Estudia a los compuestos del carbono y a los elementos organógenos: C, H, O, N y a los biogenésicos: P, Ca, Mg, Na, F, I, Fe, etc
PROPIEDADES DEL CARBONO
1) TETRAVALENCIA
El carbono formo 4 enlaces covalentes
2) AUTOSATURACIÓN
Enlace entre átomos de carbono.
3) COVALENCIA
Compartición de par de electrones.
4) FORMA TETRAEDRICA
Según VAN´T HOFF el carbono se hibridiza y forma un tetraedro (sp3).
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HIBRIDACRÓN:
ALCANO ALQUENO ALQUINO
TIPOS DE CARBONO
CARBONO Nº ÁTOMOS DE “C” AL QUE ESTÁ UNIDO
Primario
Secundario
Terciario
Grupo Alquino (R-)
CH3 – metil
C2H5 -
<> CH3 – CH2 – etil
CH3
|
CH3–CH – CH2– 2-metilpropoil
(isobutil)
3 2 1
1 2 3
CH3–CH – CH2–CH3
1-metilpropil(sec-butil)
CH3
|
CH3– C- CH3
|
1
2 1,1 – dimetileti (ter-butil)
HIDROCARBUROS
Compuestos Binarios formados por H y C.
I. Acíclicos. Cadena abierta
a. Saturado Alcano CnH2n+2
b. No Saturado Alqueno CnH2n
Alquino CnH2n-2
II. Cíclicos: Cadena cerrada
a) Aliciclico: Ciclo alcano CnH2n
Ciclo Alqueno CnH2n-2
Ciclo Alquino CnH2n-4
b) Aromático
1. Alcanos o Parafinas
Cn H2n + 2 - C - C -
1,2,3.....
F.Global F.Semidesarrollada F.Condensada F.Desarrollada
H H
C2H6 CH3–CH3 CH3 CH3 H–C–C–H
Etano (IUPAC)
H H
Grupo Alquino (R-)
CH3 – metil
C2H5 - <> CH3 – CH2 – etil
CH3
CH3–CH – CH2– 2-metilpropoil (isobutil)
3 2 1
1 2 3
CH3–CH – CH2–CH3
1-metilpropil(sec-butil)
CH3
CH3– C- CH3
1 2 1,1 – dimetileti (ter-butil)
III. Isomeros del C5H12 (de Cadena)
IUPA común
1) CH3–CH2–CH2–CH2–CH3– pentano n-pentano
2) 1 2 3 4
CH3– CH - CH2–CH3 2-metilbutano isopentano
CH3
3) CH3
CH3–C-CH3 2,2-dimetilpropano neopentano
1 2 3
CH3
PROPIEDADES:
• Son moléculas no polares
• Sus moléculas están unidas por fuerzas de vander waals
• El punto de ebullición aumenta con el número de carbonos.
• En isómeros de cadena a mayor ramificación menor punto de ebullición.
• Son sustancias de poca reactividad (parafinas)
• Son usados como combustibles
• Dan reacciones de sustitución, no de adición (saturados)
• Halogenación:
CH4 + Cl2 luz CH3 Cl + HCl
• Combustión:
a) Completa. Exceso de O2
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + calor
• Incompleta. Deficiencia de O2
2CH4 + 3O2 2CO + 4H2O+calor
2. Alquenos u Olefinas
Cn H2n C = C
n: 2,3,4.....
C2H4 CH2 = CH2 eteno (etileno)
C4H8 CH2 = CH – CH2 – CH3 buteno
(2 isómeros
de posición) CH3-CH = CH – CH3 2-buteno
1 2 3 4
3. Alquinos o Acetilénicos
C2H2 CH CH etino (acetileno)
C4H6 CH C – CH2 – CH3 butino
(2 isómeros
de posición) CH3-C C – CH3 2-butino
1 2 3 4
PROPIEDADES:
• La mayor parte de las propiedades físicas de los alquenos y alquinos son semejantes a los alcanos correspondientes.
• Los alquenos y alquinos dan reacciones de adición.
• Los alquenos tienden a ser ligeramente más polares que los alcanos.
• Los alquinos son más ácidos que los alquenos y éstos más ácidos que los alcanos correspondientes.
• Los alquenos presentan isomería geométrica
Cl Cl Cl H
C = C C = C
H H H Cl
µ = 2,95D µ = 0D
p.e. = 60ºC p.e. = 48ºC
cis 1,2–dicloroeteno trans 1,2-dicloro eteno
• Hidrogenación:
CH = CH + H2 Pt CH2 = CH2
CH2 = CH2 + H2 Pt CH3 - CH3
• Obtención de etino (acetileno)
CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2
HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS
Ciclo Propano Ciclo butano Ciclo buteno
PROPIEDADES:
• Los anillos de más de 5 carbonos son más estables.
• Los anillos de 3 o 4 carbonos dan reacciones de adición y los anillos de 5 y 6 carbonos se comportan como los alcanos.
HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
• Son moléculas planas
• Son apolares
• Los átomos de carbono están hibridados sp²
• Presentan resonancia, lo que le da estabilidad a anillo.
• Dan reacciones de sustitución
Benceno Tolueno Naftaleno
ISÓMEROS DE POSICIÓN
1,2-diclorobenceno 1,3-diclorobenceno 1,4-diclorobenceno
orto-diclorobenceno meta-diclorobenceno para-diclorobenceno
FUNCIONES OXIGENADAS Y NITROGENADAS
Función Fórmula
Alcohol
Eter
Aldehido
Cetona
Acido carboxilico
Ester
Amina
amida R-OH
R-O-R
R-CHO
R-CO-R
R-COOH
R-COO-R
R-NH2
R-CONH2
Nombre Ejemplo
...ol
...eter
...al
...ona
acido...oico
...ato de ...ilo
...amina
...amida CH3 – CH – CH2 – CH3 2-BUTANOL
OH
CH3 – O - CH3 DIMETILETER
CH3 –CHO ETANAL
CH3 - CO-CH3 PROPANONA (ACETONA)
CH3 – COOH ACIDO ETANOICO
CH3 –COO-CH3 ETANOATO DE METILO
CH3 –NH2 METILAMINA
CH3 – CONH2 ETANAMIDA
Isómeros de función: Se diferencian por tener distintos grupos funcionales.
H2 – CHO aldeido
C3H6O
CH3 – C O - CH3 cetona
PETRÓLEO
Es una mezcla mineral compleja de hidrocarburos sólidos, líquidos y gaseosos. El petróleo contiene también compuestos nitrogenados, oxigenados y sulfurados. El azufre es un elemento inconveniente.
Tiene origen marino (Hipótesis mas aceptable)
PROPIEDADES
• Son líquidos de consistencia oleosa, viscosos, fluorescentes.
• Insolubles en agua.
• Color variable, pardo rojizo con reflejo verdoso y oscuro
• Menos denso que el agua (0,78 – 0,91 g/ml)
REFINACIÓN:
Es la separación de fracciones útiles del petróleo crudo. En primer lugar se separan los sólidos en suspensión, el agua y las sales orgánicas. Luego se somete a destilación fraccionada.
PRINCIPALES FRACCIONES DEL PETRÓLEO:
Fracción Nº átomos de C T. ebullición (ºC)
Gas natural
Eter de petróleo
Ligroina
Gasolina
Queroseno
Aceite lubricante C1-C4
C5 – C6
C7
C6 – C12
C11 – C16
C15 – C24 -161 a 20
30 a 60
20 a 135
30 a 180
170 a 290
300 a 370
Cracking (Ruptura pirolítica)
Es la ruptura de moléculas grandes de Hidrocarburos por efecto de una elevada temperatura y presión obteniéndose alcanos y alquenos de baja masa molar.
Cracking térmico.
Se realiza a una temperatura de 470ºC a 510ºC y 50 atm. Esta gasolina tiene mayor octanaje que la gasolina obtenida por destilación directa.
Cracking Catalítico
Se realiza a una temperatura de 430 a 460ºC y una presión de 1,4 a 3,4 atm. Usando un catalizador. Esta gasolina tiene mayor octanaje que la gasolina obtenida por cracking térmico.
Alquilación. Es un proceso para obtener gasolina de alto índice de octano. Los alcanos y alquenos de baja masa molar se condensan originando hidrocarburos ramificados.
Indice de Octano. Es una medida de un combustible a detonar.
El índice de octano aumenta al disminuir la masa molar y aumentar las ramificaciones.
Los alquenos, ciclo alcanos o hidrocarburos aromáticos tienen alto índice de octano.
Octanaje de algunos hidrocarburos:
HIDROCARBURO ESTRUCTURA MOLECULAR
n-heptano
2-metilhexano
2,2,4-timetilpentano
Benceno
Tolueno
2,23-timetilbutano CH3-(CH2)5-CH3
CH3-CH-(CH2)3-CH3
CH3
CH3C(CH3)2CH(CH3)2
C6H6
CH3-C6H6
CH3C(CH3)2CH(CH3)2
TIPO DE ESTRUCTURA OCTANAJE
Lineal
Ramificada
Ramificada
Aromático
Aromático
Ramificada 0
42
100
106
120
125
HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
En la serie aromática los compuestos son isocíclicos. Llamados bencénicos porque el benceno es el más simple de esta serie y al resto se les considera como derivados del benceno. La propiedad característica es su aroma.
Los hidrocarburos aromáticos se encuentran y extraen principalmente del alquitrán de la hulla (en la destilación seca).
EL BENCENO, C6H6
Conocido como bencina (de alquitrán) o benzo. Su nombre químico es 1,3,5-ciclohexatrieno.
Fue descubierto en 1825 por Michael Faraday, comprendiéndose que era un hidrocarburo insaturado por su peso y fórmula molecular, lo que no se comprendía era el arreglo de sus átomos. Después de muchas tentativas y modelos para encontrar una estructura que explique sus propiedades, se aceptó la del alemán Friedrich Kekulé. Sin embargo ninguna ha convencido totalmente.
CH CH
CH CH
CH CH
(benceno) 1,3,5-ciclohexatrieno
(benceno)
benceno
"núcleo bencénico"
La estructura del benceno presente tres enlaces dobles conjugados los cuales no son fijos sino móviles y oscilan entre las dos posiciones posibles, por lo que se representa el benceno por un hexágono regular con un círculo inscrito indicando los enlaces "deslocalizados".
En la estructura los seis carbonos son equivalentes, porque cada tiene sólo un hidrógeno.
Propiedades Físicas del Benceno
Es un líquido incoloro de olor agradable (aromático), muy inflamable, muy volátil, insoluble en el agua, pero miscible en éter, cetona, alcohol, refrigente (refracta la luz); es tóxico; generalmente su combustión es incompleta.
Se usa como materia prima para obtener nitrobenceno, anilina, etc.
Se usa como disolvente (de grasas, resinas, caucho, azufre, etc.)
Propiedades Químicas del Benceno-Reacciones:
El anillo bencénico no se altera es muy estable y poco reactivo (como los alcanos), es decir al reaccionar sólo se sustituyen los hidrógenos y poco se rompe el enlace carbono-carbono, resistiendo la acción de los oxidantes.
Da reacciones de sustitución, oxidación, adición, nitración, etc.
1. Reacciones de Sustitución.- Son la halogenación, nitración, sulfonación y alquilación.
Se puede obtener productos como: di y trisustituidos según se hayan sustituido 1, 2 ó 3 hidrógenos por halógenos.
a) Halogenación.- Generalmente con el Cl y Br. Se pueden obtener: monohalogenados, dihalogenados y trihalogenados. Se usa como catalizador el tricloruro de Al, ó Fe.
H + X+ X X + HX
(benceno) halógeno
H + Cl2 Cl +HCl
b) Nitración.- Con el ácido nítrico (HNO3). El HNO3 se adiciona mezclado con ácido sulfúrico (H2SO4), formando la "mezcla sulfonítrica".
H + HO+NO2 NO2+H2O
benceno ac. Nítrico nitrobenceno
c) Sulfonación.- Con el ácido sulfúrico "fumante"
H + HO+HSO3 SO3H +H2O
benceno ác.sulfúrico ácido bencenosulfónico
d) Alquilación.- Consiste en sustituir un H por un radical alquílico.
H + R - X R + HX
X: halógeno
H + CH3-CH-CH3 CH-CH3+HCl
| |
Cl CH3
2. Reacción de Oxidación.- Es una reacción muy limitada. En condiciones específicas de temperatura y catalizador, reacciona con el aire para dar el fenol.
3. Reacción de Combustión.- Arde con llama fuliginosa. Su combustión completa produce: CO2 + H2O + calor
4. Reacción de Adición.- Lo realiza en función a sus enlaces insaturados que posee. Son difíciles de realizar.
a. Adición de Hidrógeno (Hidrogenización).- En presencia de Ni.
+ 3H2
benceno ciclohexano
b. Adición de Halógeno.- Generalmente Cl y Br. Pueden adicionarse: un mol, 2 y hasta tres moles de halógeno.
Ejm.:
En ciertas condiciones el cloro puede saturar los 3 dobles enlaces.
Cl Cl
+ 3Cl2 Cl Cl
Cl Cl
Benceno
Cuando el benceno pierde un hidrógeno se obtiene un radical que se denomina: fenil o fenilo.
CH CH
CH C - H
CH CH
Benceno, C6H6
CH CH
CH C - H ó
CH CH
fenil (ilo), C6H5-
OBTENCIÓN DEL BENCENO
Se obtiene a partir de algunos petróleos y en especial por destilación fraccionada del alquitrán de la hulla.
También por los siguientes métodos:
1. Síntesis de Berthelot:
3CHCH
acetileno
2. Además por reducción del fenol o por hidrólisis del ácido bencensulfónico.
CARÁCTER AROMATICO
Para reconocer si un compuesto es aromático debe tener:
1. Cadena cerrada y enlaces dobles alternados.
2. La cantidad de dobles enlaces debe ser = 2n+1, para n = 0, 1,2,4, ...., enteros. Siendo siempre impar el número de dobles enlaces.
DERIVADOS DEL BENCENO
Entre los principales, tenemos: mono, di y trisustituidos.
1. Monosustituidos.- Cuando se ha sustituido un hidrógeno por un radical o un elemento monovalente. Tenemos:
2.
Alquilbencenos
CH3
Metilbenceno
(Tolueno)
CH3-CH-CH3
Isopropilbenceno
2-fenilpropano
(Cumeno)
Alquilbencenos Acetilbencenos
vinilbenceno
fenilbenceno
(estireno)
Acetilbenceno
Fenilacetileno
Para grupos diferentes a los alquílicos:
OH
Hidroxibenceno
(fenol)
CH2OH
Fenilmetanol
(alcohol bencílico) CHO
Benzaldehído
(fenical)
COOH
Ácido benzoico
NH2
Aminobenceno
(anilina) NO2
Nitrobenceno
3. Derivados Disustituidos.- Cuando se ha sustituido dos hidrógenos por grupos monovalentes (o elementos). Los sustituyentes pueden ser iguales o diferentes.
Se dan tres casos de isomerismo, denominados: orto (o-), meta (m-) y para (p-).
R
0-....6 2 .... Posición orto(0-): Posiciones 2 y 6
m-.. 5 3 .... Posición meta(m-): Posiciones 2 y 6
Posición para (p-)
Xilenos o Xiloles
CH3
-CH3
o-metiltolueno
o-xileno
CH3
-CH3
m-metiltolueno
m-xileno CH3
|
CH3
p-metiltolueno
p-xileno.
Cresoles
CH3
-OH
o-hidroxitolueno
o-cresol
CH3
-OH
m-hidroxime-tilbenceno
m-cresol CH3
OH
p-hidroxito-lueno.
p-cresol
También se conocen otros disustituidos. Ejm.
Difenoles: o-fenodiol, m-fenodiol y p-fenodiol.
Diácidos carboxílicos: o-benzodioico (ácido ftálico), m-benzodioico (ácido isoftálico) y p- benzodioico (ác. tereftálico). Otros ejemplos:
Cl CHO
-Cl -Br
m-diclorobenceno m-bromobenzaldehído
OH OH
-NO2
|
OH
p-difenol (hidroquinina) m-nitrofenol.
Derivados Trisustituidos.- Cuando se han sustituido tres hidrógenos del anillo bencénico, Se presentan tres isómeros: Vecinal o Vec-(en las posiciones 1, 2 y 3), Asimétrico o Asim-(posiciones: 1, 2 y 4) y simétrico o Sim-(posiciones: 1, 3 y 5); cuando los tres sustituyentes son iguales.
Ejm.
CH3 CH3
-CH3
-CH3 H3C- -CH3
1,2,3-trimetilbenceno 1,3,5-trimetilbenceno
(Vec-mesitileno) (Sim-mesitileno)
OH .
OH
|
OH
1,2,4 -fenoltriol.
(asimétrico)
Entre los derivados tetrasustituidos, tenemos:
CH3 COOH
O2N - NO2
HO OH
| |
NO2 OH
Trinitrotolueno (ácido gálico)
(trilita o trotyl)
(TNT)
OH .
O2N -NO2
|
NO2
(ácido pícrico)
Generalmente se disponen en forma simétrica.
PROPIEDADES DE LOS DERIVADOS DEL BENCENO
a) El Tolueno.- Es un líquido incoloro, insoluble en agua. Se obtiene a partir del alquitrán de la hulla.
Su derivado más importante es el trinitrotolueno ó 2, 4, 6-trinitrotolueno (TNT). Se usa: como solvente, en termómetros de bajas temperaturas. Más tóxico que el benceno.
b) El Fenol.- Llamado ácido fénico o ácido carbólico, también se le obtiene del alquitrán de la hulla, es un sólido cristalino, poco soluble en agua; coagula la albúmina. Se usa en medicina (como antiséptico) y en la industria. Es tóxico y cáustico.
c) La Anilina.- En un líquido oleoso, incoloro, tóxico, olor desagradable, poco soluble en agua. Es una sustancia básica para la obtención de colorantes.
d) Los cresoles.- Se encuentran en el alquitrán de la hulla. Son desinfectantes.
e) En general son líquidos, olor agradable e insolubles en agua. Al aldehído benzoico se le llama "esencia de almendras amargas". El TNT, es un poderoso explosivo.
COMPUESTOS POLINUCLEARES AROMATICOS
Tienen más de un anillo bencénico.
1. Naftaleno.- Comúnmente se conoce como naftalina. En un sólido cristalino blanco, insoluble en agua. Se sublima fácilmente. Se obtiene a partir del alquitrán de la hulla. Se usa como antiséptico e insecticida.
Es más reactivo que el benceno.
Su fórmula global es C10H8.
CH CH
HC C CH
HC C CH
CH CH
8 1
7 2
6 3
5 4
Las posiciones indicadas con letras griegas o con números son los carbonos con hidrógeno sustituible.
La nomenclatura común usa letras griegas.
La nomenclatura IUPAC usa los números.
Ejm.
Cl
-OH
1-cloronaftaleno 2-hidroxinaftaleno
2-metil-1-naftal 3-bromo-1-naftoico.
El naftaleno también da reacciones de halogenación, nitración, sulfonación y alquilación, etc.
Antraceno.- Su fórmula general es C14H10. Resulta de la condensación de tres anillos bencénicos. Es sólido, insoluble en agua, cristaliza en láminas incoloras. Se encuentra en el alquitrán de la hulla. Se usa en la industria de los colorantes.
Sus principales reacciones son: cloración, nitración y sulfonación.
Posiciones 8 9 1
Sustituibles 7 2
Las posiciones con letras griegas (sistema común) o números (sistema IUPAC) indican los C con hidrógeno sustituible. Ejm.
CH3 OH
| |
9-metillantraceno 1-hidroxiantraceno
(-metilantraceno) (-antrol)
CH3
|
CH3 -
-NO2
10-cloro-3-nitro-1,7-dimetilantraceno
Además se conoce:
fenantreno
PROBLEMAS PROPUESTOS
1. ¿Qué propiedad no corresponde al carbono?
a. Se combina por covalencia
b. Es tetravalente
c. Se autostura
d. Al combinarse forma orbitales híbridos sp, sp², sp3.
e. Sus alótropos tienen propiedades iguales.
2. ¿Cuántos carbonos primarios y secundarios tienen la molécula: 2,2,4 – trimetril pentano?
a) 5,1 b) 5,2 c) 4, 3
d) 3,2 e) 6,3
3. ¿Cuántos enlaces sigma y pi hay en una estructura siguiente?
CH C – CH2 – CH = CH2
a) 10;3 b) 8,2 c) 10,4
d) 9;2 e) 9;3
4. ¿Cuál es el nombre IUPAC del siguiente hidrocarburo?
CH3 – CH2 – CH – CH3
CH2 – CH3
a) 2-etilbutano
b) 3-metilpentano
c) 3-metilhexano
d) Isohexano
e) Neopentano
5. ¿Cuál de los siguientes hidrocarburos presenta mayor atomicidad?
a) 2,2 – dimetil pentano
b) heptano
c) octeno
d) 2,3 – dimetilhexano
e) ciclo pentano
6. ¿Cuántos isómeros de cadena tiene el pentano, C5H12?
a) 4 b) 3 c) 2 d) 5 e) 6
7. ¿Cuántos carbonos presenta hibridación sp² la siguiente molécula?
CH2 = CH–CH2–CH= CH – C CH
8. Establezca la relación correcta
a) CH4; sp²
b) C3H8; sp
c) C2H2; sp3
d) C2H4; sp²
e) CCl4; sp²
9. Señalar la relación no correcta.
a) C3H6 Ciclo propano
b) C2H5 – ETIL
c) CH2 = CH2 eteno
d) CH3 – CH – CH2 – Isobutil
CH3
e) CH3 – CH = CH – CH3 Buteno
10. ¿Cuáles son las siguientes sustancias no productos de la combustión del gas propano?
a) C b) CO c) CO2 d) H2O e) SO2
11. El nombre IUPAC a los compuestos siguientes:
HIDROCARBUROS PROBLEMAS RESUELTOS TIPO EXAMEN DE INGRESO A LA UNIVERSIDAD