35,5uma.
El cloro tiene 9 isótopos con masas desde 32uma hasta 40uma; sólo tres de éstos se
encuentran en la naturaleza: el 35Cl, estable y con una abundancia del 75,77%, el 37Cl,
también estable y con una abundancia del 24,23%, y el isótopo radiactivo 36Cl. La relación
de 36Cl con el Cl estable en el ambiente es de aproximadamente 700×10–15:1.
El 36Cl se produce en la atmósfera a partir del 36Ar por interacciones con protones de
rayos cósmicos; en el subsuelo se genera 36Cl principalmente mediante procesos de
captura de neutrones del 35Cl, o por captura de muones del 40Ca.
El 36Cl decae a 36S y a 36Ar, con un periodo de semidesintegración combinado de
308000 años.
2.3 Métodos para obtener isótopos y abundancia relativa
La abundancia relativa de un isótopo es un valor expresado en porcentaje (%); se calcula
dividiendo el número de átomos de un isótopo entre el número total de átomos del
elemento al que pertenece, todo ello multiplicado por 100.
En un elemento natural, la abundancia relativa de sus isótopos en la naturaleza recibe el
nombre de abundancia isotópica natural. La denominada masa atómica de un elemento
es una media de las masas de sus isótopos naturales ponderada de acuerdo a su
abundancia relativa.
A = masa atómica del elemento natural
Ai = masa atómica de cada isótopo
xi = porcentaje de cada isótopo en la mezcla
2.4 Estabilidad de los isótopos. Factores que influyen en la estabilidad.
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Un elemento químico que tiene uno o varios isótopos, de los cuales todos, algunos, o
ninguno, pueden ser isótopos estables.
Los isótopos que no son estables, a diferencia de los estables, se desintegran para dar
lugar a otros núclidos emitiendo partículas o radiación electromagnética. Se conocen unos
2500 núclidos, de los cuales son estables menos de 300.
La representación del número de neutrones (N) frente al número de protones (número
atómico, Z) indicándose los isótopos estables se denomina carta de Segrè. La región de
estabilidad definida por esta gráfica es estrecha, cumpliéndose que para números de
masa (A) pequeños el número de protones y de neutrones es similar, mientras que
conforme aumenta A, la relación N/Z también aumenta (hasta un valor de
aproximadamente 1,6).
Los núclidos que están a la derecha de esta franja de estabilidad son núclidos con
demasiados protones para los neutrones que tiene, y los núcleos se rompen por
repulsión. Los núclidos que están a la izquierda son núclidos con demasiados neutrones
para los protones que tienen, y se produce un proceso de decaimiento convirtiendo
neutrones en protones.
Se encuentra que para Z = 43, Z = 61 o Z > 83 no hay ningún núclido estable.
La fuerza nuclear fuerte es la encargada de mantener unido el núcleo atómico, a pesar de
que la fuerza electromagnética haga que los elementos con el mismo signo de carga
eléctrica (los protones, que tienen todos una carga positiva) se repelan; sin embargo, la
fuerza nuclear fuerte tiene un radio de acción muy pequeño, lo que explica que no se
encuentren núcleos estables para Z > 83, ya que, al aumentar el número de protones,
aumenta el tamaño del núcleo, por lo que la fuerza nuclear fuerte se ve sobrepasada por
la fuerza electromagnética, que logra llegar a expulsar algún protón.
2.5 Posibles usos.
o
o
o
o
o
En el marcaje isotópico, se usan isótopos inusuales como marcadores de reacciones
químicas. Los isótopos añadidos reaccionan químicamente igual que los que están
presentes en la reacción, pero después se pueden identificar por espectrometría de
masas o espectroscopia infrarroja. Si se usan radioisótopos, se pueden detectar
también gracias a las radiaciones que emiten y la técnica se llama marcaje radiactivo.
La datación radioactiva es una técnica similar, pero en la que se compara la
proporción de ciertos isótopos de una muestra, con la proporción en que se
encuentran en la naturaleza.
La sustitución isotópica, se puede usar para determinar el mecanismo de una
reacción gracias al efecto cinético isotópico.
Diferentes variedades de espectroscopia se basan en las propiedades únicas de
nucleidos específicos. Por ejemplo, la espectroscopia por resonancia magnética
nuclear (RMN), permite estudiar sólo isótopos con un spin distinto de cero, y los
nucleidos más usados son 1H, 2H, 13C y 31P.
La espectroscopia Mössbauer también se basa en las transiciones nucleares de
nucleidos específicos, como el 57Fe.
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o
Los radionucleidos, también tienen aplicaciones importantes, las centrales nucleares y
armas nucleares requieren cantidades elevadas de ciertos nucleidos. Los procesos de
separación isotópica o enriquecimiento isotópico representan un desafío tecnológico
importante.
TEMA 3. Radicales Libres
3.1 Definición y Características de los Radicales Libres.
Radicales Libres
Los radicales libres son átomos o grupos de átomos que tienen un electrón (e-)
desapareado en capacidad de aparearse, por lo que son muy reactivos; estos radicales
recorren nuestro organismo intentando robar un electrón de las moléculas estables, con el
fin de alcanzar su estabilidad electroquímica. Una vez que el radical libre ha conseguido
robar el electrón que necesita para aparear su electrón libre, la molécula estable que se lo
cede se convierte a su vez en un radical libre, por quedar con un electrón desapareado,
iniciándose así una verdadera reacción en cadena que destruye nuestras células.
La vida biológica media del radical libre es de microsegundos; pero tiene la capacidad de
reaccionar con todo lo que esté a su alrededor provocando un gran daño a las moléculas
y a las membranas celulares.
Los radicales libres no son intrínsecamente malos; de hecho, nuestro propio cuerpo los
fabrica en cantidades moderadas para luchar contra bacterias y virus.
3.2 Método para la obtención de radicales libres
Los procesos normales del organismo producen radicales libres como el metabolismo de
los alimentos, la respiración y el ejercicio. También estamos expuestos a elementos del
medio ambiente que crean radicales libres como la polución industrial, tabaco, radiación,
medicamentos, aditivos químicos en los alimentos procesados y pesticidas.
Las reacciones que afectan a los radicales libres son:
- Reacciones de iniciación.- son las reacciones que producen un aumento en el número
de radicales libres; pueden afectar a la formación de radicales libres a partir de
especies estables o pueden producir reacciones de radicales libres con especies
estables para formar más radicales libres.
- Reacciones de propagación.- son reacciones en las que el número de radicales libres
total es el mismo que el de partida.
- Reacciones de terminación.- son las reacciones en las que se produce una disminución
neta del número de radicales libres; dos radicales libres se combinan para formar una
especie química más estable.
La ruptura de los enlaces puede también generar radicales libre; así en la Ruptura
Homolítica la generación de radicales libres es evidente y la Ruptura Heterolítica da lugar
a los carbocationes y carbaniones.
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3.3 Estabilidad de los radicales libres
Para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor provocando la
aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en cadena que dañará a
muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no intervienen.
Los radicales libres son muy inestables y reaccionan rápidamente con otros compuestos,
intentando capturar el electrón necesario para ganar estabilidad.
En general, los radicales libres atacan la molécula estable más cercana y le “roban” su
electrón. Cuando la molécula ataca pierde su electrón y se convierte en un radical
libre comenzando una reacción en cadena.
3.4 Posibles usos. Reacciones adversas de los radicales libres
Los radicales libres producen daño a diferentes niveles en la célula:
o Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede
realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de deshechos,
división celular, etc.).
o El radical superóxido, O2, que se encuentra normalmente en el metabolismo provoca
una reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos
de la membrana celular.
o Atacan al DNA impidiendo que tenga lugar la replicación celular y contribuyendo al
envejecimiento celular.
o Los radicales libres producidos por el cuerpo para llevar a cabo determinadas
funciones son neutralizados fácilmente por nuestro propio sistema, con este fin,
nuestro cuerpo produce unas enzimas (como la catalasa o la dismutasa) que son
las encargadas de neutralizarlos. Estas enzimas tienen la capacidad de desarmar
los radicales libres sin desestabilizar su propio estado.
o Los radicales libres en nuestro organismo aceleran la rapidez de envejecimiento y
degeneración de las células de nuestro cuerpo por lo que el consumo de
antioxidantes es esencial.
 BIBLIOGRAFÍA:
1. http://www.federacioncafe.com/Documentos/CafeYSalud/CafeYAntioxidantes/Radicales%20libres.pdf/20
11-07-16/22:00
2. http://micocinavegetariana.com/los-radicales-libres-y-su-salud/2011-07-16/22:00
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topo_estable/2011-07-16/22:10
4. http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre#Isotop.C3.ADa/2011-07-16/22:20
5. http://quimica.laguia2000.com/general/isotopos-del-hidrogeno/2011-07-16/22:30
6. http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/isotopos-de-carbono/2011-07-16/22:30
7. http://es.wikipedia.org/wiki/Complejo_%28qu%C3%ADmica%29/2011-07/18/11:30
8. http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-05.html/2011/07/18/11:37
9. http://quimicayciencias.cjb.net/2011/07/19/11:45
10. CHANG, Raymond, “Química General”, Editorial Mc Graw Hill, pág. 843,844.
11. ttp://www.scribd.com/doc/6869194/RADICALES-LIBRES
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