LA QUÍMICA DEL CARBONO

La Química del carbono, también llamada Química Orgánica, es la rama de la química que estudia un tipo de moléculas, que presentan enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno , y que también  pueden contener otros elementos, generalmente en pequeña cantidad como oxígeno, azufre, nitrógeno, halógenos, fósforo, silicio.

Se desarrolla como una parte de la Química cuando Friedich Whöler a finales del siglo XIX consigue sintetizar en el laboratorio  urea, un compuesto presente en los seres vivos, a partir de compuestos inorgánicos, poniendo así final a la teoría de la "fuerza vital".

En un principio, el nombre de Química orgánica se aplicaba al estudio de los compuestos que contenían carbono y formaban parte de la química de los seres vivos.

Actualmente se denomina Química del carbono debido a la gran cantidad de compuestos de carbono que podemos sintetizar en el laboratorio y que no forman parte de la materia viva: los plásticos.

• Investiga en qué consistía la teoría de la fuerza vital
• Busca ejemplos de compuestos de carbono en los siguientes ámbitos:

- Sustancias de interés biológico

- Sustancias de interés industrial

- Sustancias de interés energético

El átomo de carbono presenta unas características que le permiten forman un número muy amplio y variado de compuestos:

- Núcleo: 6 protones y 6 neutrones

- Corteza: 6 electrones

- El atómo de C alcanza la estructura de gas noble formando 4 enlaces covalentes con otros átomos

- Se une con otros átomos de carbono formando enlaces sencillos, dobles o triples

- Puede formar largas cadenas carbonadas, abiertas, cerradas, lineales y ramificadas

• Selecciona entre los compuestos siguientes aquellos que pertenezcan a la química del carbono: C6H12O6 ;  KMnO4 ;  CH3COOH ; C6H5NH2 ;   Na2SO4 

Los compuestos de carbono que sólo tienen carbono e hidrógeno reciben el nombre de hidrocarburos. Según presenten enlaces sencillos, dobles o triples reciben el nombre de alcanos, alquenos y alquinos, respectivamente.

Los alquenos y alquinos, por tener enlaces múltiples (dobles y triples) reciben el nombre de compuestos insaturados.

• Los hidrocarburos son compuestos de uso común en nuestra vida diaria. ¿Qué propiedades  generales presentan estos compuestos?

• Investiga para qué utilizamos en nuestra vida diaria:

 Alcanos

Alquenos

Alquinos

Compuestos aromáticos

            Escribe en cada caso ejemplos concretos.

Para nombrar los hidrocarburos utilizamos las reglas que dicta la IUPAC.

El número de átomos de carbono que contiene la cadena se indica mediante los prefijos de la tabla siguiente:

Si se trata de un alcano, se añade la terminación -ano. Para los alquenos usamos la terminación - eno y para los alquinos, la terminación - ino.

Cuando escribimos la fórmula de un compuesto orgánico usamos fórmulas semidesarrolladas en las que se indica cómo son los enlaces entre los átomos de carbono de la cadena carbonada.

Así, los primeros compuestos de la serie de los alcanos tendrán las siguientes fórmulas moleculares y semidesarrolladas:

En el caso de los alquenos:

En  los alquenos, indicamos con un número llamado localizador en qué posición de la cadena se encuentra el doble enlace.

Se procede del mismo modo con los alquinos:

Cuando la cadena de carbonos es cíclica, se antepone al prefijo que indica el número de carbonos la palabra ciclo. Se suelen representar dibujando la figura geométrica correspondiente al número de lados del ciclo:

• Escribe las fórmulas semidesarrolladas de  los siguientes compuestos:

butano 

propeno

2-pentino

ciclohexano

heptano

3-penteno

ciclobutano

Además de los hidrocarburos existen otros compuestos orgánicos, que tienen en sus moléculas átomos de oxígeno, nitrógeno y halógenos fundamentalmente.

Para estudiar a los compuestos orgánicos se agrupan en series homólogas. Una serie homóloga está formada por todos los compuestos que tienen asociaciones de átomos similares en sus moléculas. 

Algunas series homólogas (además de los hidrocarburos) son:

- Alcoholes

- Éteres

- Ácidos carboxílicos

- Aldehídos 

- Cetonas

- Ésteres

-Aminas

• Para los siguientes compuestos: 

etanol

dietiléter

ácido acético

 ácido cis-9-octadecenoico

ácido 2-hidroxipropanoico

etanal

acetona

(R)-4-(1-hidroxi-2-(metilamino)etil)benceno-1,2-diol 

Averigua a qué serie homóloga pertenecen los compuestos anteriores y su fórmula química y busca información sobre ellos.

• Los ésteres son compuestos con olores muy característicos y, en general, agradables. Por ejemplo, la mayoría de los olores de las frutas son debidos a su presencia. Averigua que compuestos son los responsables del olor de la manzana, el plátano, la naraja y  la piña

6. ENLACE QUÍMICO: ACTIVIDADES FINALES

 Página 58: ejercicios 2, 3, 6, 8,12 , 17

• Para comprobar que todos los conceptos están claros, puedes hacer los  ejercicios :

1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 23, 24, 27

de la página 59.

5. ENLACE QUÍMICO: ENLACE METÁLICO

El enlace metálico se produce cuando se combinan metales entre sí. 

Los átomos de los metales necesitan ceder electrones para alcanzar la configuración de un gas noble. Los metales pierden los electrones de valencia y se forma una nube de electrones o gas electrónico que es retenido por los cationes,  que forman una red central. Esta red recibe el nombre de cristal metálico.

Esta estructura hace que los metales ( oro, hierro, plata, cobre, plomo,...) presenten las siguientes PROPIEDADES:

1. Estado sólido a temperatura ambiente 
2. Puntos de fusión y ebullición elevados
3. Insolubles en agua y en la mayoría de los disolventes orgánicos.
4. Brillo metálico, debido a que la nube electrónica refleja la luz
5. Son dúctiles y maleables
6. Buenos conductores de la electricidad y del calor porque los electrones del gas electrónico pueden desplazarse libremente por el metal.

• ¿Qué significan los términos "dúctil" y "maleable"? ¿Por qué los metales presentan estas dos propiedades?

• ¿Qué metal no es sólido a temperatura ambiente?

Página 55: ejercicios 1, 3, 4










ACTIVIDAD VOLUNTARIA

Busca información sobre aleaciones metálicas: qué son, nuevas aleaciones fabricadas, sus ventajas y aplicaciones. 

4. ENLACE QUÍMICO: ENLACE COVALENTE

Este enlace se produce entre átomos de no metales que comparten electrones para completar la última capa electrónica.

Podemos diferenciar distintos tipos de enlace covalente. Para interpretarlos se utiliza la representación de Lewis de los átomos.

Enlace sencillo: Es el caso de moléculas como H2 , F2 , HCl, etc

Representamos el enlace sencillo con una línea entre los átomos enlazados:

H - H  ; F - F  ; H - Cl

Utiliza esta representación para las siguientes moléculas: H2O ; NH3 ;  CH4

Enlace doble:  Molécula de oxígeno, O2

Los átomos comparten 4 electrones: O = O formando un enlace doble

Enlace triple: Molécula de nitrógeno, N2

Teniendo en cuenta la estructura de Lewis del átomo de nitrógeno, escribe el proceso de formación de la molécula de nitrógeno, y justifica la formación del triple enlace.

La unión de átomos mediante enlace covalente lleva a la formación de moléculas, que se representan mediante fórmular moleculares en las que se indica qué elementos  forman la molécula y cuántos átomos hay de cada elemento.

Para estudiarlas, se trabaja con modelos de bolas y varillas:

Molécula de oxígeno

Molécula de agua 

Molécula de metano

Molécula de amoníaco

ACTIVIDAD VOLUNTARIA

Elabora los modelos de las moléculas anteriores

Las moléculas se unen entre sí mediante fuerzas intermoleculares para formar los compuestos covalentes.

Uno de los tipos de fuerzas intermoleculares es el enlace por puente de hidrógeno. Es una interacción electrostática débil entre el átomo de oxígeno de unas moléculas de agua y los átomos de hidrógeno de otras, de modo que las moléculas se aproximan originando un estado líquido.

Los compuestos covalentes moleculares presentan las siguientes PROPIEDADES:

1. Son líquidos o gases a temperatura ambiente
2. Tienen puntos de fusión y ebullición bajos
3. No se disuelven en agua pero sí en disolventes orgánicos
4. No conducen la corriente eléctrica

En algunos casos se forman cristales covalentes, que son compuestos sólidos formados por redes:

Diamante

Grafito

Sílice

Averigua qué es el fullereno y cuál es su estructura. ¿Qué otro nombre recibe?

Página 47: 2

Página 49: 1,2,4,5,6

ACTIVIDAD VOLUNTARIA

Lee las lecturas de las páginas 50 y 51 del libro y responde las cuestiones 1,2,4,5.

3. ENLACE QUÍMICO: TABLA DE VALENCIAS DE LOS ELEMENTOS

La valencia de un elemento indica el número de enlaces que puede formar un elemento.

Fijándote en ella, elabora tu propia  tabla con los nombres, símbolos y valencias de los elementos

- alcalinos
- alcalino-térreos
- térreos   (solo boro y aluminio)
- grupo del carbono
- grupo del nitrógeno
- anfígenos
- halógenos
- metales de transición: hierro, cobalto, níquel, cobre, cinc, platino, plata, oro y mercurio.

2. ENLACE QUÍMICO: ENLACE IÓNICO

El enlace iónico se produce cuando se combinan un metal y un no metal. El metal alcanza la configuración electrónica de gas noble perdiendo electrones (convirtiéndose en catión). El no metal gana electrones (convirtiéndose en un anión). Catión y anión tienen cargas opuestas, por lo que se atraen eléctricamente y se produce así el enlace entre ellos:

• Al sodio le sobre un electrón para completar su último nivel de energía: 

Na: 1s² 2s² p⁶ 3s¹

^{Si pierde un electrón se forma el catión sodio :} Na⁺ : 1s² 2s² p⁶

• Al cloro le falta un electrón para completar su último nivel de energía: 

Cl: 1s² 2s² p⁶ 3s²p⁵

^{Si gana un electrón se forma el anión cloruro:}Cl^- :1s² 2s² p⁶ 3s²p⁶

• El sodio le cede su electrón de valencia al cloro y se forman los iones.

• Catión y anión se atraen electrostáticamente:

• Este proceso no se produce sólo entre un anión cloruro y un catión sodio, sino entre muchos simultáneamente, de modo que se forma una red iónica. Dependiendo de la carga del anión y del catión las redes pueden tener distintas formas; en el caso del cloruro de sodio, se forma una red cúbica:

Los compuestos iónicos presentan las siguientes PROPIEDADES:

1. Son sólidos a temperatura ambiente.
2. Tienen temperaturas de fusión y ebullición muy elevadas.
3. Son duros pero frágiles.
4. Se disuelven en agua.
5. No conducen la corriente eléctrica cuando están en estado sólido, pero sí la conducen cuando están fundidos o disueltos.

1. Explica la diferencia entre dureza y fragilidad

2. Justifica las propiedades anteriores en función de la fuerza que produce el enlace iónico.

3. Considera los siguientes compuestos: fluoruro de potasio, KF ; sulfuro de sodio , Na2S ;  sulfuro de calcio, CaS. Explica en cada caso:

a) Cómo se forma el anión y cómo se forma el catión

b) Cómo se forma la red iónica.

1. ENLACE QUÍMICO

Casi todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por átomos unidos. Las fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se denominan enlaces químicos.

Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. Esta situación suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a 8, estructura que coincide con la de los elementos del grupo 18 o gases nobles. Los gases nobles tienen muy poca tendencia a formar compuestos y suelen encontrarse en la naturaleza como átomos aislados.

Los átomos se unen para formar enlaces porque así consiguen que su último nivel tenga 8 electrones, la misma configuración electrónica que los átomos de los gases nobles. Este principio recibe el nombre de regla del octeto.

Las propiedades de las sustancias son consecuencia de los elementos que las forman y del tipo de enlace que se ha producido entre ellos.

EL SISTEMA PERIÓDICO

La gran cantidad de elementos químicos que a lo largo de la historia se fueron descubriendo, llevó a diferentes científicos a establecer un orden que explicara por ejemplo, su número y la variedad en sus propiedades.

El primero en intentar establecer una clasificación fue Lavoisier, que a finales del siglo VXIII los dividió en metales y no metales.

Tras varios intentos, a finales del siglo XIX Meyer  y Mendeleiev, trabajando por separado llegaron a la misma conclusión, elaborando una tabla en la que los elementos se ordenaban por su masa atómica creciente.

Cuando se vio que era el número de protones el que determinaba el comportamiento químico de los elementos, se decidió ordenarlos por el número atómico creciente. Moseley en 1913 elaboró el primer sistema periódico tal como lo conocemos actualmente.

En la tabla actual podemos distinguir filas horizontales , a las que llamamos períodos  y columna verticales, llamadas grupos o familias.

Hay 18 grupos. Todos los elementos del mismo grupo tienen el mismo número de electrones de valencia en la capa externa. Por eso presentan propiedades similares.

Escribe la  configuracion electrónica de Li, Be, B, C, N, O, F y Ne. ¿Cuántos electrones de valencia tendrán los elementos de estos grupos? 

Los elementos del mismo período tienen el mismo número de niveles de energía, que coincide con el número de período.

Compruébalo con los elementos : Be y C;  Al y S.

Teniendo en cuenta la posición respecto del grupo y del período de los elementos Ba, Te y I, deduce cómo será la configuración electrónica de su última capa.

Además de grupos y períodos, también distinguimos los siguiente bloques:

• Elementos representativos
• Elementos de transición
• Elementos de transición interna

Los elementos representativos terminan su configuración electrónica en orbitales s y p. Escribe la configuración electrónica del escandio (Sc) y del cerio (Ce) y deduce cuál es la característica en la configuración electrónica de los elementos de transición y en los elementos de transición interna.

Los elementos que se hacen estables perdiendo electrones se denominan metales, los elementos que se hacen estables ganando electrones se llaman no metales. Se denominan semimetales elementos que pueden comportarse como metales y como no metales. 

Calcula el porcentaje de elementos metálicos y el de elementos no metálicos que hay en la tabla periódica.

ACTIVIDAD VOLUNTARIA

Entre todos los elementos semimetálicos hay dos de gran importancia para la industria electrónica, el silicio y el germanio. Averigua para qué se utilizan estos elementos.

Puedes repasar estos conceptos en el siguiente vídeo:

Si quieres saber más cosas acerca de los elementos del Sistema Períodico, accede a una tabla interactiva en el siguiente enlace:

TABLA PERIÓDICA INTERACTIVA

9. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE IONES

Un ion es un átomo que ha perdido o ha ganado electrones, por lo que tiene carga eléctrica.

Un átomo pierde o gana electrones en su capa de valencia para conseguir la estabilidad química, esto es, tener 8 electrones en su capa externa. A esto se le llama completar el octete.

Si el átomo gana electrones, se queda con un exceso de carga negativa. Le llamamos ANIÓN.

Por ejemplo: el átomo de cloro tiene la configuración electrónica

Para completar el octete necesita un electrón en la capa externa (nivel 3). Si capta un electrón tendrá 17 protones en el núcleo y 18 electrones en la corteza, y por tanto, un exceso de una carga negativa. Se formará el anión cloruro Cl^-

Los aniones se nombran añadiendo la terminación -uro al nombre del elemento 

Si el átomo pierde electrones, se queda con un exceso de carga positiva. Le llamamos CATIÓN.

Por ejemplo: el átomo de sodio tiene la configuración electrónica

Para completar el octete pierde el electrón de la capa externa (nivel 3) y se queda con la capa 2, que tiene 8 electrones, como capa externa. Se formará el catión sodio Na⁺

¿Qué iones formarán los siguientes elementos? Escribe su símbolo, su configuración electrónica y su nombre:  K, P, O, Mg, N

   Página 29: ejercicios 7, 8,9

8. CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS

El comportamiento químico de un elemento  viene determinado por su configuración electrónica, principalmente por la capa más externa , denominada capa de valencia. Los electrones que se sitúan en esta capa reciben el nombre de electrones de valencia.

Si nos fijamos en la configuración electrónica, por ejemplo, del potasio o del nitrógeno

Podemos ver que el potasio:

- Tiene 4 niveles de energía

- Su capa de valencia es "s1"

- Tiene 1 electrón de valencia

Y el nitrógeno:

- Tiene 2 niveles de energía

- Su capa de valencia es "s2p3"

- Tiene 5 electrones de valencia

Escribe las configuraciones electrónicas de: Cloro, Carbono, Calcio, Azufre. Indica en cada caso: cuántos niveles de energía tiene; cuál es su capa de valencia; cuántos electrones de valencia tienen.

En 1916 G. Lewis propuso un método para representar la capa de valencia de los elementos químicos: las estructuras de Lewis. Consisten en representar los electrones de la capa de valencia mediante puntos:

A partir de las correspondientes configuraciones electrónicas, justifica las estructuras de Lewis de: H, Li, N, O, F, Ne.

 Ejercicios página 29 : 1,2,3,4,6