QUÍMICA II SEM... · 2.2.2 Modelo Atómico de Rutherford a) Postulado del modelo atómico de Rutherford ... reconoció la importancia de las mediciones precisas

COLEGIO DEBACHILLERES

QUÍMICA II

FASCÍCULO 1. ESTRUCTURA ATÓMICA

Autores: Reyna Dalia Campos VargasLourdes Castro BuendíaJosé Guadalupe MonroyDavid Nahón Vázquez

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ColaboradorRosa Martha Chávez Maldonado

Asesoría PedagógicaAlejandro González Villleda

Revisión de ContenidoGenaro Cisneros VargasM. Sergio Ríos CarbajalGabriel Roca NiñoJavier Zaldívar González

Diseño EditorialLeonel Bello CuevasJavier Darío Cruz Ortiz

C O L E G IO D EB A C H IL L E R E S

3

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE COMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DEL ÁTOMO

PROPÓSITO

1.1 LEYES PONDERALES

1.1.1 Ley de la Conservación de la Masa (Antoine Laurent Lavoisier)1.1.2 Ley de los Pesos Equivalentes (Jeremías Benjamín Richter)1.1.3 Ley de las Proporciones Constantes o Definidas

(Joseph Louis Proust) a) Composición centesimal

1.1.4 Ley de las Proporciones Múltiples (John Dalton)

1.2 TEORÍA ATÓMICA

1.2.1 Aspectos Históricos a) La teoría atómica y las leyes ponderales b) Pesos atómicos relativos (masa atómica)

1.2.2 Cálculos Estequiométricosa) Masa Molecular (suma de moléculas)b) Masa Molarc) Fórmula Químicad) Fórmula Mínima (empírica)e) Fórmula Molecular

RECAPITULACIÓNACTIVIDADES INTEGRALESAUTOEVALUACIÓN

9

11

13

13

22

242930

35

353636

383840434446

495053

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOS NUCLEARES

PROPÓSITO

2.1 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

2.1.1 Carga Eléctrica2.1.2 Tubo de Rayos Catódicos

a) Características de los rayos catódicosb) Electrón (primera partícula subatómica)c) Protón (segunda partícula subatómica)d) Modelo atómico de Thomson

2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 Antecedentes Históricos2.2.2 Modelo Atómico de Rutherford

a) Postulado del modelo atómico de Rutherford2.2.3 Modelo Atómico de Bohr

a) Espectrosb) El átomo de Bohrc) Modelo Atómico de Bohr -Sommerfeld

2.2.4 Configuración Electrónicaa) Espínb) Configuración electrónica y la tabla periódica

2.3 FENÓMENOS NUCLEARES

2.3.1 Isótoposa) Isótopos y sus aplicaciones

2.3.2 Neutrón2.3.3 Energía de Amarre2.3.4 Fisión Nuclear

a) Reactor Nuclear2.3.5 Fusión Nuclear

RECAPITULACIÓNACTIVIDADES INTEGRALESAUTOEVALUACIÓN

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57

59

596263656667

76

767778808185949699

101

105

105106106108108109110

116117121

5

RECAPITULACIÓN GENERAL

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN

AUTOEVALUACIÓN

GLOSARIO

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

123

124

126

128

132

7

Desde épocas remotas, posiblemente desde los griegos, el ser humano se ha visto enuna constante lucha por comprender ciertos aspectos de la naturaleza, tales comoquerer saber cómo está hecha la materia o si una muestra de hierro se puede dividirinfinitamente, sin que dejen de ser hierro, éstos y otros dilemas son los que siempre lehan preocupado al hombre.

En este sentido, el fascículo tiene como objetivo que reconozcas la estructura del átomoy lo identifiques como la unidad básica en la materia: para lograr lo anterior deberásllevar a cabo experimentos relacionados con las leyes ponderables y las propiedadeselectromagnéticas, revisar el modelo atómico de Bohr, y realizar cálculosestequiométricos; todo lo anterior te podrá servir para comprender, cuantificar einterpretar el comportamiento de la materia y contar con los antecedentes necesariospara iniciar el estudio de los enlaces químicos.

A partir de lo anterior, el fascículo se encuentra dividido en dos capítulos:

En el capítulo 1, titulado, “CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOS COMPUESTOS YLA EXISTENCIA DEL ÁTOMO”, revisaremos las leyes ponderales (ley de laconservación de la masa, ley de los pesos equivalentes, ley de las proporcionesconstantes y la ley de las proposiciones múltiples) que dieron origen a la teoría Atómica.Posteriormente, nos centraremos en cómo se estableció dicha teoría y en el cálculo delas diferentes variables que influyen en el comportamiento del átomo.

En lo que se refiere al capítulo 2, “ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOSNUCLEARES”, haremos mención al principio de los rayos catódicos, la existencia delelectrón (partícula negativa) y el protón (partícula positiva). Posteriormente hablaremosdel primer modelo atómico (“pastel de pasas”), el cual sirvió como base para realizarexperimentos en la emisión de radioactividad. Como tercer tema revisaremos el modeloatómico de Niels Bohr, y su propuesta sobre los niveles de energía. Por último, tedaremos a conocer cuáles son los usos y/o aplicaciones, de este modelo, así como loscambios que puede sufrir el núcleo atómico, como son la fusión y la fisión.

I N T R O D U C C I Ó N

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CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOS COMPUESTOS YLA EXISTENCIA DEL ÁTOMO


1.1.1 Ley de la Conservación de la Masa

1.1.2 Ley de los Pesos Equivalentes

1.1.3 Ley de las Proporciones Constantes o Definidas

1.1.4 Ley de las Proporciones Múltiples


1.2.1 Aspectos Históricos

1.2.2 Cálculos Estequiométricos

CAPÍTULO 1

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Con la lectura de este capítulo conocerás cuál es la Teoría Atómica, esto lo lograrás apartir de la revisión: de las leyes ponderables y su aplicación en experimentos; ModeloAtómico de Bohr, realizando cálculos estequiométricos en la Teoría Atómica. El conocerlo anterior te permitirá reconocer la existencia del átomo y contar con antecedentespara iniciar el estudio de la estructura atómica.

P R O P Ó S I T O

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13

CAPÍTULO 1. CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOSCOMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DELÁTOMO


Las leyes ponderales son un conjunto de leyes que se descubrieron mediante laexperimentación y hacen referencia a las relaciones que, en una reacción química,cumplen los pesos de las sustancias reaccionantes y de los productos de la reacción.Estas leyes son:

Ley de la conservación de la masa o de Lavoisier.

Ley de los pesos equivalentes propuesta por Richter.

Ley de las proporciones constantes o definidas de Proust.

Ley de las proporciones múltiples debida a Dalton.

1.1.1 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA (ANTOINE LAURENT LAVOISIER)

La explicación de los extraños cambios de peso durante la combustión se tuvo quebuscar en los gases que aparecían o desaparecían mientras se formaban nuevassustancias. Pese al lento desarrollo de su estudio, desde Jean Baptista Van Helmont(1577-1644) hasta George Ernest Sthal (1660-1734), no se había intentado tomarlos encuenta. Pensando en los cambios de peso durante la combustión, los investigadoressólo tenían ojos para los sólidos y los líquidos. Las cenizas eran más ligeras que lamadera, pero; ¿qué ocurría con los vapores liberados por la madera ardiente?. Éstos nose consideraban.

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Figura 1. Combustión de un tronco de madera.

Antes de poder subsanar estas deficiencias era preciso que los químicos sefamiliarizaran más con los gases. Es por ello que el estudio de los mismo es tanimportante en la Química (véase fascículo 2 de Química I).

Si se pesa una vela de parafina, se enciende y deja consumir durantecierto tiempo en presencia del aire. Posteriormente se vuelve a pesar lavela, encontrándose un aparente cambio de peso. ¿Qué habrásucedido?. ¿Se habrá destruido la materia?.

Por otro lado, si se pesa un clavo de hierro, posteriormente se expone alaire húmedo durante un periodo largo de tiempo. Después de este períodose pesa el clavo y se registra un aumento, aparente, de peso. ¿Ante estecambio químico podríamos decir que se creó la materia?.

Figura 2. Antoine L. Lavoisier (1743-1794), científico francés que aplicó la Cuantificación a la Química, la que lo llevó a proponer la Ley de la Conservación de la Materia.

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Desde el principio de sus investigaciones, Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)reconoció la importancia de las mediciones precisas. Lavoisier, siendo más sistemático,utilizó la cuantificación como instrumento para derribar viejas teorías queentorpecían el progreso de la Química, ya que aún en 1770 existían científicos queseguían aceptando la vieja concepción griega de los cuatro elementos y de latransmutación ya que, por ejemplo, el agua se transformaría en tierra, calentándoladurante mucho tiempo.

Durante 101 días, Lavoisier hirvió agua en un aparato que condensaba el vapor y lodevolvía al matraz, de manera que en el transcurso del experimento no se perdíasustancia alguna (pesó el agua y el recipiente, antes y después del experimento).

El sedimento (la tierra) apareció, pero el agua no varió de peso durante la ebullición. Sinembargo, una vez extraído el sedimento, resultó que el matraz pesaba menos,justamente lo que pesaba el sedimento. Es decir, el sedimento no era agua convertidaen tierra, sino vidrio atacado por el agua caliente y precipitado como sedimento.

De manera similar, Lavoisier estudió la combustión, fenómeno que era problemáticoexplicar para la Química del siglo XVIII. En este estudio también mostró que si en elcurso de los experimentos se tenían en cuenta todas las sustancias que formaban partede la reacción química y todos los productos formados, nunca habría un cambio de peso(o utilizando el término más preciso, un cambio de masa). Es por ello que Lavoisiermantuvo la idea de que la masa no se crea ni se destruye, sino que solamentecambia de una sustancia a otra. Ésta es la llamada Ley de la conservación de lamasa, formulada en 1783, la cual sirvió de fundamento para la Química del siglo XIX.

Las conclusiones obtenidas por Lavoisier fueron tan importantes, que los químicosaceptaron sin reserva el uso de la cuantificación en sus investigaciones.

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“DETERMINACIÓN DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA”

Objetivo

Determinar la masa de las sustancias antes y después de una reacción, mediante lamedición de su masa para comprobar que se conserva.

Cuestionario de conceptos antecedentes

1) ¿Cómo se enuncia la Ley de la Conservación de la Materia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo se define la masa de una sustancia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué relación hay entre la masa y la materia?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento I

Objetivo

Determinar la masa de una vela y los productos de su combustión para identificar si hayvariación.

Hipótesis

Elabora una hipótesis que involucre a la masa de la vela antes y después de lacombustión:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No.1

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¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias

☞ 1 Frasco de vidrio de 4 L de boca anchay con tapa de rosca.

☞ 1 Balanza granataria con plataforma.

☞ 1 Alambre de cobre de 50 cm.

☞ 1 vela de 3 cm.

Prevención y seguridad

La indicada para el trabajo con material de vidrio.

¿Cómo hacerlo?

Enrolla fuertemente el extremo de un tramo de alambre de cobre alrededor del extremoinferior de la vela. Usa el alambre como asa para introducir la vela hasta el fondo delfrasco de boca ancha. Corta el alambre de cobre de modo que quede dentro del frascosin que interfiera con la tapa. Coloca en una balanza adecuada el frasco, con la vela, elalambre y la tapa, como lo muestra la figura.

Figura 3.

Pesa el conjunto y registra el dato.___________________________________________

Usa el asa de alambre para sacar la vela del frasco. Enciende la vela y bájalarápidamente hasta el fondo del frasco. Tápalo inmediatamente y observa lo que ocurrecon el equilibrio de la balanza, conforme se consume la vela. Registra el peso y anota eldato.

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Una vez extinguida la llama abre el frasco; sopla en él o bien inviértelo durante variosminutos para dejar escapar los productos de la combustión. Coloca ahora el frasco conla vela, el alambre y la tapa en la balanza. Pesa el conjunto y registra el dato.

Vuelve a sacar la vela con el alambre, enciéndela y colócala en el fondo del frasco sintaparlo. Observa lo que ocurre con el equilibrio de la balanza conforme arde la vela.

Registro de observaciones

Peso inicial delsistema.___________________________________________________________________________________________________________________________

Peso después de arder la vela._____________________________________________________________________________________________________________________

Peso después de dejar escapar los productos de la combustión.___________________________________________________________________________________________

¿Qué ocurre mientras arde la vela cuando no se tapa?.__________________________________________________________________________________________________

Experimento II

Objetivo

Observar el peso durante la fusión del hielo para identificar si hay variación.

Hipótesis

Elabora una hipótesis en torno a la variación de la masa durante la fusión del hielo.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Material Sustancias

☞ 1 balanza granataria con plataforma

☞ 1 matraz Erlenmeyer de 500 ml

☞ 1 tapón de hule para el matraz

☞ 200 ml de agua tibia (35 a 40ºC)

☞ 3 cubos de hielo

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La indicada para el trabajo con material de vidrio

¿Cómo hacerlo?

Coloca en la balanza el matraz Erlenmeyer de 500 ml con los 200 ml de agua tibia (35 a40º C).

Agrégale unos trozos de hielo y tápalo, como lo muestra la figura 4.

Figura 4.

Pesa el conjunto y registra el dato___________________________________________

Observa el peso conforme ocurre la fusión en el hielo.


Peso del conjunto antes de la fusión del hielo __________________________________

Peso del conjunto después de la fusión del hielo ________________________________

Experimento III

Objetivo

Determinar el peso de las sustancias que intervienen en una reacción antes y despuésde la misma para identificar si hay variación.

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Hipótesis

Elabora una hipótesis que involucre la masa de las sustancias que intervienen en unareacción.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 2 matraces Erlenmeyer de 250 ml☞ 1 balanza granataria con plataforma☞ 2 probetas de 50 ml

☞ 50 ml de cloruro de bario al 5%☞ 50 ml de ácido sulfúrico al 5%


La indicada para el trabajo con material de vidrio.

Cloruro de bario. Sólido cristalino, poco tóxico, evítese su inhalación e ingestión.

Ácido sulfúrico. Líquido aceitoso sin color ni olor muy corrosivo sobre todos los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon los ojos puede causar pérdida de la visión y su ingestión causa severos daños alaparato digestivo.

¿Cómo hacerlo?

Coloca en un matraz los 50 ml. de la disolución de cloruro de bario al 5% y en el otro los50 ml de ácido sulfúrico al 5% (figura 5).

Figura 5.

50 ml de clorurode bario al 5%

50 ml de ácidosulfúrico al 5%

21

Coloca los dos matraces juntos en la balanza y registra su peso (figura 6).

Vierte el contenido de uno de los matraces en el otro y vuelve a colocar el matraz vacíoen la balanza junto al otro. Observa lo que ocurre en el matraz que contiene lasdisoluciones y registra si se produce alguna variación en el peso del conjunto.

Figura 6.

Precaución: Recuerda que el ácido sulfúrico es muy corrosivo, evita su contacto. Sisufres algún derrame en la piel, lávate inmediatamente con abundante agua y avísale atu asesor o al responsable de laboratorio.


Peso de los matraces con disoluciones________________________________________

Peso de los matraces uno vacío y otro con las disoluciones _______________________

Peso del conjunto después de la reacción _____________________________________

Cuestionario de reflexión

¿A qué se debe la variación de peso en el experimento I?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se relacionan cada uno de los experimentos con la Ley de la Conservación de laMateria?

Experimento I______________________________________________________________________________________________________________________________________________

22

Experimento II______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento III______________________________________________________________________________________________________________________________________________

Considera el cuestionario de reflexión al contestar tus hipótesis con los resultados decada experimento y elabora tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.1.2 LEY DE LOS PESOS EQUIVALENTES (JEREMÍAS BENJAMIN RICHTER)

No obstante que en sus experimentos Lavoisier estableció la composición cuantitativadel agua, no mostró interés en las relaciones ponderales con que los elementosquímicos se combinan entre sí para formar compuestos.

Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) buscó aplicar las matemáticas a la recienteQuímica y trató de establecer relaciones numéricas entre las composiciones de lasdiferentes sustancias.

En su trabajo con los ácidos y las bases (o álcalis), Richter observó que si semezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizaban, es decir, lamezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Estudió este fenómeno y midió lacantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidaddeterminada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosasencontró que se requerían cantidades fijas y exactas.

Figura 7. Usando papel impregnado de extracto vegetal (tornasol, por ejemplo) se puede identificar si un líquido tiene propiedades ácidas o básicas.

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A partir de sus observaciones, y apoyándose en numerosos ejemplos, dedujo la llamadaLey de los pesos equivalentes, la cual fue enunciada en 1799 y dice: “Los pesos dedos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera sustanciason químicamente equivalentes entre sí”.

Un ejemplo de ello es cuando queremos hacer agua de limón, pero todo depende de lascantidades: para una jarra de agua de limón (1 litro) se utilizan dos limones y ochocucharadas (soperas) de azúcar; pero si deseamos tener una agua de limón semi-agria,se utilizarán cuatro limones y ocho cucharadas de azúcar; y por último, para una jarra deagua agria se utilizan seis limones y ocho cucharadas de azúcar. Cabe hacer notar queesto se puede lograr variando las cantidades de azúcar y manteniendo la de los limones.

Con estas suposiciones, y con ayuda de sus datos experimentales, Richter construyóuna tabla de pesos equivalentes.

Tabla 1. Pesos equivalentes de Richter.

Bases Ácidos

AlúminaAmoniacoCalSosaPotasaBarita

(Al2 O3) ( NH3)(Ca O)(NaOH)(KOH)(Ba O)

52567279385916052222

FluorhídricoCarbónicoMuriáticoOxálicoSulfúricoNítrico

(HF)(H2CO3)(HNO3)

(H2C2O4)(H2SO4)(HNO3)

427577712755

10001404

Datos tomados de Partington, 1959.

La ventaja de estos cálculos es que permitían predecir las cantidades de sustancias quereaccionarían totalmente entre sí; por ejemplo, en la tabla 1 se observa que 1 605 partesde potasa (KOH) son neutralizadas por 427 partes de ácido fluorhídrico (HF), según lanomenclatura de la época, o por 577 de ácido carbónico. Como puedes imaginar, laposibilidad de predecir la cantidad de sustancia que reaccionaría con tal cantidad de otrasustancia era muy adecuada para la ciencia y la naciente industria química.

¿Cuál será la razón de que estas combinaciones químicas ocurran siempreen dichas proporciones?.

Si un compuesto determinado está formado por dos elementos (o tres ocuatro).

¿Estos elementos estarán siempre presentes en el compuesto en lasmismas proporciones?.

¿Variarán las proporciones de acuerdo con el modo de preparación?.

24

1.1.3 LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES O DEFINIDAS (JOSEPH LOUISPROUST)

Dos químicos se encontraban empeñados en demostrar si lo anterior (pesosequivalentes) era verdad. Claude Louis Berthollet (1748-1822) pensaba que uncompuesto formado por los elementos A y B podía contener una cantidad mayor de A sise preparaba utilizando un exceso de A.

En contra de lo propuesto por Berthollet estaba la opinión de Joseph Louis Proust (1754-1826), quien al realizar un análisis cuidadoso demostró, en 1799, que el carbonato decobre contenía cobre, carbono y oxígeno en proporciones definidas en peso, sinimportar cómo se hubiera preparado en el laboratorio ni cómo se hubiera aislado de lasfuentes naturales. La proporción era siempre de 5.3 partes en peso de cobre porcuatro de oxígeno y una de carbono.

Figura 8. Sintetizado en el laboratorio u obteniéndolo a partir de diferentes fuentes naturales, el carbonato de cobre siempretiene la misma composición.

Proust demostró que en muchos otros compuestos ocurría lo mismo. Así pues, formulóuna generalización llamada Ley de las proporciones constantes, la cual dice: “Loselementos que constituyen o forman un compuesto siempre existen en ciertasproporciones constantes, independientemente de las condiciones bajo las que sehubiese formado el compuesto.” Esta generalización también se conoce como Ley deProust.

25

Figura 9. En este ejemplo se observa que al exceder la cantidad de alguno de los elementos. Las proporciones se mantienen (proporciones definidas).

Habrás notado que en algunas tasas, en donde se sirvió café, se encuentran residuosde

éste.

¿Cuál sería la causa?.

¿Existen proporciones?.

26

“LEY DE LAS PROPORCIONES CONSTANTES”

Objetivo

Determinar la proporción en que reaccionan el permanganato de potasio y el tiosulfatode sodio a partir de una serie de reacciones entre estas sustancias para comprobar laLey de las Proporciones Constantes.

Cuestionario de conceptos antecedentes.

1) ¿Cuál es el enunciado de la Ley de las Proporciones Constantes?________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) Explica con tus propias palabras la Ley de Proporciones Constantes________________________________________________________________________________________________________________________________________

Hipótesis

Redacta una hipótesis que involucre las cantidades de sustancias reaccionantes.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?


☞ 4 vasos para precipitado de 250 ml

☞ 2 goteros

☞ 1 agitador de vidrio

☞ 1 probeta de 100 ml

☞ 50 gotas de permanganato de potasio 0.1 M

☞ 50 ml de tiosulfato de sodio 0.1 M

☞ 20 gotas de ácido sulfúrico concentrado

☞ 400 ml de agua

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 2

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La indicada para trabajar con materiales de vidrio.

Ácido sulfúrico. Líquido aceitoso sin color ni olor muy corrosivo sobre todo en los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon los ojos puede causar pérdida de la visión y su ingestión causa severos daños alaparato digestivo.

Permanganato de potasio. Sólido cristalino color púrpura, fuerte oxidante, evítese elcontacto con la piel. Destruye las células de las mucosas, no se ingiera.

Tiosulfato de sodio. Ligeramente tóxico, evítese su ingestión y el contacto con la piel.

¿Cómo hacerlo?

Numera los vasos del 1 al 4 y agrégales permanganato de potasio 0.1 M como se indica.

Figura 10.

Precaución: Recuerda que el ácido sulfúrico te puede causar graves quemaduras, sisufres algún derrame en la piel, lava inmediatamente con abundante agua y llamarápidamente a tu asesor o al responsable de laboratorio.

Agrega una gota de tiosulfato de sodio 0.1 M al vaso numero 1, mueve con el agitador yespera unos cinco segundos para ver si desaparece o no el color. Continua agregandoel tiosulfato gota a gota y agitando, hasta que desaparezca el color rosado. Registra elnúmero de gotas de tiosulfato de sodio empleadas y repite el procedimiento con losvasos 2 al 4.

Vaso 15 ml

Vaso 210 ml

Vaso 315 ml

Vaso 420 ml

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Anota las gotas de tiosulfato empleadas en cada vaso en la siguiente tabla.

Número de vaso Tiosulfato de sodio (gotas)

1 ______________________

2 ______________________

3 ______________________

4 ______________________


1) Divide las gotas de permanganato de potasio, entre las gotas de tiosulfato de sodioutilizadas para cada vaso.

Vaso gotas de permanganato gotas de tiosulfato de sodio

1 5 ______ = ______

2 10 ______ = ______

3 15 ______ = ______

4 20 ______ = ______

2) ¿Por qué se puede demostrar la Ley de Proporciones Constantes con esteexperimento?

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Contrasta tu hipótesis con los resultados obtenidos y elabora tus conclusiones__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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a) Composición centesimal

Una aplicación de la Ley de Proust es el cálculo de la llamada composición centesimal1de un compuesto, esto es, el porcentaje en peso que representa cada elementodentro de la composición de un compuesto, porcentaje que se puede averiguar através de simples proporciones aritméticas.

Ejemplo

Se sabe que 18 g. de agua se forman por la reacción de 2 g de hidrógeno y 16 deoxígeno. ¿Cuál será la composición porcentual del hidrógeno y del oxígeno en dichocompuesto?.

Cálculo del porcentaje de hidrógeno 18 g de agua100 g de agua

2 g de hidrógenox g de hidrógeno

= 100 g de agua 16 g de hidrógeno

18 g de agua = 11.11 %

Cálculo de porcentaje de oxígeno 18 g de agua100 g de agua

16 g de oxÍgenox g de oxÍgeno

= 100 g de agua 16 g de oxÍgeno

18 g de agua88.88 %

Otra aplicación de la Ley de Proust nos ayuda a decidir, con base en los datos delanálisis de una muestra, si ésta es de tal o cual compuesto.

Ejemplo

Al analizar dos muestras se encontró que la primera tenía 87 g de cloro y 16 g deoxígeno mientras que la segunda poseía 174 g. de cloro y 32 g de oxígeno. ¿Se trataráde la misma sustancia? Para dar respuesta a esta interrogante, trataremos de mostrar sitienen la misma composición porcentual o centesimal.

Cálculo del porcentaje de oxígeno

Primera muestra: 87 g de cloro100 g de cloro


x = 100 g de cloro 16 g de oxÍgeno

87 g de cloro18.39 %

1 Al hablar de composición centesimal se está hablando de la composición de cada elemento que se presentaría en 100 gde muestra del compuestos.

30

Segunda muestra: 174 g de cloro100 g de cloro


= 100 g de cloro 32 g de oxÍgeno

174 g de cloro18.39 %

Puesto que los porcentajes de oxígeno son iguales en ambas muestras, tomando encuenta la Ley de Proust, podemos afirmar que se trata de la misma sustancia.

Cabe una pregunta:

¿Por qué, toda muestra pura de sal común tiene 39% en peso de sodio y 61% de cloro?.

1.1.4 LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES (JOHN DALTON)

A través de sus estudios sobre los gases, John Dalton (1766-1844) averiguó que doselementos pueden combinarse en más de una proporción, existiendo una gran variaciónen esas proporciones y que en cada variación se forma un compuesto diferente.

Figura 11. John Dalton (1766-1844), científico inglés, cuyos trabajos sobre gases permitieron establecer la moderna teoría atómica.

Para usar un ejemplo específico, consideremos la combinación del carbono y eloxígeno. Con un exceso de oxígeno, el carbono se quema para formar un gas denso,no tóxico e incombustible CO2 (bíoxido de carbono); sin embargo, si durante lacombustión no existe suficiente oxígeno, se forma un gas venenoso y combustible CO(monóxido de carbono).

31

De los siguientes elementos investiga cuáles son sus posibles combinaciones y qué seobtiene en cada una de ellas.

Por ejemplo: del C + O2 se puede obtener:

CO Monóxido de carbono

CO2 Bióxido de carbono

1) N + O2

_______________________ ____________________

_______________________ ____________________

____________________

2) H2 + O2

_______________________ ____________________

_______________________ ____________________

____________________

En el gas combustible se observó que tres partes en peso de carbono se combinan concuatro partes en peso de oxígeno (3:4). Por otro lado, tres partes en peso de carbono secombinan con ocho partes en peso de oxígeno (3:8) para formar gas no combustible. Enestos casos se comprueba que las diferentes cantidades de oxígeno que se combinancon una cantidad fija de carbono están relacionadas por números enteros sencillos

Un análisis de estos compuestos revela que: en el gas no combustible (A), 1 g decarbono se combina siempre con 2.67 g de oxígeno; mientras que en el gas combustible(B), 1 g de carbono se combina siempre con 1.33 de oxígeno. Así pues:

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

32

Gas A (CO2) Gas B (CO)

2.67 g de oxígeno1.0 de carbono

1.33 g de oxígeno1.0 de carbono

Por gramo de carbono, gas Agas B

2.67 g de oxígeno1.33 g de oxígeno

21

con lo cual podemos ver que la relación de pesos de oxígeno que se combinan conun mismo peso de carbono es de 2:1.

El enunciado general de hechos como los antes presentados, propuesto por Dalton en1803-1804, se llama Ley de las proporciones múltiples, la cual propone: “Cuando doselementos se combinan para formar más de dos compuestos, los diferentes pesosde uno que se combina con un peso determinado del otro guardan una relación denúmeros enteros sencillos”.

A continuación te presentamos un ejemplo en donde se demuestra, conforme a los datosobtenidos, la Ley de las Proporciones Múltiples.

Problema:

Los elementos plomo y oxígeno forman dos tipos diferentes de compuestos. El primerocontiene 92.832% de plomo y 7.168% de oxígeno. En el segundo compuesto existe86.623% de plomo y 13.377% de oxígeno.

Resolución:

Según la ley, en los compuestos las masas de plomo que se combinan con una masaconstante de oxígeno deben estar en una relación de números enteros. Parademostrarlo, los cálculos se harán con base en un gramo de oxígeno. Así pues, sisuponemos que en 100 g del primer compuesto hay 92.832 g de plomo y 7.168 deoxígeno, la masa de plomo por un gramo de oxígeno será.

92.832 g de plomo7.168 g de oxígeno

12.950892 g plomo/g oxígeno

Similarmente para el segundo compuesto:

86.623 g de plomo13.377 g de oxígeno

= 6.475518 g plomo/g oxígeno

33

Es evidente que las masas de plomo que se combinan con un gramo de oxígeno estánen la relación 2:1.

12 9508926 475518

..

= 21

¿Por qué será que aparecen estos números enteros cuando un elementoreacciona con una cantidad fija de otro para dar dos diferentescompuestos?.

Estas dudas que aparecen como resultado del planteamiento de cada una de las leyesponderales se resuelven con la proposición de la existencia de los átomos de loselementos. Vayamos a este tema.

34

No olvides que en este tema vimos que:

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

LAS LEYESPONDERALES

LEY DE LACONSERVACIÓN

DE LA MASA(LAVOISIER)

LEY DE LOS PESOSEQUIVALENTES

LEY DE LASPROPORCIONES

CONSTANTES(PROUST)


MÚLTIPLES(DALTON)

LA MATERIA NO SECREA NI SE

DESTRUYE, SINOSE TRANSFORMA

RICHTER

LOS ELEMENTOS DEUN COMPUESTO

SON CONSTANTES

CÁLCULOPORCENTUAL DE

ELEMENTOS EN UNCOMPUESTO

DOS ELEMENTOS SECOMBINAN EN MÁS DEUNA PROPORCIÓN SE

TIENE UN COMPUESTODIFERENTE

mencionaque

propuestapor postula

que

AL MEZCLAR UNA BASE YUN ÁCIDO SE OBTIENENCANTIDADES FÍSICAS Y

EXACTAS

dice que se mencionaque

son

35


1.2.1 ASPECTO HISTÓRICO

Al tratar de encontrar una explicación racional para las propiedades de los gases y lasleyes ponderales, John Dalton llegó a la conclusión de que la materia era sencilla yestaba constituida por pequeñísimos corpúsculos indestructibles que, en homenajea los filósofos griegos, llamó átomos. Esta teoría atómica se presentó por primera vezen una conferencia organizada por la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester el 21de octubre de 1803.

La Teoría atómica propuesta por Dalton puede resumirse en los siguientes postulados:

a) Toda la materia está formada por partículas minúsculas e indestructibles llamadasátomos.

b) Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en tamaño, forma, peso ydifieren de los átomos de cualquier otro elemento.

c) La formación de un compuesto a partir de sus elementos consiste en la formación de“átomos compuestos”2. Es decir, si dos elementos A y B, forman un solo compuesto,éste se forma por combinación de un átomo de A con un átomo de B3 (AB).

d) Las relaciones químicas son meras reagrupaciones de átomos.

Es importante resaltar que Dalton propuso su modelo especulando cual sería el mássatisfactorio para comprender esas leyes empíricas de las combinaciones químicasestudiadas con anterioridad. Probablemente se preguntó cómo debería ser la materiapara presentar las relaciones de pesos que se obtenían. Dalton no fue el primero enespecular sobre la existencia de los átomos; sin embargo, las leyes ponderalesestudiadas lo obligaron a creer en la existencia de los átomos aunque no pudieran verse.Lo anterior se puede desprender de la siguiente cita tomada de su libro A New System ofChemical Phylosophy ( Un nuevo sistema de filosofía química).4

Estas observaciones han conducido tácitamente a la conclusión, que parece haber sidoadoptada universalmente, que todos los cuerpos de una magnitud perceptible, ya sealíquidos o sólidos, están constituidos por un vasto número de partículas extremadamentepequeñas o átomos de materia, que se mantienen unidos mediante una fuerza deatracción que es más o menos potente, de acuerdo con las circunstancias...

2 Los “átomos compuestos” posteriormente fueron llamados moléculas, aunque en la época de Dalton este término no teníael significado actual.

3 Pronto se demostró que esta suposición era falsa.4 Este texto puedes leerlo en Chamizo, J.A.

36

a) La teoría atómica y las leyes ponderales

Con base en las ideas anteriores, John Dalton pudo explicar de manera razonable lasobservaciones de los químicos de su época, como son:

Ley de la conservación de la masa, la teoría podía explicar por qué la masa se conservaen una reacción química, ya que si cada átomo tiene su masa propia característica yéstos se reordenan, pero a la vez permanecen intactos durante una reacción química,entonces la masa total de los átomos reactantes es igual a la masa total de los átomosde los productos.

Ley de las proporciones definidas o constantes, la explica al suponer que cadacompuesto está caracterizado por tener proporciones fijas entre los números de átomosde sus diferentes elementos constitutivos, como en el caso del compuesto de bióxido decarbono (CO2) contiene átomos de carbono y oxígeno en razón de 1:2, respectivamente,y como las masas de los átomos de carbono y de oxígeno son fijas, se deduce que lacomposición del bióxido de carbono en masa tiene que ser fija.

Ley de las proporciones múltiples, supongamos que los átomos A y B forman dos tiposde compuestos. En uno de los compuestos (AB1) el átomo A se combina con un átomoB. En el supuesto (AB2), lo hace con dos átomos de B. Esto implicaría que la masa deB que se combina con una cantidad fija de A (digamos un gramo) debe ser doble en elsegundo compuesto que en el primero o, en otras palabras, que la relación entre lasmasas de B, por gramo de A, en los dos compuestos debe estar en relación de 2:1. Estoes lo que sucede con el bióxido de carbono, CO2 y el monóxido, CO.

b) Pesos atomicos relativos (Masa atómica)5

Como observamos, Dalton llamó átomos a las partículas últimas que forman a loscuerpos. Sin embargo, no pudo obtener la masa o el peso absoluto de cada uno deellos, problema resuelto indirectamente, al establecer los pesos relativos entre ellos. Asípues, empezó por la sustancia más ligera de todas las conocidas, el hidrógenogaseoso, al cual le asignó un peso de uno. Por lo tanto, los pesos relativos de todos losotros elementos tenía que ser mayores que éste; por ejemplo, se sabía que una parte enpeso de hidrógeno se combinaba con ocho partes en peso de oxígeno (1:8 para formaragua. Adoptando la regla de máxima simplicidad, Dalton supuso que la fórmula delagua era HO. De aquí concluyó que un átomo de oxígeno pesaba ocho veces más queuno de hidrógeno; razonando de esta manera, preparó una tabla de pesos atómicosrelativos, que presentó en 1803.

Posteriormente, los trabajos de William Nicholson (1753-1815) y Antony Carlisle (1768-1840) acerca de la electrólisis de agua demostraron que la fórmula correcta del agua esH2O. Aún con esto, las relaciones en peso seguían siendo válidas, con lo cual se supusoque un átomo de oxígeno era ocho veces más pesado que dos átomos de hidrógenojuntos y, por lo tanto, 16 veces más pesado que un solo átomo de hidrógeno.

5 Aunque masa y peso son dos conceptos diferentes, la masa relativa o el peso relativo son lo mismo.

37

Figura 12. Aparato empleado para la electrólisis del agua.

Posterior a Dalton, Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) empezó a determinar pesosatómicos con mejores y más avanzados métodos que los empleados por Dalton. Paraello empleó la Ley del calor específico enunciada por Pierre Louis Dulong (1785-1838) yAlexis Thérese Petit (1791-1820), la Ley del isomorfismo propuesta por EilhardtMitscherlich (1794-1863) así como la Ley de los volúmenes de combinación propuestapor Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)6. Su primera tabla de pesos atómicosapareció en 1828, diferenciándose de la tabla propuesta por Dalton en que la mayoría delos pesos atómicos propuestos no eran enteros, encontrándose que el peso atómico deloxígeno, con base en hidrógeno = 1, era de aproximadamente 15.9. La tabla de lospesos atómicos se debe, finalmente, al italiano Stanislao Cannizzaro (1828-1910).

¿Cuál es el peso o masa atómica del Hidrógeno(H) y del Oxígeno (O) segúnDalton y Berzelius?.

Actualmente ¿Cuál es el elemento que se considera como patrón?.

Puesto que no era simple obtener los compuestos del hidrógeno con los otroselementos, se cuestionó si el hidrógeno era un patrón adecuado con el cualcomparar los pesos atómicos. Así pues, ya que el oxígeno podría combinarsefácilmente con muchos elementos y, por ello era simple determinar las proporciones decombinación, se pensó dar al oxígeno un peso atómico conveniente, por lo que su pesoatómico se transformó de 15.9 a 16.00. El patrón oxígeno = 16 se mantuvo hastamediados del siglo XX.

6 No viene el caso presentar aquí en qué consisten estas leyes. Basta que sepas que constituyeron la base para queBerzelius calculara los pesos atómicos relativos. La explicación de su existencia se dará en fascículos posteriores.

38

Debido a que se descubrió la existencia de isótopos7, y al conocimiento de lasrelaciones que hay entre éstos y el peso atómico, en 1961 las organizacionesinternacionales, tanto de químicos como de físicos, acordaron adoptar como pesoatómico estándar, el del carbono-12, al que se le asignó, arbitrariamente, el pesorelativo de 12.00. Por lo tanto, el peso atómico de un elemento es un número que nospermite comparar el peso de un átomo de este elemento con el de un estándar dereferencia8. Los pesos atómicos son pesos relativos, pues no se refiere al peso o lamasa real de un átomo individual. Sin embargo, veremos que se puede definir unaunidad de masa muy conveniente y relacionada con sus pesos atómicos.

1.2.2 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS9

Los átomos son tan pequeños que es difícil compararlos con algún objeto familiar.Usando tres cifras significativas, la masa de un átomo de hidrógeno es 1.67 x 10-24 g, yla de un átomo de carbono, es 1.99 x 10-24 g. El uso de estas cantidades tan pequeñaspara expresar las masas de estos átomos resulta incómodo, ya que siempre nosinteresa comparar átomos entre sí, resulta conveniente usar sus pesos en unidades demasa atómica (conocida como uma, en donde 1 uma equivale a 1.661 x 10-24 g y sedefine como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12) en lugar de usargramos.

Expresados en unidades de masa atómica, las masas de los átomos de hidrógeno,carbono y oxígeno son 1.0079 uma, 12.011 uma y 15.9994 uma, respectivamente, o sea,son numéricamente iguales a los pesos atómicos relativos.

a) Masa Molecular (suma de moléculas)

Las masas relativas de las moléculas se pueden expresar de la misma manera que enlos átomos. Las masas moleculares se obtienen sumando las masas atómicas (en uma)de todos los átomos presentes en la molécula, por lo que si tomamos las masasatómicas de la tabla periódica tenemos:

Número Atómico Símbolo

Masa Atómica (uma)

Masa molecular del H2 :

2 (masa atómica de H) = 2 (1.008 uma)

= 2.016 uma

7 Se llama isótopo a aquellos átomos que siendo del mismo elemento poseen diferente masa atómica.

8 Hoy, cuando decimos que el peso atómico relativo del oxígeno es 15.9994, queremos decir que es 15.9994/12 veces máspesado que un átomo de carbono 12. Por ello, el peso atómico no tiene unidades. Sin embargo, la masa de un átomo sítiene unidades, los gramos o, como veremos más adelante, las unidades de masa atómica.

9 La estequiometría es la rama de la química que se encarga del estudio cuantitativo de los moles, las masa y los volúmenesde los reactivos y los productos que participan en una reacción.

1

H1.008

39

Masa molecular del NH3 (Amonio)

1 (masa atómica del N) + 3 (masa atómica del H)

1 (14.007 uma) + 3 (1.008 uma)

14.007 + 3.024 uma

= 17.031 uma

Masa Fórmula (compuesto)

En el caso de sustancias no moleculares, al sumar las masas atómicas de los átomosque se indican en una fórmula, se dice que se está calculando su masa fórmula,que es la masa de una unidad de fórmula en unidades de masa atómica.

Ejemplo:

La fórmula empírica del sulfato de aluminio es Al2(SO4)3.

¿Cuál es su masa fórmula?, si los pesos atómicos son:

La fórmula Al2(SO4 )3 nos dice que dos átomos de Al están combinándose con tresgrupos SO4 (llamados sulfatos); por ello el número total de átomos de S es 3, de O = es3 x 4 = 12. En otras palabras, el Al2 (SO4)3 puede expresarse como Al2S3O12.

Masa de dos átomos de Al = 2(27 uma) = 54.0 uma

Masa de tres átomos de S = 3(32.1 uma) = 96.3 uma

Masa de doce átomos de O = 12(16.0 uma) = 192.0 uma ___________

Masa fórmula del Al2 (SO4)3 = 342.3 uma

Nota: El dato que se obtiene en este cálculo es expresado en uma.

7

N14.007

13

Al27.00

1

H1.008

16

S32.00

8

O16.00

40

b) Masa Molar

De la misma manera que los objetos se pueden contar por docena, los átomos secuentan por moles, en número muy grande, 6.02 x 1023. Este número se llama númerode Avogadro10; por lo tanto, un mol de átomos es igual a un número de Avogadro,es decir, 6.02 x 1023 átomos.

¿Por qué los átomos se cuentan en moles?.

Los átomos son tan pequeños que en los trabajos de laboratorio no se podría trabajarcon dos o con 200 átomos. No se puede pesar cantidades tan minúsculas, incluso conlas balanzas más sensibles; es por ello que los químicos inventaron una unidad, el mol.Tal como se explicó anteriormente, la masa de un átomo de oxígeno es de 16.0 uma, entanto que un mol de átomos (6.02 x 1023 átomos) de oxígeno tiene una masa de 16.0 g,como se demuestra al utilizar el factor de transformación de uma a gramos:

Masa de un mol de O =

Masa de un átomo de O (1 mol de átomo X 1 uma11)

MO = 16 uma 6.02 x 10mol

1.661 x 10 guma

23 24

átomoátomos =

MO = 16 (1 g/mol) = 16 g/mol

En otras palabras, a la masa de un mol de una sustancia se le llama masa molar.Por consiguiente, la masa molar en gramos de una sustancia es numéricamenteigual a su masa molecular (o su masa fórmula) en unidades de masa atómica.

Ejemplo:

Calcula la masa molar del ácido sulfúrico, H2SO4.

10 En el fascículo 1 de Química I, ya hablamos de lo grande de este número; de la obra de Amadeo Avogadro lo hicimos en elfascículo 2 de Química I.

11 1 uma equivale a 1.661 x 10-24 g/uma, la cual fue empleada como factor de equivalente.

1

H1.008

16

S32.00

8

O16.00

41

En donde:

Peso del H = 2(1.008 uma) = 2.016 uma

Peso del S = 1(32.000 uma) = 32.000 uma

Peso del O = 4(16.000 uma) = 64.000 uma_______________________________________

Masa molecular = 98.016 uma

Por tanto, la Masa molar = 98.016 g

Observa que el dato obtenido se expresa en gramos.

Ahora sabes que un mol está formada por 6.023 x 1023 partículas y queademás tiene una masa en gramos numéricamente igual a su masamolecular. Algunas aplicaciones de estas relaciones se muestran acontinuación.

Ejemplos

1) Cálculo de moles de átomos

-¿Cuántos moles de átomos de cobre existen en 3.05 g de cobre?

3.05 g de Cu (1 mol de átomos de Cu) = 63.5 g de Cu

0.0480 mol de átomos de Cu

2) Cálculo de átomos

¿Cuántos átomos de azufre hay en una muestra de este elemento que pesa 10.0 g?

(10.0 g de S) 1 mol de átomos de S32.0 g de S

6.023 x10 á tomos de S1 mol de átomos de S

23

1.88 x 1023 átomos de S

29

Cu63.55

16

S32.00

42

3) Cálculo de gramos

¿Cuántos gramos hay en 8.46 x 1024 átomos de flúor?

( 8.46 x 1024 átomos de F) 1 mol de átomos de F6.023 x 10 á tomos de F

19 g de F1 mol de átomos de F23 =

267 g de F

Realiza los cálculos en tu cuaderno y anota, en los renglones los resultadoscorrespondientes.

1) ¿Cuál es la masa molecular y molar de los siguientes compuestos?

Compuestos Fórmula Masa Molecular Masa Molar

AmonioHexanoNitrato de sodioHidróxido de potasioHidróxido de barioHidróxiapatita de calcio

NH3C6H14NaNO3KOHBa (OH)2Ca5(PO4)3OH

____________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

2) Calcula cuántos moles y átomos de plata (Ag) existen en un anillo que contiene 2.5 gde este material

Moles de plata _______________________Átomos de plata ___________________

3) Suponiendo que un recipiente contiene 2.231117 x 1024 átomos de aluminio(Al),¿Cuántos gramos pesará?

Gramos de aluminio ________________________

9

F19.00


43

c) Fórmula química.

En el lenguaje de la Química, toda sustancia pura conocida, ya sea un elemento o uncompuesto, tiene su nombre y su fórmula individual. Asimismo, cada fórmula químicatiene tres significados o interpretaciones: un significado cualitativo, uno cuantitativomicroscópico y uno cuantitativo macroscópico.

Cualitativo, una fórmula expresa una sustancia; por ejemplo, H2O representa al agua;NaCl representa a la sal de mesa, etcétera.

Cuantitativo microscópico, una fórmula molecular indica el número de átomospresentes en una molécula. Así la fórmula de la nicotina, C10H14N2 nos indica queen esta molécula existen 10 átomos de carbono, 14 de hidrógeno y dos de nitrógeno.Asimismo, la fórmula mínima nos indica la composición de una unidad fórmula; porejemplo, la unidad fórmula del sulfato de potasio, K2SO4 , nos indica que en esecompuesto por cada dos átomos de potasio hay uno de azufre y cuatro de oxígeno.La fórmula empírica indica que la relación de átomos de K:S:O es de 2:1:4.

Cualitativo macroscópico, La fórmula nos indica las relaciones de moles de átomos.Es decir, una fórmula molecular indica el número de moles de átomos de cadaelemento presente en un mol de moléculas del compuesto; por ejemplo, la fórmulade la nicotina indica que un mol de moléculas de nicotina posee 10 moles de átomosde carbono, 14 moles de átomos de hidrógeno y dos moles de átomos de nitrógeno.

En el caso de K2SO4, la fórmula empírica nos indica que un mol de unidades fórmulaconsta de dos moles de átomos de potasio, un mol de átomos de azufre y cuatro molesde átomos de oxígeno.

Por tanto, la fórmula de una sustancia expresa el tipo y número de átomos que estánquímicamente combinados en una unidad de dicha sustancia. Hay diversos tipos defórmulas, entre ellas están:

Una fórmula empírica12 expresa la relación más simple de números enteros entre losátomos en un compuesto, en tanto la fórmula molecular expresa el número real deátomos de una molécula, esto es, en la unidad más pequeña del compuesto.

Cálculo de fórmulas a partir de datos experimentales

La fórmula de un compuesto permite calcular muchos datos cuantitativos tales como lamasa molecular, la masa molar y la composición porcentual.

¿Te has preguntado alguna vez cómo fue posible saber que la fórmula delagua es H2O?.

¿Por qué el agua “normal” tiene como fórmula H2O y el agua “oxigenada”tiene la fórmula H2O2?.

12 El término empírico se refiere a que se determina a partir de datos experimentales.

44

Para llegar a proponer la fórmula de cualquier compuesto es necesario realizarexperimentos que consisten en determinar los elementos que forman los compuestos, elporcentaje en peso de los elementos constitutivos del compuesto; la masa relativa decada elemento presente.

Existen muchos métodos para obtener experimentalmente el porcentaje en peso de losdiversos elementos de un compuesto; entre éstos están los análisis por precipitación ypor combustión

Figura 13. Aparato empleado en el análisis por combustión de una sustancia. Cualquier cantidad de C o CO reacciona formando CO2; cuando pasa por el CuO, el H2 reacciona formando H2O.

d) Fórmula mínima (empírica)

Cuando se tiene el análisis de un compuesto, el cual fue obtenido de alguna forma ysiguiendo una serie de pasos, se logra obtener la fórmula del compuesto, a la cual se ledenomina fórmula mínima. Para llegar a tal se dan los siguientes pasos.

1) Tener los elementos expresados en tanto por ciento.2) Calcular la masa (grs.) de los elementos.3) Obtener el número de moles de cada uno de los elementos.4) Obtener el número de átomos de cada uno de los elementos, para lo cual se

debe dividir cada número resultante del paso anterior (c) entre el más pequeño.5) Expresar la fórmula mínima, colocando primero los metales, posteriormente los

no metales y por último el oxígeno.

A continuación te presentamos un ejemplo:

De acuerdo al análisis que se realizó a cierto gas, en el laboratorio, se encontró queestaba conformado por los siguientes gases: Nitrógeno (N) y Oxígeno (O), cuyoporcentaje era de 25.93% y 74.07% respectivamente.

45

Conforme a estos datos y siguiendo los pasos anteriores podremos saber cuál es lafórmula mínima de este gas.

* Expresar los elementos en tanto por ciento

Nitrógeno N = 25.93% Oxígeno O = 74.07%

* Calcular la masa (grs.) de cada elemento, tomando como base 100 gr. del compuesto

Nitrógeno N = 25.93 gr. Oxígeno O = 74.07 gr.

* Obtener el número de moles.

Para el nitrógeno (25.93 g de N) 1 mol de de N14.00 g de

átomosNitrógeno

= 1.852 mol de átomos de N.

Para el oxígeno (74.07 g de O) 1 mol de de O16.00 g de

átomosOxígeno

= 4.629 mol de átomos de O.

* Calcular la relación de átomos (dividir entre el más pequeño).

Átomos de Nitrógeno

N = 18521852..

= 1 (2) = 2

Átomos de Oxígeno

O = 4 6291852..

= 2.5 (2) = 5

En caso de que la relación no sea de números enteros, se multiplica por un númeropequeño (2, 3, 4) para transformarla en números enteros. En nuestro caso, será 2.

* Expresar la fórmula mínima

Por tanto, se obtiene la fórmula mínima de

N2O5 (Pentóxido de nitrógeno o anhídrido nítrico)

46

Realiza los cálculos en tu cuaderno y anota en los renglones los resultadoscorrespondientes.

Determina la fórmula de una sustancia que está compuesta de 65 g de Carbono (C) y 35g de Oxígeno (O).

Mol de átomos de Carbono _________________________

Mol de átomos de Oxígeno _________________________

Relación de átomos

Carbono __________Oxígeno ____________________Fórmula mínima___________

e) Formula molecular

La fórmula molecular de una sustancia siempre es un múltiplo entero de su fórmulaempírica. Para determinar la fórmula molecular de un compuesto, el químico tiene queproceder experimentalmente para conocer la masa molecular además de su fórmulamínima. En este sentido mencionaremos cuáles son los pasos para obtener la fórmulamolecular:

1) Se calcula la fórmula mínima (se retoman los 5 pasos para obtener la fórmulamínima).

2) Obtener la masa atómica de la fórmula mínima obtenida.3) Dividir la masa atómica experimental entre la masa atómica de la fórmula mínima.4) El número obtenido en el paso anterior multiplicarlo por la fórmula mínima, por tanto

se obtiene la fórmula molecular.

El siguiente ejemplo te mostrará cómo se usa la masa molecular con la fórmula mínimapara calcular la fórmula molecular.

Ejemplo

Un combustible licuado casero tiene como constituyente un determinado compuesto. Elanálisis de este compuesto muestra que contiene 85.69% de carbono y 14.31% dehidrógeno en peso. La determinación de su masa molecular da un valor de 55.9 uma.Calcula la fórmula molecular del compuesto.


47

1) Calcular la fórmula mínima.

Para el carbono 85.69 g de C 1 mol de C12.00 g de C

= 7.14 mol de C.

Para el hidrógeno 14.31 g de H 1 mol de H1.00 g de H

= 14.31 mol de H.

Al calcular la relación de moles tenemos que:

7.14 mol de C7.14 mol de C

= 1

14.31 mol de H7.14 mol de C

= 2.0

Por tanto, la fórmula mínima es:

CH2

2) Obtener la masa atómica de la fórmula empírica.

Por tanto, la masa fórmula es de 1(12.00) + 2(1.00) = 14.00 uma

3) Obtener la fórmula empírica por molécula.

La masa molecular es un múltiplo simple de la masa de la fórmula empírica,CH2 esto es,n (14.027 uma), donde n es un número entero.

La masa molecular experimental es 55.9 uma . Por lo tanto,

55.9 uma por 14.027 uma por

moléculafórmula empírica

= 3.99 aprox.

= 4 fórmulas empíricas por molécula

4) Multiplicar el resultado anterior por la fórmula mínima

Así pues, la fórmula molecular es: 4 (CH2) = C4H8.

48

Resuelve el siguiente problema y anota los resultados conforme se solicitan en la tabla.

El análisis de un cierto insecticida, nos da la siguiente composición porcentual: Carbono(C) 24.7%, Hidrógeno (H) 2.06% y Cloro (Cl) 73.2%, con una masa molecular de 291uma. Calcula la fórmula molecular del compuesto.

Fórmula Mínima Masa AtómicaExperimental

Fórmula Molecular


49

Al revisar este esquema podrás realizar una síntesis sobre los conceptos másimportantes del capítulo

RECAPITULACIÓN

CUANTIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOSCOMPUESTOS Y LA EXISTENCIA DEL ÁTOMO

LEYESPONDERALES

LEY DE LACONSERVACIÓN DE LAMATERIA (LAVOISIER)

LEY DE LOS PESOSEQUIVALENTES

(RICHTER)


CONSTANTES (PROUST)


MÚLTIPLES (DALTON)

encontrandoexplicación en la

surgió con las

t a l e s c o m o

TEORÍA ATÓMICA(DALTON)

MATERIA ESTEQUIOMETRÍA

ÁTOMOS

MASA MOLECULAR MASA FÓRMULA MASA MOLAR FÓRMULA QUÍMICA

MOLECULARMÍNIMA

de la

ya sea

se constituye de

menciona que la permitiendo la

50

En este apartado queremos que pongas en práctica los conocimientos que has adquiridohasta el momento. Por tal motivo deberás dar respuesta a lo que se te solicita acontinuación:

Ley de las proporciones constantes, fijas o definidas.

1. Una muestra de sal contiene 0.224 g de sodio y 0.346 g de cloro. Otra muestra desal contiene 39.3% de sodio. Demostrar que lo anterior ilustra la Ley de lasproporciones definidas.

2. Analíticamente se determinó que una muestra de arena contenía 5.62 g de silicio y6.40 g de oxígeno. Otra muestra de arena contenía 9.36 g de silicio y 10.64 g deoxígeno. Explicar en qué forma estos datos ilustran la Ley de las proporcionesconstantes.

Ley de las proporciones múltiples.

3. Cierto óxido de hierro contiene 77.7% de hierro en masa. Un óxido diferente contiene69.9% de hierro de masa. Demostrar que la Ley de las proporciones múltiples secumple realizando los siguientes cálculos:

a) ¿Cuál es la masa de oxígeno por 100 g de óxido de hierro en el primercompuesto?.

b) ¿Cuál es la masa de oxígeno por 100 g de óxido de hierro en el segundocompuesto?.

c) ¿Cuál es la relación de los dos números encontrados? Expresa la relaciónutilizando números enteros.

4. El fósforo y el cloro forman dos compuestos. En el compuesto uno, las masas defósforo y cloro son 22.48% y 77.51% respectivamente; en el compuesto dos, estosvalores son 14.88 y 85.12%.

a) Calcula la masa en gramos del cloro que se combina con un gramo de fósforo encada compuesto.

b) Utiliza los valores obtenidos en a) para comprobar si se cumple la Ley de lasproporciones múltiples.

ACTIVIDADES INTEGRALES

51

Masa molecular

5. La fórmula del insecticida DDT es C14H9Cl5.

a) ¿Cuál es la masa molecular?.

b) ¿La molécula del DDT es más pesado o más ligera que la molécula de insecticidalindano, C6H6Cl6?.

6. Empleando hasta tres cifras significativas, expresa la masa de cada una de lassiguientes sustancias en uma.

a) un átomo de Cl

b) un átomo de Al

c) 200 átomos de B

d) 6.023 x 1023 átomos de Ca

7. La fórmula del controvertido edulcorante llamado sacarina es C7H5O3NS.

a) ¿Cuál es su masa molecular?.

b) ¿Cuál de las dos moléculas es más pesada, la sacarina o la sacarosa, C12H22O11?.

8. Si la masa de la potasa ó hidróxido de potasio (KOH) es 1.0 x 10-2 g, ¿cuál es lamasa en gramos de un mol de potasa?

Fórmula mínima

9. Determina la fórmula mínima de un compuesto que presenta la siguiente composicióncentesimal: Cl, 52.509%, y S, 47.488%.

10. A partir de los siguientes datos calcula la fórmula mínima de un compuesto quecontiene 25.92% N y 74.07% O.

52

Fórmula molecular

11.El análisis elemental del ácido acetilsalisílico, aspirina, es 60.0% de C, 4.48% de H y35.5% de O. Si su masa molecular es 180.2 uma, ¿cuál es la fórmula molecular?.

12. El compuesto paradicloro se empleó a menudo como bola de naftalina. Si su análisises 49.02% de C, 2.743% de H, y 48.24% de Cl, y su masa molecular, 147.0 uma¿cuál es su fórmula molecular?.

Composición porcentual

13. La progesterona es un compuesto común de la píldora anticonceptiva. Si su fórmulaes C12H30O2, ¿cuál es su composición porcentual?.

14. El sulfato de aluminio, Al2 (SO4)3, se emplea en grandes cantidades en la produccióndel papel. ¿Cuál es su composición porcentual?.

53

Compara los resultados que obtuviste en tus actividades integrales con las respuestasque a continuación te presentamos.

Ley de las proporciones constantes, fijas o definidas:

1. Al calcular el por ciento de loscomponentes se encuentra que para Naes de 39.3 % y para el Cl, 60.70 % enambas muestras, y recordando la Leyde las proporciones definidas podemosconcluir que son la misma muestra.

2. La ley queda demostrada al comprobarque existe el mismo porcentaje de O ySi en ambas muestras.

Ley de las proporciones múltiples:

3.a) 22.3b) 30.1c) (debido a que la segunda

proporción resultó fraccionaria)

4.a) 0.29 en el primero y 0.17 en el

segundob) El primer caso: 1/3 y en el segundo:

1/6

Masa molecular:

5.a) 354.24 u.m.a.b) más pesado, ya que la masa

molecular de C6H6Cl6 = 290.7 u.m.a.

6.a) 35.5 u.m.a.b) 26.9 u.m.a.c) 2.162 x 103 u.m.a.d) 2.41 x 1025 u.m.a.

7.a) u.m.a.b) La sacarosa

8.a) 1.6611296 x 10-26

Fórmula mínima:

9. SCl 10. N2O5

Fórmula molecular

11. C13 H8 O8 12. C6H4Cl2

Composición porcentual

13. C, 69.90%; H, 14.56%; O2, 15.53% 14. Al, 15.78%; S, 28.07%; O,56.15%

AUTOEVALUACIÓN

54

55

ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOS NUCLEARES


2.1.1 Carga Eléctrica2.1.2 Tubo de Rayos Catódicos

2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 Antecedentes Históricos2.2.2 Modelo Atómico de Rutherford2.2.3 Modelo Atómico de Bohr2.2.4 Configuración Electrónica


2.3.1 Isótopos2.3.2 Neutrón2.3.3 Energía de Amarre2.3.4 Fisión Nuclear2.3.5 Fusión Nuclear

CAPÍTULO 2

57

Con el estudio de este capítulo identificarás cómo se estableció la estructura del átomoy las aplicaciones que se dan en los cambios nucleares.

Esto lo podrás lograr mediante la comparación de cada uno de los modelos atómicos,realizando ejercicios y experimentos relacionados con estos modelos, y, revisando lasprincipales características de los cambios nucleares.

Lo cual te permitirá acercarte a una explicación sobre el comportamiento de la materia,además de que podrás comprender las ventajas y desventajas que implica el uso de laenergía nuclear tanto a nivel social como tecnológico.

PROPÓSITO

59

CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y CAMBIOSNUCLEARES


2.1.1. CARGA ELÉCTRICA

Cuando se frota una regla de plástico sobre la piel o el cabello se observa que éstapuede atraer pequeños trozos de papel. Este fenómeno ya lo habían notado los griegos,aunque ellos no usaban reglas de plástico, sino barras de ámbar. Al frotarse con unpaño de lana, el ámbar, adquiere una carga eléctrica y, como la regla de plástico, puedeatraer objetos pequeños, como la paja; sin embargo no sólo el ámbar y la regla deplástico pueden adquirir carga eléctrica, también otros materiales, como el vidrio cuandose frota con tela de seda. Pero resulta que la carga que adquiere del vidrio es distinta ala del ámbar, puesto que entre ambos salta una chispa cuando se ponen en contacto (sila carga electrostática es muy grande).

Durante mucho tiempo la electricidad se consideró como un fluido que pasaba de unmaterial a otro, lo que explicaba el porqué de la chispa. Posteriormente, por convención,se definió que la carga de una varilla de vidrio es positiva y que la de ámbar es negativa.

En general, se considera que los cuerpos adquieren carga eléctrica cuando se frotan, locual se debe a que los electrones pasan de un cuerpo a otro. De este modo, loscuerpos adquieren carga positiva cuando pierden electrones y negativa cuando losgana.

60

. a) Cargas eléctricas de signo igual se repelen b) Cargas eléctricas de signo contrario se atraen

Figura 14..

Asimismo, si dos cuerpos adquieren la misma carga, pero de diferente signo, y se ponenen contacto, se volverán neutros porque sus cargas totales se redistribuyen de manerauniforme, y si estos cuerpos se encuentran separados, pero conectados por un trozo dealambre metálico, también se volverán neutros, lo cual demuestra que la carga es capazde fluir a través del metal. Al paso de la carga por un alambre se le llama corrienteeléctrica.

¿Cuál es la definición de carga eléctrica?.

Por otra parte, las cargas no sólo pueden transportarse a través del metal, también lohacen a través de las disoluciones, aunque con mayor dificultad tanto en el aire como enel vacío, como se observa en los rayos o relámpagos. Un relámpago es una chispa quese forma porque la atmósfera adquiere una carga y la tierra adquiere otra diferente; lomismo sucede si acercamos varillas de diferente carga.

Fue Michael Faraday (1791-1867), al estudiar sistemáticamente el paso de la corrienteeléctrica en soluciones (fenómenos electrolíticos), quien introdujo los términos de ion,ánodo y cátodo: el ion es la partícula cargada en disolución; el ánodo, la placa oelectrodo al cual se dirigen los iones negativos, y el cátodo, la placa o electrodo hacia elcual se dirigen los iones positivos.

61

La diferencia de cargas se puede comprobar fácilmente si haces un experimento comoel que se muestra en la figura 15.

Materiales.

☞ Barra de plástico.☞ Barra de vidrio.☞ Piel.☞ Tela (excepto lanas).☞ 2 globos (suspendidos por hilos).

Procedimiento

Frota la barra de plástico con la piel y acércala al péndulo globo suspendido.Observarás que la barra atrae la esfera hasta hacer contacto con ella y después larechaza. Este fenómeno se explica porque al frotar la barra de plástico con la pieladquiere carga negativa; al hacer contacto con los globos se imparte carga negativa porcontacto y finalmente la rechaza porque cargas de igual signo se repelen. Al repetir elexperimento con la varilla de vidrio y la tela sucede el mismo fenómeno, pues al frotar lavarilla de vidrio con la tela adquiere carga positiva, y al hacer contacto con el globo letransfiere a éste la carga positiva; después la rechaza porque cargas de igual signo serepelen. Los globos se atraen cuando se toca uno con la varilla de plástico y otro con lade vidrio.

Figura 15. Propiedades eléctricas de la materia y los dos tipos de carga.


62

Conclusiones.

Anota en los renglones tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.1.2 TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS

¿Cuál es la causa por la que un bulbo emite luz?.

¿Cómo funciona un cinescopio?.

Si dos alambres se someten a un alto potencial eléctrico y después se acercan, surgiráuna chispa o un arco entre los dos; mas si sus extremos están dentro de un tubo devidrio sellado (figura 16), donde se hace un vacío casi completo, la descarga de unalambre a otro queda considerablemente atenuada. Esta descarga se llama rayoscatódicos, y provoca una débil luminiscencia amarillo-verdosa, a través de una pantallafluorescente.

Figura 16. Tubo de rayos catódicos.

63

a) Características de los rayos catódicos.

Fueron J. Plücker, Johann Hittorf y Williams Crookes quienes demostraron, en 1858, quelos rayos catódicos cuentan con las siguientes características:

1. Producen luminiscencia en una pantalla fluorescente colocada en su trayectoria yparalela a ella.

2. Se desplazan en línea recta, y se alejan del cátodo, a menos que los afecte unafuerza externa.

Figura 17. Desplazamiento de un rayo catódico.

3. Son desviados de su trayectoria por campos eléctricos y magnéticos, lo quedemuestra que los rayos catódicos son de naturaleza negativa, puesto que sonatraídos por el campo eléctrico positivo y repelidos por el negativo.

Figura 18. Desviación de la trayectoria por la acción de un campo eléctrico.

64

4. Producen sombras, lo cual demuestra que los rayos catódicos no atraviesanobjetos sólidos. (figura 19).

Figura 19. Los rayos catódicos producen sombras.

5. Hacen girar un pequeño molinete, lo cual también demuestra que los rayoscatódicos son partículas que tienen masa.

Figura 20. Hacen girar un pequeño molinete.

El estudio de los rayos catódicos demostró la existencia de partículas negativas, a lasque se llamó electrones, además de permitir el desarrollo de diversos aparatos de usocotidiano y científico, como el televisor, y los cinescopios de estos aparatos,descendientes de los primeros tubos de rayos catódicos.

65

Electrón (primer partícula subatómica)

En 1895 Jean Perrin demostró en forma definitiva que la carga de rayos catódicos esnegativa, y dos años después, en 1897, descubrió que su velocidad eraaproximadamente igual a la décima parte de la velocidad de la luz y que suspropiedades no dependían de la composición del gas en el tubo de rayos catódicos.También en 1897, Joseph Thomson demostró, que los rayos catódicos son enrealidad corrientes de partículas negativas y adoptó para éstas el nombre deelectrones, propuesto en 1891 por Stoney.

Para cuantificar la masa de los electrones, Thomson modificó el tubo de rayos catódicosde tal manera que los rayos pasaran a través de un colimador hasta llegar a una pantallade sulfuro de zinc colocada en el fondo del tubo, donde un campo eléctrico y otromagnético desviaban su trayectoria.

Figura 21. Aparato usado por Thomson.

En este experimento Thomson encontró que los rayos catódicos:

a) Son partículas con masa y tienen carga.

b) Son universales, ya que se encuentran en todas las sustancias.

Robert Millikan llevó a cabo en 1909 el experimento de la gota de aceite mediante el cualencontró que la carga del electrón es de 1.6 x 10-19 coulombs. En este experimento,Millikan roció aceite dentro de un recipiente y observó que una gota del mismo entre dosplacas metálicas, tras someterla a la acción de los rayos X, se cargaba negativamente, yse aplicaba un alto voltaje la gota era atraída por una de las placas.

66

Figura 22. Experimento de la gota de aceite.

A partir de la relación carga/masa del electrón y su carga se determinó que la masa delelectrón es de 9.1 x 10-28 g. Se sabe que la masa de un átomo de hidrógeno ( el másligero de todos los elementos) es casi dos mil veces más pesada que la del electrón, loque significa que las partículas catódicas forman parte de los átomos.

Protón (segunda partícula subatómica).

Cuando el tubo de rayos catódicos no está por completo al vacío puede generar unacorriente de partículas positivas (protones), las que en 1886 estudió por primera vezEugen Goldstein. Estos rayos positivos o rayos canales se producen al chocar los rayoscatódicos con los átomos gaseosos del tubo, colisión que produce iones positivos queviajan hacia el cátodo agujerado y lo atraviesan (figura 23).

Figura 23.

67

Goldstein, por medio de un tubo de rayos catódicos que contenía hidrógeno y un discometálico perforado como cátodo, descubrió los rayos canales, que viajan en direcciónopuesta a los catódicos y tienen carga positiva. Estos tubos son el principio de losmodernos tubos mercuriales. La carga positiva reside en el protón, partículafundamental cuya carga es igual a la del electrón, pero de signo opuesto, y masacasi dos mil veces más grande que la del electrón. El protón es un átomo dehidrógeno que perdió un electrón.

Tabla 2. Características del electrón y del protón.

Carga eléctrica MasaPartícula g u.m.a.Electrón -1.6 x 10-19 -1 9.1 x 10-28 0.00055Protón +1.6 x 10-19 +1 1.67 x 10-24 1.00727

En la primera década de nuestro siglo parecía claro que cada átomo contenía regionescon cargas positivas y negativas, la cuestión era saber cómo estaban distribuidas.

d) Modelo atómico de Thomson

Al descubrir que los elementos emiten partículas minúsculas se tenía que descartar unade las suposiciones fundamentales de la teoría atómica de Dalton, la cual dice que“toda la materia está formada por partículas minúsculas e indestructibles, las cualesreciben el nombre de átomos”.

Fue Joseph Thomson quien propuso el siguiente modelo: “El átomo es una esferacuyo diámetro mide 10-8 cm, tiene carga uniforme y positiva, dentro de la cual “flotan”electrones negativos, cuyo número es igual a la carga de la esfera, para que en suconjunto el átomo resulte neutro” Este modelo se conoce como pastel de pasas, dondela masa del pastel es la carga positiva y las pasas los electrones. De acuerdo con él, larotación de los electrones dentro de la carga positiva daría estabilidad al átomo. (Figura24)

Figura 24. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Thomson.

68

“PROPIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS DE LA MATERIA”13

Práctica de laboratorio (obligatoria).

Objetivo

Conocer las propiedades electromagnéticas de la materia, mediante experimentosdonde se manifiesten estas propiedades, para que comprendas que la materia tienecargas eléctricas.


a) ¿Cómo se electriza un cuerpo? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuáles son las propiedades eléctricas de la materia?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿A qué se le llama electrodo? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Cuál es la naturaleza de los rayos catódicos? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿Cuáles son los tipos de carga eléctrica? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento I

Objetivo

Conocer el mecanismo de electrización por frotamiento, para establecer que la materiatiene cargas eléctricas.

13 A partir de este momento se te dará a conocer cuáles son las prácticas que deberás de realizar (en el laboratorio) para tenerderecho al exámen de acreditación. Las prácticas estarán indicadas por la palabra OBLIGATORIA.


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Hipótesis

¿Por qué algunos cuerpos al ser frotados se atraen o se repelen? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Piel de conejo☞ 1 Barra de plástico☞ 1 Paño de seda☞ 1 Barra de vidrio


La indicada para el trabajo en el laboratorio

¿Cómo hacerlo?

Frota la barra de plástico con la piel de conejo y acércala a unos trocitos de papel.Observa.

Figura 25. Muestra la atracción Eléctrica por frotamiento.

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1. ¿Qué sucede al acercar la barra de plástico a los pedacitos de papel?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué se observa cuando se acerca la barra de vidrio a los trocitos de papel?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento II

Objetivo

Conocer el mecanismo de electrifican por contacto, para establecer que la materia tienecargas eléctricas.

Hipótesis

¿Por qué algunos cuerpos adquieren cargas eléctricas al ponerse en contacto?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Piel de conejo☞ 1 Barra de plástico☞ 2 Péndulos electrostáticos con esferas

¿Cómo hacerlo?

Frota la barra de plástico con la piel de conejo y con ella toca la esfera de uno de lospéndulos; repite la operación con el otro péndulo. Enseguida acerca los dos péndulos.

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Observa:

Figura 26. Las propiedades eléctricas de la materia.


¿Qué sucedió al acercar las dos esferitas?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Debido a que:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Experimento III

Objetivo

Conocer las propiedades de los rayos catódicos, para establecer que la materia tienecargas eléctricas.

Hipótesis

¿A qué se debe que los tubos al vacío al conectar una corriente de alto voltaje, producenun flujo luminoso?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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¿Qué necesitas?

☞ 1 Tubo de rayos catódicos☞ 1 Tubo de Crookes con cruz de Malta☞ 1 Tubo de rayos catódicos con molinete☞ 1 Bobina Tesla☞ 1 Imán de barra


La indicada para el trabajo en el laboratorioCuando uses aparatos eléctricos toma los cuidados necesarios, la bobina Tesla debesusarla por periodos de 20 segundos y no debes tocar el electrodo.

¿Cómo hacerlo?

Conecta la bobina Tesla a una toma de corriente y acerca el electrodo al cátodo del tubode rayos catódicos y observa. Acerca el imán al tubo y observa.Repite la operación con el tubo de la cruz de Malta y después con el molinete.Observa.

Figura 27. Tubo de rayos catódicos.

Figura 28 . Tubo de Crookes con Cruz de Malta Figura 29 . Tubo de Rayos Catódicos conmolinete.

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Registro de observaciones:

1.- ¿Cómo es la trayectoria de los rayos catódicos?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.- ¿Qué sucede con los rayos catódicos al acercar el imán?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.- ¿Qué se observa en el tubo con la Cruz de Malta?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.- ¿Qué observas en el tubo con el molinete? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


1. En el experimento I; ¿Qué carga eléctrica adquiere la barra de plástico?______________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Y la de vidrio? __________________________________________________________

2. ¿Qué es la electrificación? _____________________________________________________________________________________________________________________

3. Escribe las Leyes de las cargas:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. En el experimento III. ¿A qué se debe la sombra que se observa en el fondo del tubocon la cruz de Malta?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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5. ¿Por qué se mueve el molinete al acercar la bobina Tesla? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión, contrasta tus hipótesis con los resultadosobtenidos y elabora tus conclusiones.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Hasta este momento ya sabes que....


LA NATURALEZA ELÉCTRICADE LA MATERIA

CARGASELÉCTRICAS

RAYOSCATÓDICOS

LA MAYORÍA DELOS CUERPOSTIENEN CARGA

OBSERVANDIFERENTESPARTÍCULAS

POSITIVA NEGATIVA PROTÓN ELECTRÓN

MODELO ATÓMICO DETHOMSON

de tipo como el

siendo fundamentalespara el

se abordó en

donde se postula que donde se

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2.2 RADIACTIVIDAD

2.2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

El físico francés Henri Becquerel observó en 1896 al trabajar con minerales en elMuseo de Historia Natural de París que algunos de éstos emitían radiacionesespontáneas, lo que le llevó a pensar que se trataba de radiaciones del mismo tipo quelos rayos X, pues eran capaces de velar una placa fotográfica que había cerca de losminerales. Tal suceso condujo a Becquerel a clasificar los minerales que producían laimpresión de la placa fotográfica, sin que ésta se expusiera a los efectos de la luz solar,concluyendo que todas las sales de uranio (U) producían el mismo efecto. A fines delsiglo pasado se comprobó que la propiedad de emitir radiaciones no era exclusiva deluranio, pues también se observó en el torio (Th).

En 1898, María Sklodowska y Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos: elpolonio (Po) y el radio (Ra) como impurezas en el sulfuro de bismuto y en el cloruro debario. Ambos elementos también manifestaban la emisión de radiaciones, pero conmayor intensidad que el uranio. A estos elementos que presentan la propiedad deemitir radiaciones en forma espontánea se les llamó radiactivos y al fenómenoradiactividad.

Entre los años de 1900 a 1903 Joseph Thomson, Villard, Frederick Soddy y ErnestRutherford, tras experimentar en un dispositivo como el que se muestra en la figura 30,concluyeron que existen tres tipos de emisiones radiactivas: alfa, la cual se compone deiones He 2+ (partículas alfa ); beta que se compone de electrones (partículas ), ygamma que no cuentan con ningún tipo de carga (rayos gamma).

Figura 30. Representación esquemática de la obtención de los tres tipos de emisión radiactivas.

77

Es importante mencionar que el poder de penetración de cada tipo de rayo es diferente:en los rayos alfa es bajo, en los rayos beta regular, y en los rayos gamma es alto.

2.2.2 MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

¿Cuáles fueron los antecedentes que permitieron postular el modeloatómico que actualmente se conoce?.

Rutherford puso a prueba el modelo de Thomson (conocido como “pastel de pasas”) consus experimentos sobre la radiación alfa y demostró que tal modelo era insostenible.

En 1908-1909 bajo la guía de Rutherford, Hans Geiger y E. Marsden reportaronexperimentos significativos respecto de la estructura del átomo. Estudiaron el efectodel bombardeo de partículas alfa sobre una laminilla de oro, que se seleccionóporque puede laminarse fácilmente, con espesores de hasta 100 átomos. Sin embargo,al igual que otros sólidos, el oro casi no puede comprimirse, por lo que se supone quesus átomos tienen un empaque muy compacto (figuras 31 y 32).

Figura 31. Dispersión de las partículas alfa. Figura 32. Interpretación de Rutherford al bombardeo de átomos de oro con partículas alfa.

A partir de los experimentos anteriores, Geiger y Marsden encontraron que:

1. La mayor parte de las partículas alfa pasaban a través de los átomos de oro,supuestamente del empaque compacto con poca o ninguna desviación, por lo queRutherford supuso que la mayor parte del átomo es espacio vacío.

2. La segunda observación permitió descubrir que unas cuantas partículas erandesviadas.

3. Algunas partículas alfa rebotaban en el oro.

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¿Qué pasaría si Rutherford, Geiger y Marsden hubieran utilizado partículasBeta ( ) en lugar de partículas Alfa ( )?.

a) Postulados del modelo atómico de Rutherford.

En virtud de que las partículas alfa son repelidas, Rutherford dedujo que debía existiruna parte del átomo más pesada que las partículas alfa y de carga positiva, a la cualllamó núcleo atómico. Rutherford describió su modelo atómico como un sistema solaren miniatura que consistía en lo siguiente:

- Cada átomo tiene un pequeño centro llamado núcleo.

- En el núcleo se concentra la mayor parte de la masa del átomo y toda la carga positiva(protones).

- Los electrones del átomo están muy separados del núcleo, formando la superficieexterna del átomo.

Para darte idea de la magnitud del vacío que existe en el átomo, coloca en la línea de laportería de un campo de fútbol un pequeño balín o canica (el electrón) y a la mitad delmismo una pelota de ping pong, beisbol, futbol o basquetbol (el núcleo) y apreciarás elenorme vacío que hay en el átomo.

A continuación te mostramos la representación orbital, según Rutherford, de algunoselementos químicos.

Figura 33. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Rutherford.

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En mayo de 1911, Rutherford publicó en el Journal of the Literary and PhilosophicalSociety de la ciudad de Manchester un informe sobre sus descubrimientos, el cuál losfísicos de esa época tomaron con reserva, pues los electrones no podían mantener latrayectoria circular que proponía porque, de acuerdo con las leyes de electromagnetismoclásico, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado, que está acelerado o cuyadirección lineal es modificada, emite radiación electromagnética, en tanto según elmodelo de Rutherford el electrón debería emitir radiación electromagnética, lo quellevaría a la disminución de la energía del electrón, que en consecuencia describiría unatrayectoria en espiral hasta caer en el núcleo. Vemos que al suponer que el electrón giraalrededor del núcleo, Rutherford no logró impedir que se precipitara sobre éste. (figura34).

Figura 34. En el modelo planetario del átomo, el electrón describiría una espiral decreciente alrededor del núcleo hasta ocurrirel colapso.

A continuación te presentamos las ventajas y desventajas que se han encontrado en elmodelo de Rutherford.

VENTAJAS DESVENTAJAS-Surgió el concepto de NúcleoAtómico.

-Permitió explicar la distribución demasas positivas y negativas en elátomo.

-Sirvió para fabricar instrumentosque detectan la radiación , y ejemplo de ello es el contadorGeiger.

-Rutherford no logró evitar que elelectrón se colapsara contra elnúcleo.

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Contesta las preguntas que se te presentan a continuación.

1. ¿Qué lugar del átomo contiene la mayor parte de la masa?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Cuáles son las diferencias entre electrón y protón?

Electrón:_____________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Protón:______________________________________________________________ ____________________________________________________________________

3. ¿Qué experimento condujo a Rutherford a deducir los siguientes postulados:

a) El núcleo del átomo contiene la mayor parte de la masa atómica.b) El núcleo del átomo tiene carga positiva.c) El átomo en su mayor parte es espacio vacío.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Describe el átomo que se imaginó Rutherford____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2.3 MODELO ATÓMICO DE BOHR

Partiendo de las propuestas hechas por Thomson y Rutherford, Niels Bohr (1885-1962)desarrolló un modelo atómico mediante el cual pudo dar respuesta a las interrogantessobre los dos modelos anteriores.Para lograr lo anterior, Bohr tuvo que recurrir a la física: la electricidad y el magnetismo,estas áreas dieron las bases para comprender el comportamiento de los electrones enlos átomos.


81

a) Espectros

La Luz se propaga en el espacio en forma ondulatoria. En 1865 James ClerkMaxwell determinó que las ondas de luz tienen carácter electromagnético, es decir, quepueden interactuar con los cuerpos cargados y con los dipolos magnéticos (como labrújula). El físico alemán Heinrich Hertz demostró experimentalmente esta hipótesis almedir la velocidad con que se propagan a través del espacio los impulsoselectromagnéticos generados por una descarga eléctrica y comprobó que es idénticaa la velocidad de la luz.

Veamos cómo se pueden interpretar las propiedades de la luz mediante una teoríaondulatoria: cada onda se caracteriza por su longitud ( ) (figura 35), amplitud y lavelocidad con que viaja; la longitud de onda determina su color y se representa por laletra griega lambda ( ); la amplitud determina su intensidad, es decir, su brillantez; lavelocidad de la luz es de 300 000 km/seg ó 3 x 108 m/s y se representan por la letra c;la frecuencia se define como el número de ondas que pasan por un punto dado en unsegundo y se representa por la letra nu o ny (v), y la unidad de medida de la frecuenciaes de hertz (ciclos/segundo).

Figura 35. Representación de una onda electromagnética.

¿Por qué la velocidad de procesamiento de una computadora se expresa enMegahertz?.

El espectro es la imagen de una radiación que se obtiene después de que ésta sedescompone en las diversas radiaciones simples que la integran (figura 36).

A0= Angstrom, el cual equivale a 10-8 metros.

82

Figura 36. Espectro de la energía radiante o espectro electromagnético.

Ejemplo de ello es la formación de un arco iris después de llover y aparecer el sol,efecto que se debe al paso de la luz solar a través de pequeñas gotas de agua que seencuentran en suspensión en la atmósfera, las cuales producen la dispersión de la luz,es decir, su descomposición en los diferentes colores que la constituyen. Este fenómenolo reprodujo Marcus Marci en 1664 al hacer pasar un rayo del sol a través de un prisma(base de cualquier espectroscopio) que, a la vez, proyectó sobre una superficie blancaen la pared (figura 37).

Figura 37. Espectro continuo de la luz solar.

83

En 1802, el químico inglés Williams Wollaston advirtió mediante el primerespectroscopio de rejillas, que el espectro de la luz visible tenía dentro del arco irisciertas líneas oscuras de diferente grosor, lo que lo llevó a descubrir las líneas oscurasdel espectro del sol, las cuales cien años más tarde cobraron gran importancia en lasinvestigaciones sobre la estructura del átomo.

Figura 38. Espectroscopio de rejilla.

Joseph von Fraunhofer perfeccionó el espectroscopio y llegó a contar hasta 574bandas, nombró las principales, señaló su ubicación exacta en el espectro e investigó elorigen, orden y significado de las líneas oscuras del espectro solar, Más tarde, GustavKirchhoff y Robert Bunsen interpretaron el misterio de las rayas de Fraunhofer medianteel procedimiento de hacer pasar luz a través de una muestra de sodio gaseoso, lo queevidenció que en el Sol hay sodio, pues apareció una de las rayas oscuras deFraunhofer en el experimento. Así nació el análisis espectral, que permite en laactualidad conocer qué elementos hay no sólo en el Sol y en la Tierra, sino también encuerpos celestes tan lejanos como las estrellas.

Los espectros se clasifican de la siguiente manera: de bandas, de líneas y continuos, delos cuales sólo se hará referencia a los de líneas, debido a que cada elemento en estadogaseoso tiene su propio espectro de líneas (figura 39). Estos se clasifican en: espectrode líneas de absorción y espectro de líneas de emisión.

84

Figura 39. Los espectros de distintos elementos permiten el análisis espectral de las estrellas.

Espectro de líneas de absorción. Se produce al enviar luz blanca a través de unelemento en estado gaseoso (como el experimento de Kirchhoff). Los átomos de gasabsorben radiación de ciertas longitudes de onda que aparecen como líneas oscurasdespués de que el prisma dispersa la luz (figura 40).

Figura 40. Espectrómetro para obtener el espectro de absorción de un gas.

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Espectro de líneas de emisión. Se produce cuando se hace pasar una corrienteeléctrica a través de un tubo que contiene un elemento gaseoso. Esto se observa enlos tubos de luces de neón, sodio o de mercurio. Una vez que la luz pasa a travésdel prisma se observan sólo unas pocas líneas de colores.

Figura 41. Espectroscopio para observar un espectro de emisión de un gas.

Espectro de líneas del hidrógeno. Cada banda o línea corresponde a la longitud deonda de la energía emitida cuando el electrón de un átomo de hidrógeno, quepreviamente absorbió energía, cae a un nivel de energía menor, cómo lo explicó elmodelo atómico del danés Niells Bohr.

b) El átomo de Bohr

En 1911 ya se habían sentado las bases del siguiente paso en la evolución de laestructura del átomo; se sabían de él sus dimensiones y su masa; que estaba formadode un núcleo, de órbitas y de electrones. Así pues, se tenían dos modelosirreconciliables: el de Thomson y Rutherford. Había buena cantidad de datos, leyes,experimentos, pero no existía un modelo del átomo que resolviera las contradiccionesque había entre la teoría y la realidad, hacía falta alguien que resolviera y revolucionaratodos los conocimientos acumulados y los ordenara en un modelo congruente con lo quese sabía, y ése fue Niells Bohr.

Además, Bohr ligó tres conceptos físicos: átomos, radiaciones y electronesmediante el concepto quantum propuesto por el físico alemán Max Planck al explicar lanaturaleza de la energía radiante emitida por las sustancias candentes. Albert Einsteinutilizó la teoría de Planck y llegó a la conclusión de que la radiación no puede ni emitirseni absorberse de manera continua, sino que la energía radiante es discontinua yconsiste en paquetes individuales de energía llamados quantum o fotones.

86

Bohr propuso en 1913 una teoría atómica que no sólo explicaba los espectros de líneas,sino también la causa por la que no caen los electrones al núcleo, modelo que lepermitió calcular la posición de las líneas del espectro de hidrógeno (figura 42).

Figura 42. Espectro de emisión del hidrógeno.

Bohr empezó su estudio con el modelo del sistema solar de Rutherford, y al efectoimpuso limitaciones a la energía y al movimiento de los electrones. También demostrómatemáticamente que las líneas del espectro de hidrógeno se originan al pasar unelectrón de un nivel a otro, por lo que el electrón emite energía cuya frecuencia sepude calcular, encontrando que éste gira en órbitas circulares o en radios bien definidos,nunca en órbitas de radios intermedios.

Estos radios bien definidos tienen ciertos valores, los cuales se obtienen a partir denúmeros positivos (1, 2, 3, etcétera), a los que se les asigna la literal n, la que sedenomina número cuántico principal. Los valores de n se pueden sustituir en otraecuación, lo que permite calcular las frecuencias de las líneas espectrales del hidrógeno.

Los valores de n en el modelo atómico de Bohr, tienen un significado físico; porejemplo, si n = 1, significa que los electrones se encuentran más cercanos al núcleo, enla capa u órbita más interna; los electrones con un valor de n = 2 están a continuación delos n = 1, y conforme nos alejamos del núcleo, se encuentran ahora en una capasuperior con más energía. (figura 43).

n=1 n=2 n=3 n=4

Figura 43. Niveles principales de energía para el átomo de hidrógeno según Bohr.

87

En este sentido, cuando los niveles energéticos que ocupan los electrones seencuentran en una situación de energía relativamente baja, se dice que se encuentra elelectrón en un estado basal (n=1), y cuando se somete a altas temperaturas u otraforma de energía, los átomos pasan a un nivel de energético mayor, el cual se denominaestado de excitación. Al respecto, cabe hacer notar que cuando estos electronesdescienden un nivel energético se presenta un decremento de energía, el cual semanifiesta en forma de un fotón o cuanto de luz. La cantidad de energía que seabsorbe o se emite es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles energéticos.

De acuerdo con lo anterior, ¿cada uno de los “saltos” que da un electrónhacia un nivel energético menor emitirán un quantum de luz de diferentecolor?.

Durante algún tiempo el modelo de Bohr fue en extremo atractivo, no sólo porque explicólas enigmáticas regularidades de los espectros de líneas, sino porque añadió la hipótesisde que las propiedades químicas dependen del número de electrones externos; así, hizoposible contar con un modelo racional que explicará las propiedades químicas periódicasde los elementos. Su razonamiento es el siguiente:

Cómo sólo son permitidos ciertos valores energéticos específicos (designados por n = 1,2, 3, 4...) para los electrones en los átomos, de la misma manera el número deelectrones en cada órbita también debe estar limitado, es decir, debe tener un máximo.Este máximo es igual a 2n2. De esta forma, el nivel energético con n = 1 tendrá unapoblación máxima de dos electrones 2 (1)2 = 2 ; el segundo nivel 2(2)2 = 8 ; el tercero2(3)2 = 18 ; el cuarto 2(4)2 = 32 , y así sucesivamente.

Imaginemos la construcción sucesiva de los átomos mediante la adición de electronesalrededor del núcleo: para tener un átomo neutro, debemos poner en órbita tantoselectrones como protones existan en el núcleo, y cada electrón ingresa en el nivelenergético de menor energía que esté disponible o vacío. En el caso hidrógenocon z = 114 ,el electrón solitario ingresa en el nivel n = 1; el helio con z = 2 tambiénacomoda sus electrones en el nivel 1; pero en el caso del litio, con tres electrones, eltercer electrón ingresaría en el nivel 2, dado que el n = ya está lleno.

La siguiente tabla presenta una lista de los 18 primeros elementos en relación con elaumento de su número atómico.

Tabla 3.

14 Representa la carga nuclear o el número de protones de un átomo.

88

El helio (He2) y el neón (Ne10) se llenan por completo y son químicamente inertes; elargón (Ar18) es otro elemento que no es reactivo, del que se debería esperar que tuvieracompleto el tercer nivel hasta los 18 electrones, pero se observa que tan sólo tiene ocho;sin embargo, el argón se comporta como si tuviera su capa externa llena, lo mismo queocurre con los demás elementos pertenecientes a este grupo en la tabla periódica : Kr,Xe y Rn.

H1 He2n = 1 Be4

O8n = 2 Na 11

n = 3

Figura 44. Representación de diferentes elementos de acuerdo con el modelo de Bohr.

Aportaciones y limitaciones del Modelo de Bohr

APORTACIÓN LIMITACIÓN

-Describe con precisión el espectroatómico observado en el átomo dehidrógeno.

-Explica la estabilidad de los átomos apartir de la existencia de niveles deenergía o estados estacionarios, en loscuales, a pesar de que está acelerado, elelectrón no emite radiación y, por lotanto, no cae al núcleo.

-En los átomos, las propiedades químicasestán determinadas por los electronesmás alejados del núcleo y no por los másinternos.

-Para elementos de la misma familiaquímica, los electrones de valencia sonlos mismos y la tendencia a cederloscrecerá conforme aumente el número deniveles en el átomo, pues los electronesexternos estarán ligados débilmente alnúcleo.

-No explica los espectros de otroselementos ni la estructura del espectro, esdecir, se encontró que las líneasespectrales no eran líneas sencillas, sinoun conjunto de varias de ellas.

H HeBe

O

Na

89

“ESPECTROS DE EMISIÓN”

Objetivo

Observar los espectros de emisión de algunas sustancias, mediante experimentosdonde se manifiesten estas características, para que los utilicen en el conocimiento dela estructura de la materia.


a) ¿Cuál es la naturaleza de la luz?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) ¿Por qué las sustancias emiten luz al calentarlas?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) ¿A qué se le llama espectro?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Qué es el espectro electromagnético ?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

e) ¿Por qué se dice que los espectros de líneas son como las huellas dactilares?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


90

Experimento I

Objetivo

Observar los espectros de emisión de algunas sales, para reconocer que laespectroscopía es un método de identificación cualitativo.

Hipótesis

¿Por qué algunas sustancias al ser calentadas producen una luminiscencia?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia*

☞ 1 Mechero Bunsen ☞ 20 ml Ácido clorhidrico☞ 1 Espectroscopio de rendija ☞ 0.5 g Cloruro de sodio☞ 1 Portacaja con alambre ☞ 0.5 g Cloruro de litio☞ 1 Vaso de 100 ml ☞ 0.5 g Cloruro de potasio

☞ 0.5 g Cloruro de bario☞ 0.5 g Cloruro de cobre☞ 0.5 g Cloruro de estroncio

* Las cantidades a usar son aproximadas


La indicada para el trabajo en el laboratorio y la indicada para el uso del mechero.

¿Cómo hacerlo?

Toma por medio de la porta-asa, un poco de cada una de las sustancias y colócala a laflama del mechero:

Cloruro de estroncioCloruro de litioCloruro de potasioCloruro de barioCloruro de cobreCloruro de sodio

91

Observa la coloración de la flama en forma directa y luego por el espectroscopio.

NOTA: Antes de poner a la flama una sal en el alambre, introduce éste en el vaso quecontiene ácido clorhídrico para lavarlo y en seguida ponlo a la flama del mechero con elfin de eliminar impurezas. Repite la operación hasta que el alambre no dé coloración ala flama.

Figura 45. Experimentación a la flama espectroscópica.


Anota tus observaciones en el siguiente cuadro:

Sustancia Color de la flama Observaciones

Cloruro de litio

Cloruro de potasio

Cloruro de bario

Cloruro de cobre

Cloruro de estroncio

Cloruro de sodio

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Experimento II

Objetivo

Observar la producción de los espectros ópticos para reconocer a la espectroscopíacomo un método de obtención.

Hipótesis

¿Qué sucede si a un gas se le hace pasar corriente de alto voltaje?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿Qué necesitas?

☞ 1 Bobina Tesla

☞ 1 Espectroscopio

☞ 1 Soporte Universal

☞ 1 Pinza de tres dedos con nuez

☞ Tubo de descarga de diferentes gases


La indicada para el trabajo en el laboratorio.

Cuando uses aparatos eléctricos toma los cuidados necesarios, la bobina Tesla debesusarla por periodos de 20 segundos y no debes tocar el electrodo.

¿Cómo hacerlo?

Monta el tubo de descarga de hidrógeno en el soporte universal, por medio de laspinzas, acerca la bobina Tesla a uno de los extremos: observa la luz producida; primerode manera directa y después con el espectroscopio. repite la operación con los otrostubos de descarga.

93

Figura 46. Espectroscopía por inducción de rayos catódicos.


Anota tus observaciones en el siguiente cuadro.

Tubo de descarga Color (directa) Color (espectroscopio) Observaciones


1. ¿Por qué cada sustancia emite luz diferente?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué le ocurre a la luz cuando pasa a través del prisma del espectroscopio?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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3. ¿Cuál es la diferencia entre el espectro de la luz solar y los observados ?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Qué se necesita, en cada caso, para que la sustancia emita luz?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Cómo apoyan estos experimentos al estudio de la estructura atómica?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión, contrasta tus hipótesis con los resultadosobtenidos y elabora tus conclusiones.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Modelo atómico de Bohr-Sommerfeld.

¿Qué características tiene la órbita propuesta por Bohr?.

¿Qué es el número cuántico principal?.

No debe sorprendernos que el éxito de la teoría de Bohr en la explicación del espectrode hidrógeno no se repitiera en la de otros elementos dado que ésta sólo es exacta enun sistema atómico compuesto de un electrón y el núcleo. Por ello fracasó aun con elsencillo átomo de helio, que tiene dos electrones y un núcleo.

Arnold Sommerfeld razonaba que si el átomo es homólogo al sistema, el electrón debegirar no sólo en círculos, como el modelo de Bohr, sino también en elipses, con laparticularidad de que el núcleo debe hallarse en uno de los focos de éstas. Sommerfieldtrabajó en un nuevo modelo que suponía la existencia de un segundo número entero, elnúmero cuántico secundario, cuyos valores enteros iban de l = 0, 1, 2... n -1, es decir, elnúmero de elipses admisibles no supera el número cuántico principal n que numera losestados estacionarios.

95

Tabla 4. Muestra de los valores de n y l y las formas de las órbitas.

Valores de n Valores de ( l ) Formas de órbita

1 0 circular

2 01

elípticacircular

3012

elipse excéntricaelipse

circular

40123

elipse muy excéntricaelipse excéntrica

elipsecircular

Pero ni siquiera dos números cuánticos n y I explicaron todas las particularidades rarasde los espectros. Por ejemplo, si el átomo radiante se coloca en un campo magnético, eldesdoblamiento de rayas espectrales se efectúa de modo distinto (efecto zeeman), estoindica que el electrón en la órbita es sensible al campo magnético; tal sensibilidad semanifiesta sólo si hay subniveles de energía, los cuales estaban definidos por tresnúmeros cuánticos n, l y m de los cuales los dos primeros ya se conocen, en tanto queel tercero (m) se conoce como número cuántico magnético o de orientación, cuyosvalores van desde -l hasta + y; por ejemplo, si l = 2, m puede valer -2, -1, 0 ,1 y 2, yexisten cinco orientaciones diferentes de las órbitas como lo muestra la tabla 5.

Tabla 5. Valores de l y m y el número de órbitas para cada subnivel

Nombre desubniveles

Valores de l Posibles valores de m Número deórbitas

s 0 0 1p 1 -1, 0, 1 3d 2 -2, -1, 0, 1, 2 5f 3 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7

Las letras s, p, d, f se eligieron basándose originalmente en las observaciones de losespectros de líneas, en las que se detectó que ciertas líneas pertenecen a una serie“bien definida” (sharp), y éstas se asocian con las transiciones energéticas que incluyenla subcapa s; otras líneas pertenecen a las series que se llamaron principal, difusa yfundamental, de donde derivan las designaciones s, p, d y f.

96

Aportaciones y limitaciones del modelo de Bohr-Sommerfeld

- Propuso órbitas elípticas, además de circulares, lo que implica la existencia desubniveles de energía.

- No obstante que nuevas teorías desplazaron al modelo de Bohr y Sommerfeld, laexistencia de niveles cuantizados de energía y de los números cuánticos n, l y m no seha modificado. Lo que sí cambió en las teorías actuales es la concepción de que elelectrón es un corpúsculo que viaja en una trayectoria bien definida.

- Aun cuando la visión actual es mucho más compleja, lo que nos interesa en este cursoes explicar cómo las propiedades de los átomos tienen que ver con los niveles y

subniveles que ocupan sus electrones más externos, y para ello nos bastará el modelode Bohr y Sommerfeld.

2.2.4 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

Si algún valor puede adjudicarse a las teorías de la estructura ello debe comprender elde ser capaces de explicar las diferencias de reactividad de diversos elementos ytambién el por qué de las propiedades físicas y químicas de los elementos, así como laforma en que se repiten en la tabla periódica. La periodicidad de los elementos descartaen forma definitiva a la masa o al número atómico como factores determinantes de lareactividad química, por lo que los núcleos atómicos no son los responsables de laconducta química de los elementos. Debemos buscar la explicación en la arquitecturaconfiguracional de los electrones externos a fin de saber por qué los elementos actúancomo lo hacen.

Al pasar de un elemento a otro en la tabla periódica, el número atómico y la carganuclear aumentan en una unidad. Para conservar la electroneutralidad de los átomos,este progresivo incremento de la carga nuclear debe acompañarse de un aumentosimultáneo en el número de los electrones circundantes. En consecuencia, al pasar delhidrógeno con z = 1 al laurencio con z = 103, el número de electrones alrededor delnúcleo debe incrementarse progresivamente de uno en uno, desde un electrón para elhidrógeno hasta el valor de 103 para el laurencio. En virtud de que estos electronesocupan la estructura externa de los átomos, deben disponerse en los niveles ysubniveles de energía, cada uno de los cuales contiene un número máximo deelectrones, como ya se estudió en temas anteriores.

¿Cuál es el sucesivo acomodo de cada electrón en la arquitectura del átomo?.

No todos los electrones de un átomo se ubican a la misma distancia del núcleocomo lo establecieron Bohr y Sommerfeld, sino que se encuentran en niveles ysubniveles de energía. A los niveles de energía (n) se les asigna un númerocomenzando por n = 1, para el nivel más cercano al núcleo, y así sucesivamente hastallegar al nivel n = 7, para los elementos conocidos. (Teóricamente el número de niveleses infinito).

Si el electrón de un átomo se ubica en el nivel de energía (n = 6), ¿sepodría afirmar que dicho electrón cuenta con mayor energía que si estuvieraen n=1?.

97

Cada nivel de energía está ubicado más lejos del núcleo y los electrones en estos adistancias más grandes tienen mayor cantidad de energía. El orden de los principalesniveles de energía es de:

1 < 2 < 3 < 4 < 5 < 6 < 7

Como se observa en la tabla 6, el número de electrones para cada uno de los niveles eslimitado, los cuales se pueden calcular con la fórmula 2n2.

Tabla 6. Número máximo de electrones que pueden existir en cadasubnivel y en cada uno de los primeros cuatro niveles.

Nivel de energía Subniveles(orbitales)

Número deelectrones

n = 1n = 2

n = 3

n = 4

ssp

spd

spdf

Los principales niveles de energía tienen subniveles u orbitales que se identifican con lasletras s, p, d, f, en el orden siguiente:

s <p <d <f

Asimismo, la población de un nivel y de un subnivel está limitada a 2n2. Un subnivel spuede acomodar como máximo dos electrones; un subnivel p sólo seis electrones;un subnivel d 10 electrones, y un subnivel f 14 electrones, que corresponden al dobledel número de diferentes valores del número cuántico magnético 2 (2l + 1) = m.

Los electrones en los átomos polielectrónicos se distribuyen de acuerdo con laenergía de cada subnivel, de manera que los electrones ocupan primero los subnivelesde menor energía de acuerdo con el principio de construcción progresiva, como seobserva en la figura 47.

32

141062

21062

82

6222

98

Figura 47. Orden de llenado de los subniveles atómicos de acuerdo con el principio de construcción progresiva.

La configuración del átomo con z electrones se obtiene al añadir un electrón más a laconfiguración del átomo con z - 1 electrones, colocando el último de acuerdo con elorden especificado en este esquema.

En la distribución de la población electrónica en niveles y subniveles se designa unnúmero que indica el nivel de energía, una letra que indica el subnivel y un índice queindica el número de electrones; por ejemplo:

cinco electrones

2 p5

número cuántico subnivel p, l = 1principal n = 2

El número máximo de electrones que en el primer nivel de energía es de dos, se localizaen el subnivel s, y se les designa como 1s2, el subnivel s del segundo nivel de energía (n= 2) se identifica con 2s, el tercer nivel como 3s y, así, sucesivamente. Por otra parte, elsegundo nivel de energía, con un máximo de dos electrones en s y seis en p, seidentifica con 2s22p6.

El número de electrones presente en el átomo de un elemento es igual a su númeroatómico y para establecer su configuración electrónica, la suma de los exponentes debeser igual a su número atómico.

Para comprender lo anterior, a continuación se describen las configuracioneselectrónicas de algunos elementos:

99

Elemento Configuración electrónica

He2 1 s2

Li3 1 s2 2s1

C6 1 s2 2s2 2p2

F9 1 s2 2s2 2p5

Fe26 1 s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

De acuerdo con el ejemplo anterior elabora la configuración electrónica del siguientelistado de elementos. Para llevar a cabo esta actividad te recomendamos tener presenteel número atómico de cada elemento, la tabla 5 y la figura 32 (principio de construcciónprogresiva).

Elemento Configuración electrónica

H1 _______________________________________________________________

Be4 _______________________________________________________________

B5 _______________________________________________________________

N7 _______________________________________________________________

O8 _______________________________________________________________

Ne10 _______________________________________________________________

Ga31 _______________________________________________________________

Como habrás notado, la secuencia que se presenta hasta el subnivel 3p es la que seespera, conforme el aumento de energía, tanto de niveles como de subniveles, sinembargo, después de haberse llenado el subnivel 3 p, con los del 3d, antes de que loselectrones entraran al subnivel 4s; mas como no se tiene este orden de llenado porqueel subnivel 4s tiene menor energía que el 3d; en consecuencia, debido a que lossubniveles se llenan de acuerdo con la energía creciente, los últimos electrones delescandio al zinc se acomodarán primero en el 4s y después den el 3d.

a) Espín

Samuel Goudsmit propuso un cuarto número cuántico (ms) que describe las dosformas en que un electrón puede orientarse con respecto de un campo magnético. Sepuede considerar que un electrón rota alrededor de su propio eje, ya sea en el sentidode las manecillas del reloj (-1/2) o en el sentido opuesto en relación con el campo(+1/2); a esta rotación o giro se le conoce con el nombre de espin electrónico.


100

La ubicación de los electrones en los átomos se puede describir en función de los cuatronúmeros cuánticos: n, 1, m y ms. Sin embargo, cabe hacer mención que no puedenexistir dos electrones en un mismo átomo con sus cuatro números cuánticos iguales.

Otro enunciado es el principio de exclusión de Pauling, llamado así en honor deWolfgang Pauli (1900-1958), el cual postula que si dos electrones de un átomo ocupanun mismo subnivel entonces deben tener diferentes valores de ms; por ejemplo, en unátomo de helio dos electrones ocupan el subnivel 1s del estado normal; éstos tienenespines opuestos, y se dice que están apareados; luego entonces, sus númeroscuánticos son:

n l m ms

1 0 0 + ½ _____ 1s

1 0 0 - ½ n = 1

Si dos electrones del átomo de helio tuvieran espines iguales, estarían sin aparear.

Al tener un subnivel del átomo diferentes orientaciones, los electrones se distribuyen enéstas de manera que los espines queden paralelos. Este concepto se conoce comoregla de Hund, y significa que cada orientación se ocupa primero por un electrón ydespués se forman parejas.

Para comprender lo anterior a continuación se describe la configuración electrónicavectorial de un átomo de nitrógeno:

N7 = ___ ___ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

n=1 n = 2

En los subniveles 1s y 2s se encuentran apareados sus electrones porque sólo tienenuna orientación en el espacio, pero el subnivel 2p tiene tres orientaciones en el espacio yal ubicar los electrones éstos tienen espines paralelos.

Los siguientes ejemplos muestran la aplicación de la regla de Hund y del principio deconstrucción:

H1 ___ 1s

Li3 ___ ___ 1s 2s

Be4 ____ ____ 1s 2s

101

N7 ___ ____ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

O8 ____ ____ ____ ____ ___ 1s 2s 2px 2py 2pz

Desarrolla la configuración electrónica vectorial de los siguientes elementos, recuerdaque debes tomar en cuenta el principio de construcción progresiva y la regla de Hund.

ELEMENTO CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

B5 ________________________________________________________________

C6 ________________________________________________________________

F9 ________________________________________________________________

Ne10 ________________________________________________________________

K19 ________________________________________________________________

Rb37 ________________________________________________________________

b) Configuraciones electrónicas y la tabla periódica.

¿Cuáles son las partes que conforman la tabla periódica de los elementos químicos?

La tabla periódica es un instrumento por medio del cual se conoce y comprende elcomportamiento químico de los elementos, así como el de los innumerables compuestosque éstos integran. Está formada por siete periodos y 18 grupos, dividida en cuatrobloques de elementos, s, p, d y f, dependiendo del subnivel donde se localice el electróndiferencial (figura 48).

*Cabe hacer notar que el Helio (He2) corresponde al bloque s, por lo tanto se ubica en elsubnivel 1s al igual que el hidrógeno (H1)


102

Figura 48. Distribución de la configuración electrónica en la tabla periódica.

Los elementos que forman los bloques s y p se llaman representativos. Éstosconstituyen los grupos 1, 2 y 13 al 18, además tienen colocado su electrón diferencial enel subnivel s ó p, según sea el caso; por ejemplo:

Li3 (1s2 2s1 )

N7 (1s2 2s2 2p3)

El conjunto de elementos con un electrón diferencial situado en el subnivel d forma losgrupos del 3 al 12 y se denomina de transición; por ejemplo:

Sc21 (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1)

Los elementos del bloque f tienen su electrón diferencial colocado en el subnivel f yreciben el nombre de tierras raras o de transición interna; por ejemplo:

Pr59 ( 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f3 )

La siguiente tabla periódica muestra como se forman los bloques de elementos deacuerdo con la configuración electrónica de su electrón diferencial (figura 49).

103

Figura 49. Clasificación de elementos de acuerdo con su configuración electrónica.

A partir del siguiente listado de números atómicos, realiza en tu cuaderno, lo que se tepide:

Menciona a qué elemento se refiere. Desarrolla su configuración electrónica y vectorial. Posteriormente, menciona en qué subnivel se ubica el (los) último (s) electrón(es) Indica si el elemento corresponde al conjunto de elementos: representativos, de

transición o de tierras raras. Señala los niveles de energía que se encuentran en cada una de las configuraciones

electrónicas vectoriales (consulta la tabla 6).

Número atómico.

1) 14 6) 88

2) 25 7) 33

3) 66 8) 57

4) 74 9) 45

5) 2 10) 20


ELEMENTOS REPRESENTATIVOS Y DE TRANSICIÓN

104

El estudio del comportamiento de las partículas cargadas en los tubos de rayoscatódicos permitió el descubrimiento de las tres partículas subatómicas básicas queconforman el átomo: electrón, protón y neutrón.

Los modelos atómicos evolucionaron gracias a los experimentos realizados: tubos derayos catódicos, bombardeo con partículas alfa a una lámina de oro, espectroscopia delíneas y fenómenos nucleares.

De un modelo atómico sin estructura e indivisible (de Dalton) se pasó a uno concarácter eléctrico constituido por una esfera eléctrica positiva en la que se encuentranlos electrones, propuesto por Thomson.

Con Rutherford aparece el núcleo, que concentra la mayor parte de la masa del átomoy toda la carga positiva.

A Bohr se debe el descubrimiento de por qué un electrón no se precipita al núcleo o noemite radiaciones al estar girando alrededor éste. Con él aparece el primer númerocuántico llamado n (nivel).

Cabe hacer notar que el modelo atómico de Bohr sólo funciona para el átomo dehidrógeno (un protón y un electrón)

Sommerfeld propuso que existían órbitas circulares y órbitas elípticas de diferentestamaños, excentricidades y orientaciones, a partir del segundo nivel. A él se deben elsegundo y el tercer número cuántico: l y m.

En un átomo la cantidad de protones es igual al número atómico y la cantidad deprotones es igual a la cantidad de electrones; la suma de protones y neutrones es igualal número de masa; los electrones están distribuidos en niveles de energía principalesy en subniveles, para los cuales existe una cantidad máxima de electrones; el orden deocupación de los niveles y subniveles de energía puede predecirse mediante elprincipio de construcción progresiva.

La configuración electrónica es el conjunto de electrones que hay en cada subnivel deenergía y que ubica a todos los electrones dentro de un átomo; aquélla constituye labase que permite comprender y predecir muchas propiedades de los elementos.


105


2.3.1. ISÓTOPOS

El hombre siempre ha vivido a merced de las radiaciones y seguirá viviendo con ellas.Éstas se encuentran en el agua que se bebe, proveniente del uranio y el radio; la lechecontiene potasio -40; los vinos añejados contienen tritio y el cuerpo humano produceaproximadamente 400 000 desintegraciones radiactivas por minuto.

El incremento en los fuentes de radiación artificial en las plantas nucleares y en laexperimentación de bombas atómicas, así como el manejo irracional de los residuosradiactivos, amén de las pruebas atómicas en la atmósfera y en el subsuelo; y loserrores en el diseño y operación de los reactores, puede ocasionar efectos nocivos en elhombre si se rebasan los límites permitidos. Pese a ello, el hombre moderno tienenecesidades de alimentos, ropa, habitación, salud, transportación, etc., se requiere deenergía para obtenerlos, por lo cual, bajo la amenaza de que las reservas de petróleo ygas natural se agoten algún día, ha buscado la energía nuclear como la más importanteopción para solucionar dicho problema, a pesar de que conlleve gran peligro para lahumanidad y la naturaleza.

Las ventajas y desventajas de la energía nuclear son múltiples, lo que representa undilema que debe resolverse con madurez, evitando gastos innecesarios en las áreasbélicas y canalizando los recursos hacia la batalla contra las enfermedades, el hambre ylas condiciones infrahumanas de vida.

En toda reacción química que se ha estudiado en los fascículos anteriores, loselementos han mantenido su identidad, sean reactivos o productos. En éste,estudiaremos el llamado fenómeno nuclear, que implica cambios en el núcleo de loselementos. A continuación se mencionan algunas características que diferencian loscambios químicos de los cambios nucleares.

Cambio químico. No produce nuevos elementos puesto que normalmente intervienenlos electrones externos, la energía liberada o absorbida es pequeña y la velocidad dereacción depende de factores externos, tales como concentración, temperatura,etcétera.

Cambio nuclear. Algunos elementos pueden convertirse en otros, intervienen laspartículas interiores del núcleo, absorben o liberan una gran cantidad de energía y lavelocidad es independiente de la concentración, temperatura presión, etcétera.

Pero, ¿qué significa el término de isótopo?.

Este término se emplea para referirse a los “átomos del mismo elemento que tienediferente número de neutrones en el núcleo”.15

Por ejemplo: C12 ó C14; O15, O16 u O17

15Tomado de Garritz, A y Chamizol, J. Química. Addison-Wesley Iberoamericana, 1994, USA. pp. 95.

106

a) Isótopos y sus aplicaciones.

Los isótopos tienen numerosas aplicaciones prácticas por sus velocidades dedesintegración conocidas o simplemente porque emiten continuamente radiación, entrelas cuales están:

Determinación de la edad de restos fósiles. La edad de productos de origen orgánicose puede estimar con los núcleos de carbono -14, el cual se incorpora a los seres vivosmientras viven (cuando fallecen ya no lo incorporan). Por lo tanto, la actividad delcarbono -14 es una medida del tiempo que ha pasado desde su muerte.

El carbono-14 es útil de 500 a 50 000 años. Para determinar la fecha de objetos másantiguos se utiliza el potasio, que es útil de 10 000 a 1 300 000 000 años, y el renio-187,que puede determinar desde 40 millones de años a la edad del universo.

Medicina. El sodio-24 se utiliza para seguir el recorrido de la sangre y localizarobstrucciones del sistema circulatorio, en tanto el plutonio-238 puede convertirse enenergía eléctrica para hacer funcionar un marcapasos.

Estudio de las reacciones químicas. Con el uso del tritio, carbono-14, oxígeno-18,sodio-24, fósforo-32 y azufre-35 y de contadores de Geiger se puede seguir latrayectoria de los átomos radiactivos a través de todos los pasos intermedios de unmetabolismo o de la obtención de un producto. Asimismo, se estudian muchos procesosquímicos y bioquímicos tanto en matraces como en plantas y animales. También sepueden usar isótopos no radiactivos como deuterio, carbono-13, oxígeno-17,etcétera.

Esterilización. Se irradia a los machos con rayos gamma, los cuales alteran sus célulasreproductivas y se les esteriliza.

Conservación de alimentos. La irradiación de algunos alimentos retrasa la germinacióny permite almacenarlos durante largos periodos.

Aplicaciones industriales. Se utilizan isótopos para medir el espesor del metal opapel, la cantidad de flujo de un gas o un líquido; para determinar las fugas detuberías, el desgaste o estado físico de equipo de edificios; para obtener nuevoselementos, producción de energía eléctrica, etcétera.

2.3.2 NEUTRÓN

La tercera subpartícula estable había pasado inadvertida hasta que Rutherford predijo suexistencia en 1920. Walter Bothe observó, en 1930, la primera evidencia de ésta. En1932 James Chadwick repitió el trabajo de Bothe y observó partículas de gran energíasin carga, esencialmente de la misma masa del protón, que en la actualidad se conocencomo neutrones.

¿Por qué se presenta la radiactividad?.

107

Uno de los factores relacionados con la estabilidad nuclear es la relación favorableneutrones-protones. Para los elementos ligeros esta estabilidad se presenta en losnúcleos con una relación cercana a un protón por cada neutrón. Según aumenta elnúmero de protones, se necesita mayor número de neutrones para que los núcleos seanestables porque con ello se reduce la repulsión entre protones.

Los elementos inestables se transforman en estables por medio de cambiosnucleares, que son la esencia de la radiactividad. Los elementos que presentan unaestabilidad especial16 son:

24

816

2040

3888

82208He, O, Ca, Sr y Pb

En este sentido, las radiaciones más comunes que se emiten desde el núcleo de losisótopos radiactivos son: las partículas alfa, las partículas beta, y los rayos gamma.

Sin embargo, un isótopo radiactivo no emite simultáneamente partículas alfa y beta, sinoque por lo general, los rayos gamma se emiten con las partículas alfa o beta, debido alos ajustes de energía interna del núcleo del átomo.

Tabla 7. Principales propiedades de las radiaciones nucleares.

Radiaciónnuclear Símbolo

Masa(uma) Carga Velocidad Penetración Identidad

Efecto deionización

Alfa 4 He2 4.0026 2+ 0.1 C baja

núcleo de helioalta

Beta0 e-1 0.00055 1- 0.9 C

baja amoderada electrón moderada

Gamma 0 0 C altaradiación

electromagnética baja

Vida Media

Una muestra de material radiactivo, no importa su tamaño, siempre presenta rapidez dedecaimiento constante. El tiempo en el cual la mitad de los átomos radiactivos inicialesse transforman se conoce como tiempo de vida media, que es característico de cadanúcleo; por ejemplo el radón-219 es un emisor alfa que emite la mitad del total departículas alfa en cuatro segundos.

Si se tiene un gramo de radón-19, después de cuatro segundos sólo quedan 0.5 gramos,pues la mitad del material se ha transformado en polonio.215; después de ocho segundohabrá 0.25 g, y después de 12 segundos habrá 0.125 g. No es posible decir cuando sedesintegra un cierto átomo, pero sí podemos predecir el tiempo que requerirá para quese desintegre la mitad de un gran número de ellos.

16En este tema el subíndice será utilizado para indicar el número de neutrones de un elemento.

108

2.3.3 ENERGÍA DE AMARRE

¿Por qué se libera gran cantidad de energía en los cambios nucleares?.

La respuesta la dio Einstein: se trata de un fenómeno de transformación de masa enenergía.

Uno de los grandes hallazgos del siglo XX es el hecho de que las masas de losátomos son siempre inferiores a la suma de las masas, de los protones y neutronesindividuales que los forman. Por ejemplo, la masa calculada para los dos protones ydos neutrones del helio es 4.03298 y la determinada experimentalmente es de 4.002603;la pérdida de masa es de 0.030377. Einstein demostró que esta pérdida de masa noimplica que desaparezca, sino que se transforma en energía de acuerdo con suecuación.

E = m c2.

De esta manera, los 0.030377 uma se convierte en 4.647681 x 10-13 joules. Estacantidad puede parecer ridícula, pero debe tomarse en cuenta que se refiere a laformación de un solo átomo de helio. Cuando se formasen 4.002603 g de helio seliberaría una energía 6.02 x 1023 veces mayor; casi 280 mil millones de joules, cantidadde energía suficiente para hacer hervir casi 100 toneladas de agua.

A la energía necesaria para romper un núcleo y convertirlo en sus nucleonesaislados se le conoce como energía de amarre.

2.3.4 FISIÓN NUCLEAR

La fisión nuclear se define como el proceso mediante el cual un neutrón choca contraun núcleo pesado, dividiéndolo en dos o más núcleos ligeros (figura 50).

Durante este rompimiento se libera energía y a la vez, neutrones que tienden a chocarcontra otros núcleos pesados, en el cual se repite el proceso de rompimiento, una y otravez. Dicho fenómeno se conoce como reacción en cadena. Un ejemplo muy conocidopor la mayoría es el que ocurre con un grupo de fichas de dominó acomodadas enforma de triángulos, cuyo extremo se golpea y acto seguido se observa una serie deimpactos que derriban todas las fichas.

109

Figura 50. Ilustración de una reacción en cadena.

a) Reactor Nuclear.

¿Qué es un reactor nuclear?.¿De qué partes se compone un reactor nuclear?.

La explosión de una bomba atómica es una reacción en cadena instantánea eincontrolable. En un reactor nuclear ocurre una reacción similar que puede controlarsede tal manera que una fusión produce únicamente una nueva fisión y no existeposibilidad de explosión porque los combustibles de un reactor nuclear no tienen lacomposición ni la distribución tan compacta de una bomba. Además, se emplean barrasde control que se introducen y se sacan en los espacios situados entre las barras decombustible.

La principal diferencia que hay entre plantas termoeléctricas y reactores nucleares esque un reactor reemplaza el horno donde se quema carbón, petróleo o gas natural. Unreactor de fisión tiene cinco componentes principales: combustible, moderador, barrasde control, sistema de refrigeración y escudo.

Figura 51. Diagrama esquemático de una central nuclear.

110

Combustible. Son barras de U3O8 con 0.7% de uranio-235.

Moderador. Frena a los neutrones; suele emplearse agua ligera, agua pesada( 1

22 1

22H O o D O ) o grafito.

Barras de control. Controlan la reacción de fisión porque absorben los neutrones. Elcadmio y el boro absorben bien los neutrones.

Sistema de refrigeración. En la práctica se necesitan dos sistemas de refrigeración: enuno, el moderador actúa como refrigerante del reactor, puescuando se transfiere el calor generado por la fisión algenerador de vapor, éste convierte el agua en vapor que va alas turbinas e impulsa al generador, para producir electricidad.Otro refrigerante necesita agua de río, de mar o aguareciclada; éste condensa el agua de la turbina y elcondensado se recicla al generador de vapor.

Escudo. Todo el reactor está dentro de un recipiente de acero alojado en un muro deconcreto con varios metros de espesor, lo cual evita que escapen los rayosgamma; una gruesa capa de fibras de madera absorben las radiaciones alfa ybeta.

Aplicaciones de la fisión nuclear

➽ Aprovechamiento de la energía nuclear para fines militares.17

➽ Obtención de nuevos elementos químicos.➽ Hallazgo de nuevas partículas nucleares.➽ Comprensión sobre la forma en que se realizan las reacciones químicas.➽ Nuevos métodos químicos para analizar muestras.➽ Tratamiento de padecimientos y tumores cancerosos.➽ Estudio de estructuras de equipo y edificios.➽ Obtención de energía eléctrica.

2.3.5 FUSIÓN NUCLEAR

¿Sabías que tanto en el sol como en las estrellas se llevan a cabo elproceso de fusión nuclear?.

¿Qué es la fusión nuclear?.

17La bomba lanzada el 6 de agosto de 1945 durante la Segunda Guerra Mundial, tenía uranio-235 y la segunda, el 14 de

agosto de este año tenía plutonio -no; 238. La pérdida de vidas humanas se ha calculado en 200 000. El poder explosivo decada una de las bombas era de 0.02 megatones. Un megatón equivale a la energía liberada por un millón de toneladas dedinámita, y 50 kg de uranio 35 o plutonio 235 liberan esta misma cantidad de energía.

111

La fusión nuclear es entendida como un proceso por el cual dos núcleos ligeros secombinan o funden para producir un elemento más pesado, ejemplo de ello es lareacción que se efectúa en el sol ya que un núcleo de hidrógeno (1 H) se combina conotro núcleo de hidrógeno (1 H) para que a partir de esta combinación se obtenga unagran cantidad de energía y un núcleo de helio( 1

2H+ 13H 2

4He + 01n + 4.0 x 1011

cal).

13H

24He

12H

Figura 52. Ilustración de una fusión nuclear

Para llevar a cabo una fusión de los isótopos del hidrógeno deben cumplirse trescondiciones:

1. Temperaturas elevadas de 100 000 000ºC.2. Densidad elevada 1014 a 1016 partículas por centímetro cúbico.3. Confinamiento de los isótopos de hidrógeno durante un segundo para que la reacción

se mantenga por sí sola.

Hay dos procedimientos para desarrollar la fusión nuclear con el objetivo de producirelectricidad:

1. Confinamiento magnético del hidrógeno.

2. Uso de los rayos láser o haces de electrones para unir los átomos de hidrógeno.

¿Qué diferencias existe(n) entre la(s) reaccion(es) de fisión?.

Las reacciones de fusión son la fuente de energía de las estrellas jóvenes como nuestroSol. En los reactores Tokamak se han alcanzado temperaturas de 200 millones degrados celsius, una densidad de 1013 partículas por centímetro cúbico y unconfinamiento de 0.05 segundos. Los científicos esperan que para el año 2000 a 2020se construya una planta piloto que convierta en energía eléctrica la energía generada enla fusión, tal como se realiza en las plantas de fisión nuclear. Ahora bien, la primerareacción nuclear artificial de fusión la realizó Rutherford en 1919 al bombardear conpartículas alfa una muestra de nitrógeno, de donde obtuvo oxígeno y un protón:

(LiberaciónEnergía)

112

Figura 53. Muestra del bombardeo con partículas alfa.

Las reacciones de fusión nuclear producen mayor cantidad de calor por unidad de masaque las reacciones de fisión.

La bomba de hidrógeno tiene los dos cambios nucleares: la energía calorífica que senecesita para llevar a cabo la reacción de fusión de hidrógeno se obtiene por medio deuna explosión por fisión nuclear (bomba atómica), y la energía que se libera de unareacción de fusión nuclear (bomba de hidrógeno) se ha estimado que es casi 15 vecesmás que la liberada en una reacción de fisión nuclear.

La fusión nuclear podría utilizarse para producir energía eléctrica en lo futuro porque secree que estas plantas producirían menos contaminación térmica, menos radiaciónnuclear y tendrían menor riesgo de accidentes nucleares que las plantas de fisiónnuclear. Aún cuando las aguas naturales contienen deuterio en proporción de una partepor cada 7 000 partes de hidrógeno, se estima que, una vez desarrollado un proceso defusión adecuado, se podrá suministrar al mundo el nivel actual de energía durante unbillón de años con el deuterio y el hidrógeno que contienen los océanos.

113

Aplicación de la fusión nuclear

Explica la fuente de energía de las estrellas.

Mediante ésta se explica la formación de los núcleos de los elementos por la fusiónnuclear en las estrellas.

Permite el hallazgo de nuevas partículas nucleares.

Permite el aprovechamiento de la energía nuclear para fines militares.

Figura 54. Diseño de una bomba atómica. Para unir las dos masas se requiere un explosivo convencional.

114

Tabla 8. Características de la fisión y la fusión.

Fisión Fusión

Fenómeno que sucede Los núcleos mas pesados sedividen

Los núcleos, ligero forman núcleosmás grandes

Isótopos utilizados 235U, 239Pu y algunos más Deuterio, tritio y litio

Disponibiidad de lamateria prima

Las Buenas Fuentes son limitadasy Caras, aunque existe grancantidad de minerales de bajaconcentración

Casi ilimitada y a bajo costo

Cómo se inicia lareacción

Sucede cuando un núcleofisionable absorbe un neutrón

Ocurre si la temperatura esbastante elevada y las partículasno están muy separadas

Se bombardea el materialfisionable con un deuterón

Una bomba de fisión produce latemperatura de reacción; en unreactor se usa la acción eléctrica ymagnética.

Cómo se mantiene lareacción

Por la reacción en cadena cuandoel material tiene la masa crítica ylos neutrones son retardados porel moderador.

Confinando el plasma calientepara que no se enfríe

Cómo se controla Con barras de control queabsorben neutrones

Con campos magnéticos

Isótopos radiactivosformados

Muchos Casi ninguno

¿Se necesita blindaje? Sí, porque los productos de lafisión son radiactivos

Si, porque los neutrones delproceso pueden hacer radiactivaslas paredes.

Comparación de laenergía producida porgramo de combustible

Menor Mayor

115

Las reacciones nucleares difieren de las reacciones químicas por la circunstancia de queen ellas intervienen las partículas nucleares, en lugar de electrones externos, y puedeninterconvertir materia y energía. El proceso de desintegración radiactiva suele emitirpartículas alfa, beta y rayos gamma, de manera que los productos son más estables queel núcleo que se desintegra.

La relación protones-neutrones puede predecir si un elemento es radiactivo; la detecciónde las radiaciones se puede hacer mediante los métodos fotográficos, fluorescente, elcontador Geiger y cámaras de niebla. La velocidad de desintegración de cualquierisótopo radiactivo depende de la naturaleza del elemento y no de las condicionesexternas. Esta velocidad se expresa en forma cuantitativa por medio del término vidamedia, que es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de cualquier masa deun elemento radiactivo.

La suma calculada de la masa de los electrones, protones y neutrones de un átomo essiempre ligeramente mayor que la masa real de la totalidad del átomo. A la diferencia sele llama pérdida de masa, que de acuerdo con la Ley de equivalencia de la masa y laenergía de Einstein es igual a la energía de amarre.

Fisión nuclear es la división de un núcleo atómico para formar dos o más fragmentos, entanto fusión nuclear es la combinación de dos o más núcleos ligeros para formar unnúcleo pesado. La bomba atómica (uranio-235) es un ejemplo de fisión y la reacciónque ocurre en el Sol y la bomba de hidrógeno son ejemplos de fusión.

Entre las aplicaciones más importantes de los isótopos radiactivos están: ladeterminación de la edad de los fósiles, como trazadores en el estudio de los procesosquímicos y biológicos, en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades etcétera.

Uno de los aspectos más prometedores a largo plazo de la fusión nuclear del deuterio esla posibilidad de contar con energía ilimitada.


116

El siguiente esquema te presenta una síntesis de los conceptos más importantes de estecapítulo.

Después de haber revisado este esquema podrás realizar una síntesis de los conceptosmás importantes del capítulo.

RECAPITULACIÓN

ESTRUCTURA ATÓMICAY CAMBIOS QUÍMICOS

NATURALEZAELÉCTRICA

RADIACTIVIDAD FENÓMENOSNUCLEARES

se conforma por

CARGAELÉCTRICA

TUBO DE RAYOSCATÓDICOS

inicia con la

es estudio de

CARACTERÍSTICAS MODELO ATÓMICODE THOMSON

y sus

consta de

PARTÍCULASNEGATIVAS(ELECTRÓN)

PARTÍCULASPOSITIVAS(PROTÓN)

y el

ANTECEDENTES CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA

MODELOATÓMICO

RUTHERFORD BOHR

POSTULADOS

con sus

ESPECTROS No. CUÁNTICOPRIMARIO (n)

SOMMERFIELD

No. CUÁNTICOSECUNDARIO (I)

No. CUÁNTICOMAGNÉTICO (m)

consta de

y los

que propuso

con

NIVELES DEENERGÍA

TABLAPERÍODICA

que aborda

SUBNIVELES(S, P, d, f)

ESPIN(m)

PERÍODO

GRUPOS

BLOQUES

SUBNIVELES

se conforma de

NEUTRÓN

ENERGÍA DEAMARRE

FISIÓNNUCLEAR

FUSIÓNNUCLEAR

ISÓTOPOS

LA MASA SETRANSFORMAEN ENERGÍA

donde

REACTORNUCLEAR

☞ MEDICINA☞ REACCIONES QUÍMICAS☞ FÓSILES

APLICACIONES

ejemplode ello

y sus

propuso el

algunasaplicaciones

son en

117

En este apartado podrás poner en práctica lo que has aprendido a lo largo del capítulo,por lo que te recomendamos realizar todo lo que se te pide.

I. Contesta las siguientes preguntas anotando en el paréntesis la letra de la opción queconsideres correcta.

1. De acuerdo con Bohr, los electrones se encuentran en: ( )

a) Órbitasb) Regionesc) Niveles de energía

2. ¿Qué letras designan a los subniveles de energía? ( )

a) n, l, m, sb) s, p, d, fc) K, L, M, N

II. Anota en los renglones la respuesta que consideres correcta, o bien, las queconsideres correctas.

3. ¿Cómo se determinaría si la luz de color de un rótulo de neón se debe a una mezclade colores o a un solo color?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Determina cuántos electrones:

a) Puede ocupar el tercer nivel de energía (n = 3) ____________________________b) Puede haber en el subnivel d del cuarto nivel de energía (n = 4) ______________c) Puede haber en el segundo nivel de energía (n = 2) ________________________

5. Si el Galio tiene un número atómico de 31:

a) ¿Qué configuración electrónica tiene este elemento? ____________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuántos electrones tiene en el cuarto nivel de energía? ________________________________________________________________________________________


118

c) ¿Cuántos electrones d tiene este átomo? _____________________________________________________________________________________________________

6. Escribe la configuración electrónica para cada uno de los siguientes elementos:

a)

Na11______________________________________________________________

b)Ca20______________________________________________________________

c)

Zn30______________________________________________________________

d)

La57______________________________________________________________

e)

Ge32______________________________________________________________

7. ¿En qué grupo y periodo se encuentran los átomos con las siguientesconfiguraciones electrónicas?

Grupo Periodo

a) 1s2 2s2 2p1 ___________________ ______________________

b) 1s2 2S1 ___________________ ______________________

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 ___________________ ______________________

8. Escribe los símbolos de las siguientes partículas o rayos:

a) Alfa ______________________________ b) Beta ________________c) Gamma ___________________________ d) Protón _______________e) Neutrón ___________________________

9. Menciona dos métodos de detección de radiaciones

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

119

10. Escribe un isótopo radiactivo que se utilice en:

a) Investigación____________________________________________________________________b) Agricultura____________________________________________________________________c) Industria____________________________________________________________________d) Medicina____________________________________________________________________

11. Explica los siguientes procesos de un reactor nuclear cuya función es producirelectricidad:

a) El funcionamiento de las varillas de carburo de boro: ________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

b) La función de un moderador: __________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

c) La forma de suspender la operación del reactor nuclear: ___________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

d) La forma en que se produce la electricidad: ______________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

12. ¿Por qué no se construyen reactores nucleares basados en reacciones de fusión, enlugar de reacciones de fisión?____________________________________________

__________________________________________________________________

_________________________________________________________________

120

13. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la fisión nuclear sobre la fusión nuclear?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

__________________________________________________________________

121

Enseguida te presentamos las respuestas de las Actividades Integrales, verifica tusresultados y reflexiona sobre las respuestas.

1. (c) Niveles de energía

2. (b) s, p, d, f

3. Observando con un espectroscopio y comparándolo con el espectro de líneas deNeón

4. a) Máximo de 18 electronesb) Máximo de 10 electronesc) Máximo de 8 electrones

5. a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1

b) Tres electrones: dos en s y uno en pc) 10 electrones

6. a)1s2 2s2 2p6 3s1

b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

d) 1s2 2s2 2p6, 3s2 3p6 4s2 ,3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f1e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p

7. a) Grupo 13, periodo 2b) Grupo 1, periodo 2c) Grupo 2, periodo 3

8. a) 24 , 2

4He b) 10 , 1

0 e c) 00

d) 11p, 1

1H e) 01n

9. Fotográfico, fluorescencia, cámaras de niebla y contadores de ionización de gases(Geiger-Müller).

10. a) Tritio, carbono-14, oxígeno-18, sodio-24, fósforo-32, etcétera.b) Cobalto-60, radio-228, etcéterac) Cobalto-60, americio-241, estroncio-90, curio-249, etcétera.d) Sodio-24, plutonio-238, tecnecio-99, talio-201, yodo-131, etcétera.

AUTOEVALUACIÓN

122

11. a) Absorben neutrones.b) Aminora la velocidad de los neutrones.c) Mediante las varillas de control en el fondo del reactor.d) El vapor que se produce en el reactor nuclear pasa a una turbina, la cual mueve

el generador que produce energía eléctrica.

12. Porque todavía no se logra cumplir los tres requisitos para que se efectúe unareacción de fusión que son: temperatura y densidad elevadas y confinamientosuficiente para que la reacción se mantenga por sí sola.

13. Los reactores de fisión nuclear ya se usan en la actualidad, pero no existe todavíala tecnología para obtener los reactores de fusión nuclear.

Las reacciones de fisión nuclear producen mayor contaminación que las reaccionesde fusión nuclear.

Las fuentes de materia prima para la fisión son caras y para la fusión son a bajocosto.

123

Dentro de este fascículo observaste que la...


ESTRUCTURAATÓMICA

EXISTENCIA DEL ÁTOMO YCUANTIFICACIÓN DE LOS

COMPUESTOS

ESTRUCTURA ATÓMICA YCAMBIOS NUCLEARES

LEYESPONDERALES

TEORÍAATÓMICA

MODELO ATÓMICODE BOHR

consiste enabordar

ASPECTOSCUANTITATIVOS

incluye

CAMBIOSNUCLEARES

COMPONENTESDEL ÁTOMO

PRINCIPALESMODELOSATÓMICOS

se refiere

comolos de

RUTERFORD

BOHR

CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA

usadopara

FISIÓN FUSIÓN

comoson

se divide en

124

Estas actividades han sido diseñadas para que pongas en práctica los conocimientosque has adquirido a lo largo del fascículo, por lo que te recomendamos que las lleves acabo.

1. Menciona cuáles son las leyes ponderables y la(s) característica(s) de cada una deellas.

Ley Característica

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

_______________________________ ___________________________________

2. ¿Qué diferencia(s) hay entre la masa fórmula y la masa molecular?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________


125

3. Explica cuál es la relación carga -electrones que existe en un cuerpo.

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

4. ¿Qué entiendes por radiación?____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

5. Explica en qué consiste la fisión y la fusión

Fisión:____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Fusión:____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

6. Determina el porcentaje de Uranio (U) presente en el compuesto U3 O8, el cual seutiliza como combustible en una central nuclear, y cuya masa atómica es de 833umas:

126

En este apartado podrás identificar los aciertos y/o errores que tuviste en lasActividades de Consolidación. Para poder cumplir con este objetivo te proporcionamoslas respuestas y procedimientos que debiste haber considerado.

1.Ley Características

Conservación de la masa Esta ley postula que la materia no se creani se destruye, sino que sólo setransforma, ejemplo de ello es cuandose mezclan 10 g de sal en en 100 g deagua, donde se tiene como resultado unasolución de 110 g.

Pesos y Equivalentes En este caso, los pesos de las sustanciasque se combinan con un peso conocidode otra tercera sustancia son equivalentesentre sí.

Proporciones Constantes Los elementos que constituyen o formanun compuesto siempre existen en ciertasproporciones constantes, como porejemplo 103 g de carbonato de cobre, queequivalen a 53 g de (Cu), 40 g de Oxígeno( O ) y 10 g de carbono (C).

Proporciones Múltiples Cuando dos elementos se combinan paraformar más de los compuestos, losdiferentes pesos de uno que se combinacon un peso determinado de otro,guardando una relación de númerosenteros,como es CO2 bióxido de carbonoo CO monóxido de carbono.

2. - Masa Molecular: es la suma de los átomos.- Masa Fórmula: son los pesos atómicos de los compuestos.

3. Los cuerpos adquieren cargas positivas cuando pierden electrones y carga negativacuando ganan electrones.

AUTOEVALUACIÓN

127

4. Radiación: es un fenómeno que se presenta en los elementos con propiedadde emitir radiaciones debido a los electrones.

5. Fisión: Es el choque de un neutrón con un núcleo pesado, dividiéndose en dos o másnúcleos.

6. Fusión: Proceso por el cual se combinan o funden dos núcleos ligeros.

U = 235 x 3 = 705 % Uranio = 705 x 100 = 84.64% 833

O = 16 x 8 = 128 por tanto PM = 833 umas % Oxígeno = 128 x 100 = 15.36%

833

128

Acelerador lineal. Dispositivo utilizado para acelerar partículas cargadas a través deuna línea recta.

Ácido. Sustancia de sabor agrio, que concentrada provoca quemaduras y cambia elcolor de los extractos de ciertos vegetales, los cuales son llamados indicadores.

Agua Pesada. Agua que contiene deuterio, un isótopo pesado del hidrógeno, 2 H. 1

Ánodo. Es el electrodo positivo de un tubo de rayos catódicos.

Átomo. Partícula más pequeña de la que está compuesta toda materia.

Barras de control. Barras de material como cadmio o aceros obrados que actúan comoabsorbedores de neutrones (no sólo moderadores) y se utilizan en los reactoresnucleares para controlar los flujos de neutrones y, por lo tanto, las velocidades de fisión.

Base. También llamada álcalis, es una sustancia de sabor amargo que cambia el colorde los indicadores de manera opuesta al producido por los ácidos.

Cámara de niebla. Equipo con el que se observan las trayectorias de las partículas alfacuando las moléculas de vapor se condensan sobre ellas y forman rastros de niebla.

Cátodo. Electrodo negativo de un tubo de rayos catódicos.

Ciclotrón. Aparato en el que se aceleran partículas cargadas a través de un eje enespiral.

Configuración electrónica. Distribución específica de los electrones en los orbitales deátomos o iones.

Contador de centelleo. Equipo utilizado para la detección de la radiactividad.

Defecto de masa. Diferencia que existe entre la suma de la masa de todas laspartículas subatomícas individuales que forman un átomo y la masa real de dicho átomo.Cantidad de materia transformada en energía al construir un átomo a partir de suspartículas constitutivas.

Degenerado. De la misma energía.

Diamagnetismo. Repulsión débil por un campo magnético.

GLOSARIO

129

Electrón. Partícula subatómica con una masa de 0 00055 uma y una carga de 1-.

Energía termonuclear. Energía de las reacciones nucleares de fusión.

Energía de unión nuclear. Energía equivalente al defecto de masa. Energía liberada alformar un átomo a partir de partículas subatómicas.

Espectrómetro de masas. Instrumento que mide la relación de masa/carga departículas cargadas.

Estado excitado. Cualquier estado de un átomo o molécula distinto del estadofundamental.

Estado fundamental. Estado más estable o de menor energía de un átomo o molécula.

Fenolftaleína. Extracto que se emplea para identificar si una sustancia es ácido o base,de acuerdo con el color que adquiere, por lo que se dice que es un indicador ácido-base.

Fisión nuclear. La ruptura de un núcleo pesado para formar dos núcleos más ligeros.

Fluorescencia. Absorción por una sustancia de una radiación de elevada energía con lasubsiguiente emisión de luz visible.

Fotón. “Paquete” de luz de radiación electromagnética. También se le denomina cuantode luz.

Frecuencia. Intervalo de tiempo necesario para que pasen por un mismo punto doscrestas (o dos valles) de una onda.

Fusión nuclear. Combinación de dos núcleos ligeros para producir uno pesado.

Grupo. Columna vertical de la tabla periódica. También se le llama familia.

Isótopos. Dos o más formas de átomos de un mismo elemento. Átomos con el mismonúmero de protones, pero de diferente número de neutrones.

Línea espectral. Cualquiera de las líneas correspondientes a longitudes de ondadefinidas, que aparecen en un espectro atómico de emisión o absorción. Representan ladiferencia energética que hay entre dos niveles energéticos.

Longitud de onda. Distancia entre dos crestas (o dos valles) consecutivas de una onda.

Masa. Cantidad de materia que posee un cuerpo.

Masa crítica. La mínima masa de un núclido fisionable particular, en un volumendeterminado, necesaria para sustentar una reacción nuclear en cadena.

130

Moderador. Sustancia (hidrógeno, deuterio, oxígeno o parafina) capaz de disminuir lavelocidad de los neutrones por colisiones.

Molécula. Partícula producida por la asociación química de varios átomos y que puedeexistir estable en estado libre. En la época de Dalton se utilizaban como sinónimos lostérminos átomo y molécula. André Marie Ampere (1775-1836) empezó a utilizar lostérminos átomos y molécula en su sentido moderno.

Neutrón. Partícula subatómica neutra con una masa de 1.0087 uma.

Neutrón lento. Neutrón rápido que ha sido frenado por colisión con un moderador.

Neutrón rápido. Neutrón expulsado de una reacción nuclear con una gran energíacinética.

Núcleo. Es el centro pequeño, denso y cargado positivamente de un átomo. Contieneprotones, neutrones y otras partículas subatómicas.

Nucleones. Partículas contenidas en los núcleos.

Núclidos. Las diferentes formas atómicas de todos los elementos, a diferencia de“isótopos”, que se refieren solamente a las diferentes formas atómicas de un elementosimple.

Núclído hijo. Núcleo que se produce en una desintegración nuclear.

Núclido madre. Núcleo que experimenta la desintegración nuclear.

Número atómico. Número de protones del núcleo. Número entero que identifica a cadaelemento.

Partícula alfa ( α ). Núcleo de helio.

Partícula beta ( β ). Electrón emitido por un núcleo cuando un neutrón se desintegra enun protón y un electrón.

Periodo. Fila horizontal de la tabla periódica.

Plasma. Estado físico de la materia que existe a temperaturas elevadísimas y en el cualtodas las moléculas están disociadas y casi todos los átomos ionizados.

Principio de construcción progresiva. La configuración electrónica de cualquier átomose puede construir mediante el agregado sucesivo de un protón en el núcleo y unelectrón en los orbitales al átomo de hidrógeno hasta completar el número atómico delelemento por construir.

Protón. Partícula subatómica con una masa de 1.0073 uma y una carga de 1 + que seencuentra en los núcleos atómicos.

131

Quantum: Cantidad mínima de energía que puede emitirse, propagarse y absorverse.

Radiación. Partículas o rayos de elevada energía emitidos en los procesos dedesintegración radiactiva.

Radiactividad. Desintegración espontánea de núcleos atómicos.

Radioisótopo. Isótopo radiactivo de un elemento.

Radionúclido. Núclido radiactivo.

Rayo gamma. Radiación electromagnética de elevada energía.

Rayo catódico. Haz de electrones que van del electrodo negativo al positivo, en un tubode rayos catódicos.

Reacción en cadena. Reacción que una vez iniciada se mantiene y expande por símisma.

Reacción nuclear. Implica cambios en la composición del núcleo y puede emitir yabsorber enormes cantidades de energía.

Reactor generador. Reactor nuclear que produce más material fisionable del queconsume.

Reactor nuclear. Sistema en el cual las reacciones de fisión controladas generanenergía calorífica a gran escala que luego se convierte en energía eléctrica.

Regla de Hund. Se aplica cuando los electrones se agregan a orbitales de la mismaenergía (degenerados) lo deben hacer entrando un electrón en cada orbital, antes deque ocurra el apareamiento.

Trazador radiactivo. Pequeña cantidad de un radioisótopo que reemplaza a un isótopono radiactivo de un elemento compuesto cuyo curso quiere seguirse (por ejemplo, através del cuerpo) y cuyos productos de descomposición pueden detectarse por suradiactividad; también llamado marcador radiactivo.

Transmutación artificial. Reacción nuclear inducida artificialmente por bombardeo deun núcleo con partículas subatómicas o núcleos pequeños.

Vida media de un radionúclido. Es el tiempo requerido para que la mitad de unamuestra dada experimente desintegración radiactiva.

132

AGUILAR, A., J. Flores, J.: Una Ojeada a la Materia. Colección “La ciencia desdeMéxico”, núm. 3, Fondo de cultura Económica, México, 1986.

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WHITTEN, K.W. y K.D. Gailey: Química General. 1a. edición, Interamericana, 1987.



QUÍMICA II



2






3

INTRODUCCIÓN 5

CAPÍTULO 1. ENLACE IÓNICO Y METÁLICO 7

PROPÓSITO 9

1.1. ENLACE QUÍMICO 11

1.1.1 Electrones de Valencia 11

1.1.2 Regla de Octeto 12

a) Representación de Lewis o Símbolos Electrónicos 14

1.1.3 Propiedades Periódicas de los Elementos 17

a) Radio atómico 17b) Energía de ionización 19c) Electronegatividad 21

1.2 TIPOS DE ENLACE 26

1.2.1 Enlace Iónico o Electrovalente 26

a) Propiedades de los enlaces iónicos oelectrovalentes

28

1.2.2 Enlace Metálico 30

a) Propiedades de los metales 30b) Propiedades de los no metales 32

RECAPITULACIÓN 40ACTIVIDADES INTEGRALES 41AUTOEVALUACIÓN 43

Í N D I C E

4

CAPÍTULO 2. ENLACE COVALENTE 45

PROPÓSITO 47

2.1 MODELO DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS 49

2.1.1 Modelo de Enlace Covalente 502.1.2 Excepciones a la Regla del Octeto 562.1.3 Electronegatividad y polaridad 57

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR 59

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO 64

2.3.1 Grupos Funcionales 64

a) Alcoholes 65b) Aldehídos y Cetonas 72c) Ácidos carboxílicos 76d) Aminas 79

RECAPITULACIÓN 92ACTIVIDADES INTEGRALES 93AUTOEVALUACIÓN 97

RECAPITULACIÓN GENERAL 100

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN 101

AUTOEVALUACIÓN 103

ACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓN 105

GLOSARIO 106

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA 108

5

Cuando dos o más átomos se unen decimos que se presenta un enlace químico, dentrode estos enlaces intervienen un intercambio de electrones de valencia, los cuales sepueden representar mediante la estructura de Lewis o símbolo electrónico. Sinembargo, para poder entender este intercambio es necesario tener presente algunas delas propiedades de los elementos, tales como el radio atómico, la energía de ionización yla electronegatividad. Dentro de los enlaces químicos se identifican tres tipos deenlaces:

En enlace iónico o electrovalente, el cual se origina en el momento en que reacciona unmetal con un no metal, ejemplo de ello es el cloruro de litio (LiCl) que se encuentra enlas aguas minerales, o el cloruro de potasio (KCl) que normalmente, se encuentra en lasaguas purificadas comerciales.

Enlace Metálico, se observa cuando dos o más metales se unen, un ejemplo claro sonlas amalgamas, utilizadas por los dentistas, esta aleación consta de una proporción deplata (Ag) por otra de zinc (Zn). A partir de que tenemos esta unión podemos identificarcaracterísticas de los metales, tales como ser buenos conductores de corriente eléctrica,tienen brillo, entre otros.

Respecto a los enlaces covalentes tenemos que éstos se dan a partir de que un átomocomparte un par o más electrones con otros átomos, como ejemplo podemos mencionarlos compuestos formados por el átomo de carbono, el cual tiene la propiedad de generaruna gran gama de compuestos como son los alcoholes, los ácidos carboxílicos, losaldehídos, las cetonas, las aminas, entre otros.

En este fascículo tenemos como objetivo que identifiques los modelos de enlaceexistentes en los enlaces químicos; esto lo lograrás a partir de reconocer laspropiedades físicas y químicas de la materia, aplicando: el sistema de representación deLewis, prácticas de laboratorio y actividades relacionadas con dos enlaces iónico,metálico y covalente; con la finalidad de que puedas comprender las propiedades yestructuras de los compuestos, así como tener los antecedentes necesarios y poderadentrarte al estudio de interacción molecular.


7

ENLACES IÓNICO Y METÁLICO

1.1 ENLACE QUÍMICO

1.1.1 Electrones de Valencia1.2.1 Regla de Octeto1.1.3 Propiedades Periódicas de los Elementos

1.2 TIPOS DE ENLACE

1.2.1 Enlace iónico o Electrovalente1.2.2 Enlace Metálico

CAPÍTULO 1

9

En este capítulo identificarás los enlaces iónico o covalente y el enlace metálico;mediante la resolución de ejercicios y/o actividades relacionadas con la regla delocteto, las propiedades periódicas de los elementos y la realización de prácticas enlaboratorio.Esto te permitirá predecir el comportamiento físico y químico de compuestos en dondeintervienen enlaces iónicos y covalentes.

P R O P Ó S I T O

11

CAPÍTULO 1. ENLACES IÓNICO Y METÁLICO

1.1 ENLACE QUÍMICO

Al observar nuestro entorno veremos que está formado por gran variedad de materiales,constituidos, desde el punto de vista químico, por mezclas, compuestos, elementos, ysus átomos unidos por fuerzas de atracción que dan como resultado los enlacesquímicos; pero como los responsables de la unión química son los electrones externos oelectrones de valencia, es necesario entender la configuración electrónica de loselementos.

1.1.1 ELECTRONES DE VALENCIA

Los electrones de valencia, son aquellos electrones que se localizan en el último nivelde energía de un átomo, los cuales se pueden intercambiar a o compartir en losenlaces químicos. Por ejemplo:

Elemento Configuración electrónicaNúmero de electrones

de valencian =1 n = 2 n = 3

Litio Li3

Carbono C6

Cloro Cl17

ls2

1s2

ls2

2s1

2s2 2p2

2s2 2p6 3s2 3p5

1

4

7

¿Qué es valencia?

Valencia es la capacidad de combinación de un átomo para formar compuestos. Así, lavalencia del hidrógeno es uno, pues al combinarse siempre forma un enlace, como porejemplo:

12

La fórmula del agua es H2O, en donde el oxígeno presenta dos enlaces.

O

H H

En el caso del hidruro la valencia del litio es uno, ya que su fórmula es:

Li H Li - H

Observa que la valencia del litio coincide con su número de electrones de valencia(Li3=1s2 2s1)

En la fórmula del metano se observa que el carbono tiene una valencia de cuatro, lo quetambién coincide con su número de electrones de valencia (C6 = ls2 2s2 2p2).

METANO (CH4)

1.1.2 REGLA DEL OCTETO

En 1916 Gilbert M. Lewis y Walther Jossel propusieron esquemas muy similares paraexplicar el enlace entre los átomos, pues ambos establecieron que los átomosinteraccionan para modificar el número de electrones en sus niveles electrónicosexternos en un intento de lograr una estructura electrónica similar a la de un gas noble,teoría que se conoce como regla del octeto.

La estructura de un gas noble consta de ocho electrones en el nivel más externo, conexcepción del helio, en los que el nivel completo consiste sólo de los electrones. Así, deacuerdo con la forma más simple de la regla del octeto, los niveles electrónicos másexternos de la mayoría de los átomos, al combinarse, tienden a ganar, perder ocompartir electrones hasta que el número total de electrones es igual a ocho.

¿Qué elementos son considerados como gases nobles?

Lewis y Kossel afirmaron también que todos los gases nobles tienen completos loselectrones en sus órbitas, por lo cual concluyeron que esta estructura explicaba lainactividad química de estos elementos y que la tendencia a lograr estructuraselectrónicas similares a los gases nobles explicaba los enlaces químicos de todos loscompuestos.

H

H

HH C

13

Ejemplos.

El átomo de sodio tiene una energía de ionización baja y puede perder fácilmentesu electrón del subnivel 3s:

ls2 2s2 2p6 3s1 ls2 2s2 2p6 + e-

Átomo de sodio. Ion de Sodio

Observa que la estructura del ion de sodio es igual a al que tiene el gas de neón(Ne10=ls2 2s2 2p6), que tiene gran estabilidad.

Otros elementos ganan electrones para llenar con ocho electrones su último nivel,característica que se presenta con los no metales; por ejemplo, el cloro necesita unelectrón par completar su octeto.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 + e- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Átomo de cloro Ion de cloro

Figura 1. En este caso, la estructura electrónica del ion de cloro es igual a la del gas noble Argón (Ar 18) (1s2 2s2 2p6 3s2

3p6).

3s1

NaNa

Na

+ EI+ e-

octeto completo

3s2 3p5Cl0

Cl Cl

Cl-

octeto completo

Na +

+ e-

14

a) Representación de Lewis o símbolo electrónico.

Gilbert M. Lewis propuso un sencillo sistema para representar las estructurasmoleculares, el cual establece el uso del símbolo del elemento a utilizar y puntos querepresentan a los electrones de valencia.

Ejemplos

El sodio (Na) tiene 11 electrones, los cuales están distribuidos en las órbitas de Bohr, ycomo la última órbita alberga un electrón, su símbolo de Lewis es:

Na11

1s2 2s2 2p6 3s1

Na

Símbolo de Lewis

En este ejemplo podemos observar que el símbolo Na representa al núcleo del átomojunto con todos sus electrones, excepto la capa u órbita en donde se encuentran loselectrones de valencia, que en este caso es uno.

3s1

Distribución de loselectrones en lasórbitas de Bohr.

Na

15

Otro ejemplo es el de Bromo (Br) que tiene 35 electrones, los cuales están distribuidosen los subniveles, y como la última órbita alberga a siete electrones, su símbolo de Lewises:

Br35

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Br

Símbolo de Lewis

Distribución de los electrones delbromo en las diferentes órbitas.

Si tomamos en cuenta el número de los elementos representativos de la tabla periódicay le restamos 10 si es que es mayor de diez, obtenemos el número de electronescorrespondientes al último nivel. Por ejemplo, los elementos representativos de cadagrupo tienen los siguientes símbolos de Lewis:

1 2 13 14 15 16 17 18

H He B C N O F Ne

Nota: En los enlaces químicos podrás observar que la representación que se hace mediante el símbolo deLewis es por medio de puntos ( ) y equis (x), esto con la finalidad de mostrar la cantidad de electronesque se han cedido a un átomo

Br

16

Para cada uno de los siguientes símbolos elabora su configuración electrónica,distribuye los electrones en las órbitas correspondientes (modelo de Bohr), elabora surepresentación de Lewis, y, por último menciona si el átomo tiende a perder o a ganar.

a) Ca20

b) S16

c) Ag47


17

1.1.3 PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS

Algunas propiedades medibles de los átomos muestra una variación periódica en elnúmero atómico, características que se van describiendo mediante la variación depropiedades como el radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad(cabe hacer mención que existen más propiedades), que nos ayudarán a explicar elcomportamiento de los elementos químicos.

a) Radio atómico

Hablar del tamaño de un átomo es bastante impreciso, puesto que la nube electrónicaque rodea al núcleo no posee un límite definido ya que se desvanece gradualmente.Además, no es posible separar, estudiar y medir un átomo aislado; sin embargo, ladistancia del enlace entre los núcleos de dos átomos que se encuentran unidos entre síse pueden medir de varias maneras. De estas distancias de enlaces se derivan losradios atómicos.

El tamaño efectivo de un átomo puede variar según el enlace y el tipo de átomo con elque se encuentran unido; estas variaciones son muy pequeñas. En términos generalesse puede considerar que el radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos dedos átomos iguales unidas entre sí.

Figura 2. Partiendo de la idea de que el átomo tiene una forma esférica el radio atómico sería de esta manera.

¿Cómo varía el radio atómico en un período?

En general, los radios atómicos de los elementos dentro de un periodo disminuyen alaumentar la carga nuclear (figura 3), disminución que se da porque en la medida en queaumenta la carga positiva en el núcleo se ejerce una fuerza de atracción mayor sobre loselectrones, haciendo que el átomo sea más pequeño. Por lo tanto, el tamaño de losátomos se hacen progresivamente menor de izquierda a derecha dentro de cadaperiodo.*

* Nota. Recuerda que los átomos del tercer periodo van llenando los subniveles 3s y 3p, o sea que sus electrones externosson todos de un nivel n = 3. Así, conforme la carga nuclear se incrementa (hacia la derecha del periodo), el tamaño atómicodesminuye puesto que los electrones son atraídos con mayor fuerza hacia el núcleo.

18

Figura 3. Radio atómico de los elementos del periodo 3. En general, el tamaño de los átomos del periodo disminuye alaumentar la carga nuclear. Un manómetro es de 1 x 10- 9 m.

¿Cómo varía el radio atómico en un grupo?

Si observas con detenimiento a los elementos del grupo 1 (metales alcalinos), podrásidentificar que al aumentar el número atómico aumenta el nivel de energía que ocupa elelectrón más externo y, por lo tanto, el radio atómico, lo cual significa un incremento enel número de protones, es decir, de la carga nuclear completa, factor que tiende adisminuir el tamaño atómico; sin embargo, esto se ve contrarrestado porque el númerode electrones internos aumenta, también, de átomo en átomo en un grupo. Porconsiguiente, en un mismo grupo el radio atómico aumenta de la parte superior a lainferior (figura 4).

0.152 0.186 0.231 0.244 0.262

Figura 4. Radio atómico en la familia de los metales alcalinos. El tamaño de los átomos en una familia aumenta dearriba a abajo, porque cada átomo contiene progresivamente más electrones en un nivel principal de energíamás externo.

Na Mg Al Si P S Cl

0.186 nm 0.160 nm 0.143 nm 0.118 nm 0.110 nm 0.104 nm 0.099 nm

LiCsRbKNa

19

Con ayuda de la tabla periódica ordena de mayor a menor radio atómico los siguienteselementos: Ca, S, Br, Si, Sn.

b) Energía de ionización

Cuando un átomo neutroaislado en su estado fundamental absorbe energía un electrónpuede elevarse de un nivel de energía a otro; pero si se suministra la energíarequerida, el electrón se elimina por completo del átomo, formándose un ionpositivo, proceso que recibe el nombre de ionización y la energía mínima requeridapara llevarlo a cabo se denomina energía de ionización. Por lo demás, el electrón quetiene mayor posibilidad de ser removido de un átomo, es el más lejano.

Cuando un átomo asilado se encuentra esencialmente libre de la influencia de cualquierotro átomo cercano, ello significa que la ionización se realiza en estado gaseoso. Deeste modo, debido a que se puede eliminar más de un electrón de un átomo, la energíarequerida para general el proceso se denomina primera energía de ionización (EI1).

M(g) + EI1 M+ (g) + e-

Asimismo, la segunda energía de ionización (EI2) es la que se requiere para remover unsegundo electrón, es decir:

M+ (g) + EI2 M2 + (g) + e-

La energía de ionización se acostumbra expresarla en kilojoules por mol, lo quecorresponde a la energía necesaria para ionizar un mol de átomos. Por ejemplo:

Para una primera ionización del sodio:

Na + 496 KJ/mol Na+ (g) + e-

Para una segunda ionización del sodio:

Na+ + 4 565 KJ/mol Na2+ (g) + e-


20

El valor de la energía de ionización depende de varios factores.

La carga nuclear. Como la carga nuclear atrae a los electrones, es más difícil separarun electrón de un átomo con número atómico grande en un mismo periodo (tabla 1).

Radio atómico. Mientras más alejando esté un electrón de su núcleo, resulta más fácilsepararlo del átomo, ya que la atracción es inversamente proporcional al cuadrado de ladistancia, situación que se observa en un mismo grupo (tabla 1).

Efecto pantalla o protector. Los electrones internos de un átomo evitan que el núcleoatraiga con toda su efectividad a los electrones más externos. Por lo tanto, a mayorcantidad de electrones internos mayor efecto pantalla, y, por lo tanto, será más fácilseparar a un electrón (tabla 2).

Tabla 1. Energías de ionización de algunos elementos*

Cantidades necesarias de energía (kJ/mol)Elemento 1o. e- 2o. e- 3o. e- 4o. e 5o.e-

H

He

Li

Be

B

C

En

Nao

1 312

2 372

520

900

800

1 088

2 080

496

5 427

7 297

1 757

2 430

2 352

3 962

4 565

11 810

14 845

3 659

4 619

6 276

6 912

21 000

25 020

6 222

9 376

9 540

32 810

37 800

12 190

13 355

*Los valores se expresan en kilojoules por mol, mostrando las energíasnecesarias para sacar de uno a cinco electrones por átomo. Las cantidadessubrayadas indican la energía necesaria para sacar un electrón de unaestructura electrónica de gas noble.

21

Tabla 2. Primeras energías de ionización en un grupo y en un periodo (los valores de laenergía de ionización están en KJ/mol).

Li3520

Be4900

B5800

C61 086

N71402

O81 314

F91 681

Ne102 080

Na11496K19419Rb37403Cs55376

De acuerdo con la tabla 1, explica por qué para eliminar un electrón de la última capa deflúor se necesita más energía de ionización que para eliminar un electrón de la últimacapa de sodio.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) Electronegatividad

La electronegatividad es un índice que representa la tendencia de un átomo paraatraer hacia sí electrones cuando se encuentran en un enlace químico. Esta teoríafue propuesta en 1932 por el químico estadounidense Linus Pauling, quien ademásdestacó que la distribución de la nube electrónica de los electrones que forman unenlace varía, pues si A y B son dos elementos con electronegatividad semejante,ninguno de los dos atrae hacia sí los electrones de enlace:

A B

disminuye

aumenta


22

Por el contrario, si A es más electronegativo que B, entonces los electrones deenlace se carga hacia él.

A x B

Linus Pauling también desarrolló una escala de electronegatividades relativas, en la quese asignan un valor de 4.0 al flúor, que es el elemento más electronegativo de la tablaperiódica.

En la siguiente tabla se puede observar que la electronegatividad relativa de los nometales es alta y la de los metales es baja: esta electronegatividad indica que los átomosde los metales tienen mayor probabilidad de perder electrones que los átomos de los nometales, pues mientras mayor sea el valor de la electronegatividad, mayor es laatracción hacia los electrones de enlace.

Es importante mencionar que en este caso los gases nobles no participan en laelectronegatividad.

23

24

1. ¿Por que el radio atómico de los elementos de un mismo periodo disminuye deizquierda a derecha?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Qué factores influyen en la energía de ionización?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Con ayuda de la tabla de las propiedades periódicas (página anterior), orden demayor a menor electronegatividad los siguientes elementos: Oxígeno (O8), Sodio(Na11), Azufre (S16), Criptón (Kr36), Bario (Ba56) y Carbono (C6). Si alguno de loselementos no cuenta con electronegatividad argumente porque.

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

¿Por qué? _______________________________________________________________________________________________________________________________

4. De todos los elementos del segundo periodo (Li3 hasta Ne7) indica:

a) Cuál tiene mayor electronegatividad?_____________________________________________________________________________________________________

b) ¿Cuál el menor radio atómico? __________________________________________________________________________________________________________

c) ¿Cuál es el metal más activo?___________________________________________________________________________________________________________

d) ¿Cuál tiene la mayor energía de ionización? _______________________________________________________________________________________________


25

El enlace químico es el resultado de la unión que se da entre dos o más átomos. Sinembargo, los responsables de que dicho enlace se lleve a cabo son los electrones devalencia, los cuales se localizan en el último nivel de energía de cada átomo. Alrespecto, Gilbert M. Lewis y Walter Jossel en 1916 plantearon que la mayoría de losátomos tenían la propiedad de ceder o recibir electrones, de tal manera que su últimaórbita tenga 8 electrones. A este planteamiento se le conoce como la regla del octeto.

Tiempo después, Lewis propuso una forma de hacer una representación atómica, endonde se hacía énfasis en los electrones de valencia.

Sin embargo, para poder entender qué es lo que sucede en cada uno de los diferentesenlaces se requiere conocer las propiedades que tiene cada uno los elementos queintervienen, por lo tanto se recomiendan algunas de ellas: radio atómico, energía deionización y electronegatividad.


26

1.2 TIPOS DE ENLACE

En ocasiones, la forma en que los átomos completan sus octetos es mediante lacompartición de electrones, lo que se observa en

Elemento Enlace

Nax + Cl Na+ xCl -

Así los enlaces químicos se clasifican en :

iónico o electrovalente

puroEnlace químico covalente polar

coordinado

metálico

(En este capítulo estudiaremos dos tipos: de enlace el enlace iónico o electrovalente y elenlace metálico)

1.2.1 ENLACE IÓNICO O ELECTROVALENTE

Cuando un metal reacciona con un no metal para adquirir la estructura de un gasnoble inmediato, se transfieren uno o más electrones de los átomos del metal a losátomos del no metal y se forman un enlace iónico o electrovalente; los átomos de losmetales se convierten en iones positivos o cationes por la pérdida de electrones, y losátomos de los no metales, al ganar electrones, forman iones negativos o aniones; losiones formados se atraen entre sí y se forma un enlace de naturaleza eléctrica. Porejemplo:

Ca O

Elemento Configuración Electrónica Símbolo electrónico

Ca20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 Ca

O8 1s2 2s2 2p4 O

Ca + O Ca2+ O 2-xx

xx

27

Como se observa en este ejemplo el calcio (Ca20) cede los dos electrones que seencuentran en la órbita más externa, en tanto que el átomo de oxígeno (O6) incorporaestos dos electrones a su último nivel, quedando el calcio con una carga positiva y eloxígeno de forma contraria. Por lo tanto, podemos decir que el enlace iónicoelectrovalente se debe a la atracción electrostática de iones de signos contrarios, queresulta de la transferencia de electrones de un átomo a otro. En la reacción, el númerototal de electrones perdidos por los átomos de calcio involucrados en la reacción debeser igual a el número total de electrones ganados por los átomos de oxígeno por loconsiguiente el número de iones positivos y negativos es el mismo. Estos iones seatraen mutuamente y forman un cristal.

El ion (la palabra proviene del griego y significa caminante) se utiliza para designar a unátomo o grupo de ellos cuando se encuentran cargados positiva o negativamente porhaber ganado o perdido electrones. Asimismo, al formarse los iones, los átomos secomportan de acuerdo con la regla del octeto. Tomemos como ejemplo los átomos depotasio (K) y cloro (Cl) representando su nivel exterior.

K Cl

El potasio cumple con la regla del octeto al perder el electrón del nivel exterior, formandoel ion potasio con carga positiva, K+.

K + El K+ + e-

catión

El cloro, al ser el receptor del electrón que perdió el potasio, cumple con la regla elocteto y completa con ocho los electrones del último nivel de energía, con lo cual seformará el ion cloruro, Cl-.

Los iones se enlazan como un conjunto y se arreglan en el estado sólido, siguiendo unpatrón tridimensional que forma una red cristalina, en donde los iones positivos ynegativos ocupan posiciones específicas de acuerdo con su tamaño y carga.

28

El berilio (grupo 2) y el flúor (grupo 7) reaccionan entre sí para formar fluoruro de berilio(BeF2) de manera análoga al sodio y al cloro, pero con la diferencia de que el átomo deberilio cede los dos electrones y cada flúor acepta sólo uno.

fórmula: Be F2

Representación de Lewis Be , F F1

Enlace iónico

1- 1-

Be + 2 F F Be 2+ F

Como se observa, el cloro y el flúor son elementos con un comportamiento semejante alunirse a los metales, pues ambos ganan un electrón formando iones negativos, lo cualdemuestra que los elementos de una misma familia actúan en forma similar.

De manera conjunta podemos decir que un enlace iónico o electrovalente se formaentre elementos de baja electronegatividad (que ceden electrones) con otros de altaelectronegatividad (ganan electrones); arbitrariamente se ha fijado que la diferencia deambas electronegatividades deben ser mayor que 1.7 para que el enlace que seforme se considere iónico.

Na (sodio) 0.9 3.0 -0.9 = 2.1

Cl (cloro) 3.0 Diferencia deelectronegatividades

Be (berilio) 1.5 4.0 - 1.5 = 2.5F (flúor)4.0 Diferencia de

electronegatividades.

a) Propiedades de los enlaces iónicos o electrovalentes.

Por lo general, los compuestos iónicos o electrovalentes son sólidos a temperaturaambiente, con punto de fusión y ebullición altos, con frecuencia superiores a 500º C,lo cual se debe a la gran cantidad de energía que se necesita suministrar para vencerlas grandes fuerzas electrostáticas atractivas entre los iones de carga opuesta.

1Esta representación se puede expresar, también, de la siguiente manera 2 F

29

Los compuestos iónicos, por otra parte, son buenos conductores de la energíacuando están fundidos o en solución acuosa, ya que los iones tienen la libertad demovimiento características de un líquido, aunque en estado sólido son malosconductores porque los iones permanecen inmóviles. Asimismo, gran parte de loscompuestos iónicos son solubles en disolventes polares como el agua y, en general, soninsolubles en solventes no polares orgánicos (éter, hexano).

1. ¿Qué es un enlace químico y de qué depende su formación?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Cita la regla de octeto.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Indica si tienden a aceptar, ceder o compartir electrones los elementos que tienen:

a) Electronegatividad muy baja, como los metales. ___________________________b) Electronegatividad muy alta, como los no metales._________________________

4. Para cada una de las siguientes fórmulas realiza: su configuración electrónica, aplicala regla del octeto, elabora su representación de Lewis, desarrolla el enlace iónico y,por último, señala que elemento es catión y cuál anión.

Li2 O

Mg Cl2

Cs I


30

1.2.2. ENLACE METÁLICO

El enlace metálico es entendido como la unión de dos o más metales. En estesentido, las propiedades físicas y químicas de los metales no pueden explicarse pormedio de la formación de enlaces iónicos o covalentes. Por tanto, un metal estáformado por una red rígida de iones positivos sumergidos en una nube de electroneslibres (electrones deslocalizados).

Figura 5. Representación gráfica de una nube de electrones libres.

a) Propiedades de los metales

Los metales son en su mayoría sólidos a temperatura ambiente, con excepción delmercurio y del galio que son líquidos. Las propiedades de los metales se clasifican enfísicas y químicas.

Propiedades físicas

1. Son buenos conductores del calor y de la electricidad.

2. Son maleables (se moldean con facilidad y se pueden laminar).

3. Son dúctiles (se estiran con facilidad y se pueden hacer hilos como los alambresconductores).

4. Presentan brillo metálico.

5. Son sustancias duras con elevados puntos de fusión.

Propiedades químicas

1. Los metales tienden a perder o donar electrones cuando se combinan, adquiriendouna o más cargas positivas.

2. Cuando se combinan con el oxígeno, forman óxidos básicos.

3. Con los no metales forman sales.

4. Con el hidrógeno forman hidruros.

31

Aplicación de algunos metales en la vida cotidiana

Plomo

Se utiliza para construir las placas de los acumuladores. Al fundirse con el litio se forman placas de muy alta densidad, por lo que se usan parahacer protectores contra la radiactividad.

Oro

Acuñación de monedas Manufactura de joyas Prótesis dentales Base del sistema monetario Chapeado de piezas metálicas.

Plata

Acuñación de monedas Fabricación de utensilios Plateado de los espejos Fabricación de sales empleadas en fotografía, como el bromuro de plata Objetos de orfebrería artística.

Cobre

En la industria eléctrica para fabricación de conductores eléctricos y componentes paraaparatos electrónicos.

Electrónicos. Se emplea en calderas Fabricación de aleaciones como latones o bronces Conductores de calor.

Aluminio

Como conductor eléctrico en lugar del cobre por su menor peso Sus aleaciones se usan en motores de combustión interna en los pistones. En láminas, perfiles, varillas, tubos y molduras.

32

b) Propiedades de los no metales

A manera de información te presentamos algunas de las características de los nometales, que (de igual manera) te pueden servir para hacer contrastes o identificar lasdiferencias que existen con los metales.

Los no metales se encuentran en la naturaleza en los tres estados de agregación:sólido, líquido y gaseoso a temperatura ambiente, sus propiedades se clasifican enfísicas y químicas.

Propiedades físicas

1. No tienen aspecto ni brillo metálico2. No son dúctiles, ni maleables, ni tenaces, más bien son quebradizos en su fase

sólida.3. son malos conductores del calor y de la electricidad.

Propiedades químicas.

1. Los no metales al reaccionar ganan electrones y, por lo tanto, adquieren una o máscargas negativas.

2. Al combinarse con el oxígeno forman óxidos ácidos3. Con los metales forman sales.

Por otro lado, una de las propiedades de los metales es su gran capacidad para conducirla energía eléctrica, facilidad de conducción que nos indica que en los metales existenelectrones de valencia circulando en libertad por ciertos niveles de energía del conjuntode átomos que forma el trozo metálico. Así, el enlace metálico nos permite explicar latenacidad, la alta densidad, la maleabilidad y la ductibilidad de los metales.

La alta conductividad2 eléctrica y calorífica de los metales se debe al enlace metálico.Asimismo, el hecho de que los electrones circulen libremente por el metal nos indica quealgunos de los electrones de los átomos metálicos no pertenecen a un átomo enparticular, sino al sólido entero. Si uno de los extremos de una pieza metálica secalienta, los electrones de esa zona se mueven más rápido que los electrones de lazona fría y muy pronto alcanzarán el extremo frío, calentándolo a su vez. Así, elmovimiento de los electrones de valencia en los metales y su intercambio deenergía cinética son análogos al movimiento de las moléculas de un gas.

Un metal consta de iones cargados positivamente , fijos en la red metálica, conelectrones que se mueven con libertad a través del sólido y actúan como una fuerza decohesión, sin la cual los iones positivos se repelerían, por ello se dice que los electronesmóviles son responsables del enlace metálico.

2 En este caso, la conductividad está relacionada con la propiedad que tiene el metal para permitir el paso de calor oelectricidad.

33

Los metales se caracterizan, además, por ser sólidos y no volátiles, con excepción delmercurio; sus puntos de fusión se encuentran comprendidos en un intervalo muy amplio,pues van desde temperaturas ligeramente superiores a la del ambiente hasta los milesde grados, ejemplo que tenemos en:

Cs con punto de fusión de 29º CW con punto de fusión de 3 380º C

Sus electrones libres son responsables de que sean excelentes conductores de lacorriente eléctrica y del calor, así como de la capacidad de reflejar la luz, lo cual losprovee de su característico brillo metálico.

Dependiendo de los elementos que intervengan en una mezcla o en un compuesto sepuede saber si se esta llevando a cabo un enlace iónico o un enlace metálico, en elprimer caso encontramos que ocurre cuando un metal reacciona con uno no metal,dándose como resultado una red de cristales, los cuales tienen punto de fusión y deebullición elevado cuando son sólidos; enlaces metálicos, éstos se identifican cuando sepresenta de manera líquida o acuosa son buenos conductores. En lo que se refiere alos enlaces metálicos, estos se identifican cuando uno o mas metales se unen, loscuales tienen la propiedad de ser buenos conductores de calor, presentan brillo,etcétera.


34

“ENLACES IÓNICOS Y METÁLICOS” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Identificar algunas propiedades en metales y compuestos iónicos de maneraexperimental para relacionarlos con el tipo de enlace que presentan.


1) ¿Cuál es el concepto de enlace químico? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo se forma el enlace iónico? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Cómo se forma el enlace metálico? __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) ¿Cuáles son las características de los compuestos que presentan enlace iónico?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Cuáles son las propiedades derivadas del enlace metálico? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


35

Experimento I

Objetivo

Determinar la conductividad de algunas sustancias para relacionarlas con el enlace quepresentan.

¿Qué necesitas?


☞ 1 circuito eléctrico con socket y foco ☞ 2 g de cloruro de sodio☞ 4 vasos para precipitado de 100 ml ☞ 2 g de bromuro de sodio☞ 1 probeta de 50 mL ☞ 2 g de yoduro de potasio

☞ 1 lámina de cobre☞ 1 lámina de zinc☞ 1 lámina de aluminio☞ 1 lámina de plomo☞ 1 lámina de niquel☞ 1 lámina de hierro☞ 200 mL de agua destilada.


La indicada para trabajar con un circuito eléctrico y con material de vidrio.

¿Cómo hacerlo?

Instala el circuito eléctrico y comprueba su funcionamiento.

Figura 6. Circuito eléctrico.

ElectrodosAgua

36

Numera los vasos de precipitado de 1 al 4 y coloca en ellos las sustancias como seindica en la figura 7.

Figura 7. Soluciones iónicas para la conductividad eléctrica.

Introduce los electrodos del circuito en el vaso 1 cuidando que no se junten, observa quepasa al foco y regístralo. Saca los electrodos del vaso y enjuágalos.

Repite el procedimiento con los vasos 2 al 4.

Coloca un electrodo del circuito eléctrico en un extremo de la lámina de cobre y el otroelectrodo en el otro extremo. Observa que pasa al foco y regístralo en al tabla anexa.

Repite el procedimiento con las otras láminas.

Hipótesis

Una vez que haz revisado el procedimiento elabora una hipótesis, haciendo énfasis en larelación de la conductividad de las sustancia y el tipo de enlace que se presenta.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Anota tus observaciones en la siguiente tabla.

SUSTANCIAS CONDUCE LAELECTRICIDAD

SI / NO¿POR QUÉ?

AGUADISOL. DE CLORURO DE SODIODISOL. DE BROMURO DE SODIODISOL. DE YODURO DE POTASIOCOBREHIERRONIQUELZINCPLOMOALUMINIO

37

Experimento II

Determinar la solubilidad de algunas sales para relacionarla con el tipo de enlace quepresentan.

¿Qué necesitas?


☞ 9 tubos de ensaye 10 x 100 mm ☞ 1.5 g de cloruro de sodio☞ 1 gradilla ☞ 1.5 g de bromuro de sodio☞ 3 probeta de 10 mL ☞ 1.5 g de yoduro de potasio

☞ 15 mL de agua☞ 15 mL de tetracloruro de carbono☞ 15 mL de etanol


La indicada para trabajar con material de vidrio.

Tetracloruro de carbono.- Líquido incoloro muy volátil e inflamable, irrita los ojos, seabsorbe por la piel, muy tóxico al ingerirse, su inhalación provoca dolor de cabeza,confusión, depresión, náuseas y vómito

Etanol líquido.- Líquido incoloro, muy volátil, inflamable, de olor agradable, poco tóxicopor ingestión.

¿Cómo hacerlo?

Numera los tubos del 1 al 9 y coloca en cada una 0.5 g de las siguientes sustancias.

Tubos

1, 4 y 7 0.5 g de cloruro de sodio2, 5 y 8 0.5 g de bromuro de sodio3, 4 y 9 0.5 g de yoduro de potasio

Agrega.

5 mL de agua a los tubos 1, 2 y 35 mL de tetracloruro de carbono a los tubos 4, 5 y 65 mL de etanol a los tubos 7, 8 y 9

Agita suavemente cada uno de los tubos y observa si se disolvió el sólido, regístralo

38

Precaución

Recuerda que el tetracloruro de carbono es muy tóxico evita su inhalación y su contacto,si sufres alguna salpicadura o derrame llama inmediatamente a tu asesor o al conductorde laboratorio.

Hipótesis

Elabora una hipótesis en relación a la solubilidad y al tipo de enlace que presentan lassustancias.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Registra la solubilidad observada en cada uno de los tubos en la siguiente tablautilizando el código.

M: muy soluble R: poco soluble N: nada soluble

Disolvente sólido Agua Tetracloruro deCarbono

Etanol

Cloruro de sodioBromuro de sodioYoduro de potasio


1) ¿Qué tipo de enlaces presenta el agua? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) ¿Cómo es la polaridad de la molécula del agua? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) ¿Qué tipo de enlaces presenta el tetracloruro de carbono? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

39

4) ¿Cómo es la polaridad de la molécula de tetracloruro de carbono? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) ¿Qué tipo de enlaces presenta el etanol? ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) ¿Cómo es la polaridad de la molécula del etanol? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7) ¿Qué tipo de enlace presentan el cloruro de sodio, el bromuro de sodio y el yoduro depotasio?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusión

A partir de los resultados obtenidos ¿qué puedes concluir sobre los tipos de enlaces?_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

40

En este esquema podrás identificar los conceptos más importantes y la secuencia con laque se desarrolló el capítulo, lo cual te permitirá hacer una síntesis del mismo.

ENLACE IÓNICO YMETÁLICO

ENLACE QUÍMICO TIPOS DE ENLACE

ELECTRONESDE VALENCIA

REGLA DELOCTETO

PROPIEDADESPERIÓDICAS DE

LOS ELEMENTOS

IÓNICOSELECTROVALENTE

METÁLICOS

REPRESENTACIÓNDE LEWIS

PROPIEDADES PROPIEDADES

RADIOATÓMICO

ELECTRONEGATIVIDAD

ENERGÍA DE IONIZACIÓN QUÍMICASFÍSICAS

el cual sedivide en

consta de

empleando la algunas de ellas son el que menciona sus y sus

que son

RECAPITULACIÓN

son

41

Estas actividades tienen como finalidad que apliques los conocimientos adquiridos con elestudio de este capítulo.

Lee con atención las siguientes preguntas y marca con una “x” la opción que considerescorrecta.

1. La electronegatividad se define como la capacidad que tiene un elemento de:

a) Ceder electrones en los enlaces.b) Atraer electrones en un enlace.c) Atraer neutrones.d) Atraer protones.

1. ¿En cuál de los siguientes compuestos se presenta enlace iónico?

a) NH3b) LiFc) Cl2d) O2

3. De los siguientes conceptos ¿cuál no es una propiedad periódica?

a) Energía de ionización.b) Afinidad electrónica.c) Electronegatividad.d) Valencia.

4. Los compuestos con enlace iónico:

a) En estado sólido conducen la corriente eléctrica.b) Tienen bajos puntos de fusión y ebullición.c) Forman moléculas bien definidas.d) Forman redes iónicas.

5. Una característica del enlace metálico es tener electrones:

a) Deslocalizados.b) Compartidos.c) Apareados.d) Libres.


42

6. En una sal como el fluoruro de potasio (KF) podemos suponer (dada la grandiferencia de electronegatividad entre el potasio y el flúor) que se encuentra presenteun enlace:

a) Electrovalente.b) Covalente.c) Metálico.

7. Los iones con carga eléctrica negativa se llaman:

a) Cationes.b) Cátodos.c) Aniones.d) Ánodos.

8. Los átomos se reúnen compartiendo, cediendo o ganando electrones para completarel último nivel con un número de electrones igual a:

a) 6.b) 8.c) 18.d) 32.

9. Cuando un compuesto presenta un elevado punto de fusión, se debe a que tieneenlaces:

a) De hidrógeno.b) Covalentes.c) Iónicos.

10.Una sustancia que sólo conduce la corriente eléctrica cuando está fundida o ensolución presenta enlaces:

a) Covalentes.b) Metálicos.c) Iónicos.

11. Conforme a la teoría de Pauling, el flúor tiene una electronegatividad de 4.0 y elfrancio de 0.7. ¿Qué tipo de enlace formarán estos elementos?

a) Covalente.b) Metálico.c) Iónico.

12. Los compuestos unidos por enlace metálico se caracterizan por ser:

a) Malos conductores del calor.b) Poco dúctiles.c) Maleables.d) Solubles.

43

A continuación se presentan las respuestas de las Actividades Integrales, verifica tusresultados.

1. b) 7. c)

2. b) 8. b)

3. d) 9. c)

4. d) 10. c)

5. d) 11. c)

6. a) 12. c)

AUTOEVALUACIÓN

45

ENLACE COVALENTE

2.1 MODELOS DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS

2.1.1 Modelo de Enlace Covalente2.1.2 Excepciones a la Regla del Octeto2.1.3 Electronegatividad y Polaridad

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO

2.3.1 Grupos Funcionales

CAPÍTULO 2

47

Qué vas a aprender.

En este capítulo identificarás el modelo covalente y su aplicación en la formación demoléculas.

Cómo lo lograrás.

Mediante la realización de actividades experimentales y realizando reflexiones sobre elcontenido

Para qué te va a servir.

Para comprender los diferentes fenómenos que se presentan en los enlaces químicos,principalmente en aquellos que se derivan de los hidrocarburos.

P R O P Ó S I T O

49

CAPÍTULO 2. ENLACE COVALENTE

2.1 MODELO DE LEWIS EN ELEMENTOS NO METÁLICOS

Recuerda que en el modelo de Lewis se infiere la estructura de los átomos a partir de sucomportamiento químico y se utiliza para explicar de la mejor manera posible, laspropiedades que presentan, cuando se combinan entre sí.

Lo primero que se debe considerar es que las características de los átomos aisladospermitirán predecir la manera en que formarán compuestos. Asimismo, elcomportamiento químico de los elementos tiene relación con los electrones del nivel deenergía más externo de los átomos, los cuales se denominan electrones de valencia, yparticipan en la formación de los compuestos.

En el capítulo anterior se estudió que los modelos atómicos de Lewis son unarepresentación sencilla, en donde, primero se anota el símbolo del elementocorrespondiente, y posteriormente se señalan los electrones de valencia, alrededor deéste, ya sea con puntos (.) o con equis (x). Esto es lo que se conoce como estructura deLewis.

Si se le considera que el número de electrones de valencia, para el elementorepresentativo, corresponde al número del grupo al que pertenece en al tabla periódica(restando 10 si el grupo es mayor a diez), de acuerdo con el modelo de Lewis el litio (Li3)pertenece al grupo 1 y se representa de la siguiente manera.

Su configuración electrónica es:

Li3 1s2 2s1, en donde su número de electrones de valencia es 1.

Por tanto, la estructura de Lewis es:

Li o Li

¿Cuál será la estructura de Lewis para los elementos del sodio (Na11) y el argón (Ar18)?

50

2.1.1 MODELO DE ENLACE COVALENTE

Se dice que hay una unión química entre dos átomos cuando las fuerzas que actúanentre ellos son tan grandes que permiten la formación de un agregado con suficienteestabilidad para que se le considere una especie molecular independiente. Lo primeroque debe examinar es la naturaleza de las fuerzas que actúan entre estos átomos.Recuerda que en el modelo de enlace iónico, las fuerzas se deben a la atracciónelectrostática entre dos iones de cargas opuestas, los cuales se formaron por latransferencia de electrones entre átomos con diferente electronegatividad de tal maneraque los átomos adquieren, al combinarse, la estructura electrónica estable de los gasesnobles.

¿Cómo se combinan los átomos de los elementos que tienen similar electronegatividad?

Lewis propuso que para adquirir estos átomos una estructura electrónica establedeberían compartir un par o más de electrones con otro átomo. Esta unión seconoce con el nombre de enlace covalente, un ejemplo de ello es la molécula del agua(H2O), en donde el oxígeno (ubicando en el grupo 16) puede llenar un octeto al compartirun electrón con cada hidrógeno:

H O H H O

H

x electrones de valencia del hidrógeno• electrones de valencia del oxígeno En la molécula de tetracloruro de carbono (CCl4) cada átomo de cloro comparte un parde electornes con el carbono, con el objeto de que todos los átomos adquieranestructura de gas noble.

¿Cuál sería la estructura de Lewis de las siguientes moléculas: dióxido decarbono (CO2), metanol (CH3-OH), Oxígeno (O2) y metano (CH4)?

o también se puede respresentarde la siguiente manera

Cl C Cl

Cl

Cl

x Electrones de valencia cloro Electrones de valencia del carbono

51

En 1874 Jacobus Van´t Hoft y Joseph Le Bel señalaron que los cuatro enlaces delcarbono están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro en la mayoría de suscompuestos. Con base en esta teoría Lewis propuso una estructura diferente para loscompuestos del carbono, en la que los cuatro pares de electrones se distribuyen en unarreglo tetraédrico.

Estructura de Jacobus para el carbono Estructura de Lewis para el carbono

Figura 8.

Aunque Lewis aceptó que su modelo tenía limitaciones, puesto que no explicabamuchos fenómenos, lo cierto es que interpreta satisfactoriamente multitud de evidenciasexperimentales de tipo químico, especialmente de los compuestos del carbón, el cualsatisface la regla del octeto en las moléculas donde participa. Por ello gran parte de laQuímica puede abordarse con el uso exclusivo de este modelo. Otra modificación almodelo de Lewis consiste en indicar con una línea a los pares de electrones, en especiallos de enlace. Para lo cual te proponemos llevar a cabo la siguiente secuencia.

a) Mostrar la estructura de Lewis, en donde se cumpla la regla del octeto.

b) Representar con una línea los pares de cada enlace

A continuación te presentamos un ejemplo de la molécula de cloroformo (CHCl3)

Se escriben todos los Los pares de enlace con Todos los pares no Los pares (líneas) no electrones de valencia una línea enlazantes con línea enlazantes se eliminan

Cl C H

Cl

Cl

CCl H

C

Cl

C H

Cl

Cl

Cl

C H

Cl

Cl

Cl

52

Considerar que los átomos de una molécula tenderán a acomodarse, de tal forma quetodos adquieran una configuración estable a la cual corresponde a ocho electrones o loque se conoce como la regla del octeto. (Cabe hacer mención que cuando un átomotiene un número de electrones de valencia de 1, 2 ó 3 éste pueda perder electrones;pero si este número es de 4 podrá ganar o perder electrones, esto estará en funciónde con quién se una; y si el número de electrones de valencia es de 5, 6 ó 7 el átomoganará electrones hasta completar ocho electrones), por ejemplo, para un compuestoformado por dos átomos A y B se podrán tener las siguientes posibilidades.

Átomos A y B

1. enlace sencillo 2. enlace doble 3. enlace triple

Es posible el primer caso si se tiene un total de 14 electrones de valencia; el segundorequiere 12 electrones de valencia y el tercero 10; por lo tanto, el número de electronescompartidos entre dos átomos es de 8(2)-e, donde e es igual al número total deelectrones de valencia.

Otro ejemplo es la molécula de etanol (C2 H6O), que es el alcohol de las bebidas y el demás uso en la mesa:

Primero se escriben las estructuras de Lewis para cada átomo, los que se colocan enforma simétrica.

En seguida se reordenan los electrones y se forma un enlace covalente entre cada parde átomos.

Observa que hay sólo dos enlaces dobles entre octetos: uno es el C-C y el otro el C-O.

A BA B A B

H C C O H

H

H

H

H

CH C O H

H

H H

H

53

Posteriormente se distribuyen los electrones restantes, de tal forma que cadaelemento tenga o complete ocho electrones, excepto el hidrógeno que sólo tiene dos.Por último, se verifica que el número de electrones de valencia sea veinte, ya que no sedeben agregar ni eliminar éstos durante el proceso. Asimismo, si no hay suficienteselectrones para formar los octetos, se distribuirán los electrones no compartidospara formar enlaces dobles y triples.

Veamos ahora la estructura de Lewis para el ácido sulfúrico (H2SO4):

a) Como primer paso se coloca el átomo de azufre (s) en la parte central.

b) Posteriormente se colocan los oxígenos (O) alrededor del azufre (de manerasimétrica).

c) Por último, los hidrógenos (H) se unen con dos de los oxígenos.

Estructura de Lewis para cada átomo Enlaces covalentes

Figura 9.

Como se advierte, la única forma de que los átomos de oxígeno y azufre cumplan con laregla del octeto es que el azufre proporcione los dos electrones de cada enlace entre losátomos de oxígeno que no están enlazados a átomos de hidrógeno. A éste se le llamaenlace covalente coordinado, es decir, se forma cuando los electrones proporcionan unosolo de los átomos que participan en la formación del enlace. Éste puede representarsecon una flecha que va del átomo que aporta el par de electrones del enlace.

En donde: O ↑ H O S O H ↑ ó ↓ Representan enlaces covalentes coordinados ↓

Representa un enlace covalente simple.

Esta representación se hace por conveniencia, no porque el enlace coordinado seadiferente de los demás enlaces covalentes.

¿Cómo representaría un enlace doble o triple?

SH HO O

O

O

SH HO O

O

O

54

Veamos otro ejemplo con la molécula del ácido nítrico (HNO3).

Primero se escriben las estructuras de Lewis para cada átomo, colocándolos en formasimétrica.

A continuación se aplica la regla del octeto, en este caso se observará que los enlacesN-O han de ser dobles. Por lo consiguiente distribuiremos los electrones restantes, detal forma que cada elemento tenga o comparta ocho electrones, excepto el de hidrógenoque tendrá dos:

Por último, se verifica que el número de electrones de valencia sea el correcto, ya queno debemos eliminarlos ni agregarlos durante el desarrollo. Generalmente el átomo queproporciona los electrones en enlace covalente coordinado tiene, al menos, un par deelectrones de valencia no compartidos, por lo que los átomos de oxígeno y nitrógenoforman con frecuencia estos enlaces.

Teniendo en cuenta a la estructura de Lewis y aplicando la regla del octeto¿cómo sería el enlace covalente del amonio (NH4+)?.

Por otra parte, si la molécula está cargada, antes de reordenar los electrones se añadeun electrón por cada carga negativa al átomo más electronegativo (ver más adelante) orestamos un electrón por cada carga positiva al átomo menos electronegativo,colocamos la estructura entre paréntesis e indicamos la carga fuera de éste; porejemplo, para el ion amonio (NH4

+) tenemos :

O OH

NO O

O

H

Enlacessencillos

Enlacedoble

Enlacecoordinado

N

O

55

Escribe las estructuras de Lewis e indica el tipo de enlace entre cada dos átomos de lossiguientes fórmulas:

CO2 H2 O2 H3 O

CH4 CCl4


átomos con sus electronesde valencia ordenadossimétricamente

eliminar un electrón paraconsiderar la carga + ycolocamos el paréntesis

NH H

H

H

Observa como en este caso el átomo dehidrógeno (H) cede el espacio y elátomo de nitrógeno (N) cede electrones.

NH H

H

H

56

2.1.2 EXCEPCIONES A LA REGLA DEL OCTETO

Hay elementos cuyos átomos no cumplen con la regla del octeto, y en este caso seencuentran:

1. Átomos centrales que tienen menos de ocho electrones de valencia y pertenecen agrupos 2 y 3. Por ejemplo, el berilio (Be) el boro (B) y el aluminio (Al), en moléculascomo:

Berilio con cuatro electrones Boro con seis electrones Aluminio con seis electrones

2. Átomos centrales con más de ocho electrones de valencia, éstos pertenecen a losgrupos 13, 14, 15, 16 o mayores. Los casos típicos son fósforo (P), azufre (S) yxenón (Xe), en las moléculas.

azufre con doce electrones xenón con doce electrones

3. Átomos que tienen número impar de electrones de valencia, como el nitrógeno y elcloro. Por su rareza estos compuestos reciben el nombre de paramagnéticos portener electrones desapareados. Las estructuras de Lewis se escriben con un arreglolo más cercano al octeto; por ejemplo, el monóxido de nitrógeno (NO):

Be ClCl B FF

F

Cl Al Cl

Cl

F F

F F

F FS

F

F

F FXe

N O

57

2.1.3 ELECTRONEGATIVIDAD Y POLARIDAD

Cabe recordar el concepto de electronegatividad: es la medida relativa de la capacidadque tiene un átomo de atraer los electrones en un enlace químico. Aunque laelectronegatividad de un elemento cambia ligeramente dependiendo del compuesto enque se halle. De acuerdo a la escala de Puling te presentamos los siguientes valores:

Valores de electronegatividad de los átomos

H21

no metales

Li1.0

Be1.5

aumenta B2.0

C2.5

N3.0

O3.5

F4.0

Na0.9

Mg1.2

Al1.5

Si1.8

P2.1

S2.5

Cl3.0

K0.8

Ca1.0

Sc1.3

Ti1.5

V1.6

Cr1.6

Mn1.5

Fe1.8

Co1.8

Ni1.8

Cu1.9

Zn1.6

Ga1.6

Ge1.8

As2.0

Se2.4

Br2.8

Rb0.8

Sr1.0

Y1.2

Zr1.4

Nb1.6

Mo1.8

Tc1.9

Ru2.2

Rh2.2

Pd2.2

Ag1.9

Cd1.7

In1.7

Sn1.8

Sb1.9

Te2.1

I2.5

Cs0.7

Ba0.9

La-Lu1.1-1.2

Hf1.3

Ta1.5

W1.7

Re1.9

Os2.2

Ir2.2

Pt2.2

Au2.4

Hg1.9

TI1.8

Pb1.8

Bi1.9

Po2.0

At2.2

Fr0.7

Ra0.9

Ac1.1

Th1.3

Pa1.5

U1.7

Np-Lr1.3

Observa que la electronegatividad de los átomos aumenta de izquierda a derecha a lolargo de un periodo y disminuye al descender en un grupo. Los no metales son máselectronegativos que los metales.

Ordena los siguientes elementos de menor a mayor electronegatividad:

Potasio (K), Zinc (Zn), Nitrógeno (N), Flúor (F), Sodio (Na), Oxígeno (O) y Carbono (C)

________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________

Con los valores de electronegatividad se predice el tipo de enlace entre dos átomosadyacentes. Cuando la electronegatividad es similar, el enlace que los une es covalentepolar y cuando existe una diferencia de electronegatividad mayor a 1.7, el enlace queformarán será iónico.

disminuye


58

En un enlace covalente cuando los electrones de enlace están compartidosigualmente (los dos átomos enlazados son iguales) se forma un enlace covalente nopolar; por ejemplo, en la molécula de cloro (Cl2), el par de electrones de enlace esatraído con igual fuerza por los dos átomos ya que tiene una diferencia deelectronegatividad a cero.

Cuando el par de electrones del enlace covalente no se comparte por igual (los dosátomos enlazados son diferentes), se forma un enlace covalente polar; por ejemplo, enla molécula de ácido clorhídrico (HCl), el átomo de cloro atrae con mayor fuerza loselectrones de enlace que el átomo de hidrógeno, dado que es más electronegativo.Esta atracción desigual genera una carga parcial negativa en el átomo de cloro (Cl),simbolizada por δ-, mientras que el átomo de hidrógeno (H) adquiere una carga parcialpositiva, simbolizada por δ +.

Al respecto, cabe hacer énfasis en que un compuesto polar se forma entre 2elementos diferentes y que no son metales, del cual tienen una diferencia deelectronegatidad entre 0 y 1.7.

La presencia de un momento dipolar permanente en una molécula diatómica indica unadistribución desigual de la carga alrededor de uno o más enlaces de ésta, debido a ladiferencia de electronegatividad de los átomos enlazados. En este caso, se dice que elenlace está polarizado y la molécula, como un todo, se denomina molécula polar. Por loconsiguiente, la molécula de ácido clorhídrico (HCl) es polar y la del cloro (Cl2) no polar.Entre los compuestos con moléculas polares y no polares se presentan diferencias muyimportantes en las propiedades tanto físicas como químicas que se deben al dipoloeléctrico presente.

Una molécula poliatómica (con más de dos átomos) puede ser no polar, aunque losenlaces covalentes sean polares, si estos enlaces están orientados simétricamente, porlo que el momento dipolar total se cancela.

Cl Cl

H Clδ-δ+

59

2.2 ESTRUCTURA MOLECULAR

En 1957, R.J. Gillespie y R. S. Nyholm desarrollaron un modelo con base en el efecto delas repulsiones entre pares de electrones sobre los ángulos de enlace del átomo central,el cual se conoce como modelo de repulsión de pares de electrones de la capa devalencia (RPECV), cuyo fin es explicar eficazmente la forma de la mayoría de lasmoléculas que tienen enlaces formados por pares de electrones localizados; enotras palabras, con ello se predice la estructura molecular.

Por medio de la teoría se puede predecir la estructura más estable de moléculas cuyoátomo central tenga dos, tres, cuatro, cinco, hasta seis pares de electrones en la capade valencia, o sea, para aquellos que cumplen la regla del octeto y en los que no, masno se puede aplicar fácilmente a moléculas que tengan un número impar de electronesde valencia o de átomos centrales de metales de transición.

El modelo RPECV no es infalible, aunque sí cubre aceptablemente gran cantidad decasos, y en éste se considera como un grupo de electrones alrededor del átomo centrala cualquier enlace covalente (simple, doble o triple) o a cualquier par solitario deelectrones. Por el ejemplo, para un átomo que forma un enlace covalente doble, yademás tienen dos pares solitarios, diremos que tienen tres grupos de electrones.Asimismo, el modelo RPECV señala que los grupos de electrones toman en el espacioposiciones tales que cada uno esté lo mas alejado posible de los demás. La estructuraque resulta de los diferentes números totales de pares de electrones se observa en latabla 4.

60

Tabla 4

La importancia de predecir la estructura molecular radica en que a partir de ésta sepuede establecer la polaridad de un compuesto y derivar sus propiedades oviceversa; por ejemplo, el agua (H2O) es un buen disolvente. También se sabe que unamolécula de agua la forman dos átomos de hidrógeno, a partir de lo cual se podríanproponer las siguientes estructuras de Lewis.

61

Lineal Angular

Al consultar la tabla 4 se puede establecer que la forma correcta de la molécula del aguaes angular, estructura a la cual se debe que la molécula sea polar y el agua un buendisolvente.

Como ya se sabe, el dióxido de carbono (CO2) debe su comportamiento a la nopolaridad de sus moléculas. Veamos otros ejemplo: recuerda que la acetona(propanona, C3H6O) es un disolvente que se utiliza comúnmente para quitar el barniz delas uñas. Tras usar el modelo de Lewis se tiene:

De acuerdo con el carbono central la molécula es triangular por tener a su alrededor tresgrupos de electrones. Y, considerando que las moléculas se distribuyen en tresdimensiones, se utiliza la siguiente convención:

Con esa estructura, los elementos polares de la molécula no se anulan, por lo tanto seráun compuesto polar, lo cual determina sus propiedades.

H O H O H

H

H C C

H

H

C Hδ +

H

HOδ -

enlaces covalentessimples no polares

átomocentral

= enlace covalente doble polar

H

HC

C

O

C

HH H

H Enlace en el plano.

Enlace hacia adentro.

Enlace que se proyecta hacia el

62

Predice la polaridad de los siguientes compuestos: ácido sulfúrico (H2SO4) y éter dietiléter CH3 - CH2 - O- CH2 - CH3) y relaciónalos con sus propiedades para poder explicaréstas.

Dependiendo del número de electrones de valencia que se de en un enlace (quepermitan cumplir con la regla del octeto), es posible predecir el tipo de estructura que sepudiera generar, las cuales pueden ser de tipo lineal, triangular, tetraédricas, bipiramidaltrigonal y octaédrica.

A partir de esta predicción es posible determinar el tipo de polaridad del compuestoenlace.



63

Antes de iniciar el siguiente tema te sugerimos que repases la siguiente tabla, ya que teserá de mucha utilidad en la formación de los grupos funcionales.

Tabla 5. Familia de los alcanos.

NOMBREFÓRMULA

CONDENSADAFÓRMULA

SEMIESTRUCTURADA FÓRMULA DESARROLLADA

METANO CH4

ETANOC2H6

CH3 - CH3

PROPANOC3 H8

CH3 - CH2 - CH3

BUTANOC4 H10

CH3 - CH2 - CH2 - CH3

PENTANOC5 H12

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

HEXANOC6 H14

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -CH3

HEPTANOC7 H16

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH 2 -CH2 -CH3

OCTANOC8 H18

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 - CH2 -CH3

NONANOC9 H20

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 - CH2 - CH2 -CH3

DECANOC10 H22

CH3 -CH2 -CH2 -CH2 -CH 2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH2CH3

H

H

CH

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH H

64

2.3 ENLACE COVALENTE EN LOS COMPUESTOS DE CARBONO

2.3.1. GRUPOS FUNCIONALES

Los compuestos del carbono es un apartado en el estudio de los compuestos químicosque, en un principio, según se creía, provenían únicamente de los seres vivos (por loque a su estudio se le llamó Química orgánica), lo cual es erróneo, dado que en laactualidad millones de compuestos orgánicos se sintetizan sin necesidad de recurrir aestos organismos, de aquí que se le conozca como Química del carbono, únicoelemento que presenta la propiedad de formar uniones estables entre varios átomos desu especie, constituyendo grandes cadenas. Otros elementos tienen esta característica,pero no forman compuestos muy grandes, ya que son inestables y muy reactivos. Delmismo grupo, el silicio también presenta concatenación, pero sus compuestos sonmenos numerosos, más reactivos y menos estables.

En los compuestos de carbono hay una amplísima diversidad de arreglos estructuralespara los átomos de carbono, de los que se conocen miles de cadenas, y pueden tenerramificaciones con otros átomos de carbono. Por lo tanto, la propiedad más importantedel carbono es la concatenación, es decir, la capacidad para construir enlacesquímicos entre sí y con una gran variedad de elementos, entre los cuales seencuentran oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, fósforo, azufre, halógenos y algunosmetales. Dichos enlaces permiten la generación de los grupos funcionales.

Tabla 6. Principales grupos funcionales.

Grupo Función Química Nombre TerminaciónHidroxilo R- OH Alcohol OL

Carbonilo OII

R - C - H

OII

R - C - R’

Aldehído

Cetona

AL

ONA

Carboxilo OII

R - C - OHÁcido Carboxílico OICO

Amino R - NH2 Amina Amina

65

a) Alcoholes

Si sustituimos uno o más átomos de hidrógeno por otro átomo o grupo de átomos, sepueden formar muchos compuesto; por ejemplo:

Es decir, al partir del metano, al que se le elimina un hidrógeno, tenemos un grupo deátomos y una posición de enlace; a estos grupos de les llama grupo alquilo sesimboliza con R. Si le agregamos el grupo - OH, llamado grupo hidroxilo, entoncesse obtiene un alcohol. Para propósitos de nomenclatura, se menciona el nombre delhidrocarburo cambiando la terminación O por OL, como en el siguiente ejemplo:

En resumen, cuando a un hidrocarburo se le cambian uno o más hidrógenos por otroátomo o grupo de átomos se pueden obtener muchas moléculas diferentes. Esimportante resaltar que este grupo de atomos llamado grupo funcional, es la partequímicamente más activa de toda la molécula. Veamos ahora otras moléculas queresultan de la sustitución de un hidrógeno por el grupo -OH:

etano (C2 H6) etanol (C2H5 OH)

¿Qué pasaría si el grupo hidroxilo se ubicará en otro hidrógeno?

grupohidroxilo

H

H

H C H + OH

H

H

H C OH + H

H

H

H C H

H

H

H C OH

H

H

H C + OH

metano (CH4) grupoalquino

metanol (CH3OH)

H

H

CH

H

H

C H

H

H

CH

H

H

C OH

H

66

A partir del propano (C3 H8)

Podemos obtener

Observa que en el propano se obtienen dos alcoholes diferentes, dependiendo delhidrógeno que sea sustituido, por lo que se necesita discriminar uno de otro, lo cual selogra indicando el número de carbono donde se localiza el -OH, es decir:

• Para el primer alcohol anotamos 2 - propanol

• Para el segundo alcohol anotamos 1- propanol

En el caso del Butano (C4 H10) :

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C = CH3 - CH2 -CH3

1

C

H

H

CH

H

OH

H

H

H

C

2

H

H

CH C

H

H

OH

H

H

Có

CH3 CH CH3

OH

1 2 3

CH3 CH2 CH2 OH 1 2 3

= CH3 - CH2 -CH2-CH3

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C

H

H

C

67

Se pueden presentar los siguientes alcoholes:

1- butanol 2- butanol

Al tomarse en cuenta el hidrocarburo de cuatro átomos de carbono llamados 2-metilpropano:

Se obtienen otros dos alcoholes de cuatro carbonos:

2-metil-1-propanol (CH3 - CH - CH2 - OH) 2-metil-2-propanol (CH3 - COH - CH3) l

CH3 CH3

H

H

CH

H

H

C OH

H

H

C

H

H

C

H

H

CH

H

H

C H

H

H

C

H

OH

C

H

H

CH C

H

H

H

H

C

H C H

H

= CH3 CH CH3

CH3

H

H

CH C

H

OH

H

H

C

H C H

H

H

H

CH C

OH

H

H

H

C

H C H

H

68

Lo anterior nos permite establecer la clasificación de los alcoholes, de acuerdo con eltipo de átomos de carbono al cual esté enlazado el grupo -OH; por ejemplo:

Clasificación Característica FórmulaAlcohol primario El grupo -OH está unido a

un carbono que a su vezse une con un grupoalquilo

Hl

CH3 - C - OHIH

Alcohol secundario El grupo oxhidrilo se unecon el carbono que tienedos grupos alquilo

CH3

CH3 C OH

HAlcohol terciario El -OH se une al átomo de

carbono unido a tresgrupos alquilo

CH3

CH3 C OH

CH3

Puesto que de la familia de los alcoholes sólo nos interesa estudiar su estructuramolecular, recurriremos al agua, ya que ésta y los alcoholes tienen enlaces similares. Elagua contiene dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno, lo cualestablece dos enlaces covalentes simples:

Si analizamos el alcohol más simple (el metanol) se puede considerar que existe un granparecido de éste con el agua, es decir, si sustituimos un hidrógeno del agua por unalquilo.

H2O H O H O

H H

O

H H

O

R H

O

CH3 H

comparada con donde R=CH3

69

El metanol es una molécula polar, ya que el oxígeno tiene un valor alto deelectronegatividad comparado con el del carbono y el hidrógeno, por lo que loselectrones de enlace están más cerca del oxígeno que del hidrógeno y del carbono,como se ve en el siguiente ejemplo:

De esta manera el oxígeno adquiere una carga parcial negativa, dada la cantidad ycercanía de los electrones, simbolizada por δ, y, por lo consiguiente, así el carbono comoel hidrógeno tendrán cargas parciales positivas δ + que se presentan como:

Propiedades.

De acuerdo con la semejanza estructural de los alcoholes con el agua, se podría pensarque tanto el metanol como el agua tienen idénticas propiedades. Tomemos comoejemplo la solubilidad, y para explicarla ilustremos las estructuras moleculares.

O δ- δ- O

Observa que en la parte superior de la línea punteada son idénticas las estructuras, noasí en la inferior. La diferencia determina las variaciones en las propiedades, quedependen del tamaño del grupo alquilo.

Como son moléculas polares, es decir, forman dipolos, interactúan constituyendo unasolución. Los alcoholes pequeños (metanol, etanol y los dos propanoles) son 100%solubles en agua y conforme aumenta el tamaño de la parte alquílica decrece susolubilidad; por ejemplo, el 1-butanol (CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - OH) es 8.3% soluble enagua (8.3 g de butanol en 100 g de agua a 25º C).

O

3CH H

µ1 µ2

O

3CH H

δ-

δ+ δ+

H δ+

H δ+

Hδ+

CH3

δ+

70

Por su parecido con el agua, el grupo oxhidrilo se llama hidrofílico (afinidad con elagua) y la parte correspondendiente de hidrocarburo es hidrofóbica (repulsión a lasmoléculas de agua). Si R es muy grande, supera la propiedades hidrofílicas del -OH yla solubilidad disminuye. Los alcoholes con ramificaciones tienen alta solubilidad enagua porque el grupo de alquilo es más compacto -comparado con un R lineal- y menoshidrofóbico. Un aumento en el número de grupo -OH incrementa las propiedadeshidrofílicas y, por lo tanto, la solubilidad en el agua; por ejemplo la sacarosa tiene docecarbonos, pero también tiene ocho grupos oxhidrilos, por lo que es muy soluble en agua.

El agua es un excelente disolvente de compuestos iónicos, porque el enlace en el OH espolar y proporciona el dipolo necesario para la solvatación de cationes y aniones. Por loconsiguiente, los alcoholes también pueden disolver compuestos iónicos en menorproporción, dada la parte del hidrocarburo que contienen, pues mientras más grande esel grupo menor es su poder disolvente.

El punto de ebullición de los alcoholes es más alto que en los hidrocarburos de masamolecular similar; por ejemplo, las masas moleculares de 1-propanol (CH3 - CH2 - CH2 -OH) y del butano CH3 - CH2 - CH2 - CH3) son 60 y 58 g., respectivamente, y el alcoholebulle a 82º C, entre tanto que el butano a -0.5ºC. Este comportamiento se debe alfenómeno de atracción intermolecular presente en los alcoholes en estado líquido (estetema se estudiará en el siguiente fascículo).

Nomenclatura.

Como se mencionó, los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, deacuerdo con el número de sustituyentes que tenga el carbono al cual se une el oxhidrilomediante el enlace covalente. El sistema IUPAC para nombrar a los alcoholes sigue lasmismas reglas que para los alcanos, elementos que se estudiaron en el fascículo 2 deQuímica I.

Si se indica que el compuesto contiene el grupo funcional -OH, es decir, que es alcohol,entonces se hace de este modo:

1) Se localiza la cadena más larga de átomos de carbono que contenga el grupo -OH

2) Se enumera la cadena a partir del carbono que se encuentra más cerca de la funciónquímica.

3) Para mostrar que el compuesto es una alcohol, se sustituye el sufijo O por OL.

4) Se nombran los radicales en orden alfabético, indicando con un número su posiciónen la cadena.

5) Se enuncia, finalmente, el nombre de la cadena principal como si fuera lineal con suterminación correspondiente.

71

Ejemplo

Respetando los lineamientos que marca la IUAPC, ¿qué nombre recibiría el siguientealcohol?

CH3

CH3 - CH - CH2 - CH - CH3

OH

En este caso se identifica que la cadena más larga que contiene el grupo oxidrilo es decinco átomos de carbono; posteriormente se enumera a partir del extremo más cercanoa la función química; y por último, se enuncia(n) el (los) nombre(s) respectivo(s), deacuerdo a los pasos 4 y 5 anteriores.

CH3 - CH - CH2 - CH - CH3

OH

4 -metil - 2 pentanol

¿Cuáles son los usos que se le pueden dar a los alcoholes?

Usos

El metanol, llamado comúnmente alcohol de madera, debe su nombre porque en unprincipio se obtenía por medio del calentamiento de la madera, a muy alta temperatura yen ausencia del aire, condiciones en las cuales ocurre una descomposición en la queaparece el metano por ser de las sustancia volátiles. Actualmente se produce en grancantidad mediante la adición de hidrógeno al monóxido de carbono. Se utiliza comodisolvente industrial.

El etanol <<alcohol>> en lenguaje común, es el constituyente principal de las debidasalcohólicas. Se obtiene por medio de la fermentación de productos vegetales quecontienen carbohidratos y con la adición de agua al eteno. Éste se utiliza comodisolvente y es una de las principales materias primas de la industria química.

Característica del etanol es que desnaturalizado contiene metanol como impureza y suingestión puede provocar ceguera temporal o permanente incluso la muerte. Asimismo,un volumen de 30 ml. de metanol puro puede ser la causa de fallecimiento, y lainhalación prolongada de sus vapores ocasionar serios problemas para la salud. Encambio, el etanol sólo es venenoso cuando se consume en grandes cantidades.

1 2 3 4 5

CH3

72

El 2- propanol se produce por hidratación del propeno, el cual se obtiene del petróleo;es totalmente soluble en el agua, por lo que es un excelente disolvente industrial, y, porsu bajo punto de congelación, se emplea como anticongelante en las alas de losaeroplanos, ya sea en forma de aditivo o de combustible. Además, se utiliza paraproducir tintas, pinturas y cosméticos. El compuesto con dos grupos oxidrilos, uno encada uno de los carbonos adyacentes y con la estructura derivada del etano es el etilen-glicol, actualmente se usa como anticongelante en los automóviles. Uno de sus usosmás frecuentes en la producción de polímeros sintéticos (poliéster, dacrón, mylar); lapelícula mylar se utiliza en las audiocinta y en las cintas de computadoras.

OH OH l l

CH2 - CH2etilen - glicol

(1, 2 - etanodiol)

El glicerol o glicerina contiene tres grupos -OH distribuidos en cada uno de los trescarbonos de la estructura derivada del propano. La propiedad de retener la humedad yser sulfhidrofílico hace útil al gricerol en la producción de dulces, lociones para la piel yproductos farmacéuticos.

OH OH OH l l I

CH2 - CH - CH2

glicerol

(1, 2, 3 propanotriol)

b) Aldehídos y Cetonas

Otro destacado grupo funcional es llamado grupo carbonilo ( c = o). Las moléculasque lo contienen son los compuestos carbonílicos, los cuales se encuentran en grancantidad en la Naturaleza y en diversas moléculas con importancia biológica, así comoen productos farmacéuticos.

Algunos ejemplo de compuestos carbonílicos son:

- Ácido acético, principal componente del vinagre.

- Acetaminofén, que suprime el dolor y baja la fiebre. Lo contienen medicinas contra eldolor de cabeza.

- Dacrón, que se utiliza en las telas para ropa.

O

Estos compuestos contienen un grupo alquilo unido al carbonilo, R C , al que enconjunto se lama grupo acilo.

73

Los compuestos carbonílicos pueden ser de varios tipos, dependiendo del sustityenteque esté unido al grupo acilo. Pueden ser un grupo alquilo, hidrógeno, oxígeno,halógeno o azufre, entre otros.

Para efectos de su estudio, clasificaremos a los compuestos carbonílicos en dosclases:

1) Aldehídos y cetonas. En estas moléculas el grupo acilo está unido a un hidrógeno ya un grupo alquilo, respectivamente.

2) Ácidos carboxílicos y sus derivados. Aquí el grupo acilo está unido al oxígeno,nitrógeno y halógenos.

Primordialmente tenemos con el estudio de los aldehídos y las cetonas, ya que suquímica es similar. Se sabe que la principal característica del grupo carbonilo se puedepredecir examinando su estructura electrónica. Y el enlace entre carbono y oxígeno seestablece mediante la compartición de dos pares electrónicos.

Se observa la geometría de las moléculas, de acuerdo con el modelo de repulsión depares electrónicos en la capa de valencia (RPECV), es triangular, con ángulos de enlaceaproximadamente 120º.

Se aprecia en el grupo carbonilo que el átomo de oxígeno es más electronegativo que elcarbono, por lo que forma un dipolo permanente.

¿Qué diferencia existe entre un aldehído y una cetona?

OC

C O OC

OC

δ-

δ+

74

La estructura principal de un aldehído se identifica cuando el grupo carbonilo seenlaza con un alquilo carbonoso y con otro alquilo de hidrógeno.

OII

- C - H

Existe una variante en donde el grupo carbonilo se encuentra enlazado a dos átomos dehidrógeno, esta modalidad recibe el nombre de formaldehido.

OII

H - C - H

En tanto que la estructura principal de una cetona se identifica cuando el grupo carboniloestá enlazado con dos átomos de carbono.

Propiedades

Las características especiales del grupo carbonilo -mencionadas anteriormente- influyenen las propiedades de aldehídos y cetonas, como consecuencia de la polaridad de estegrupo, las moléculas ligeras son totalmente solubles en agua, y conforme aumentala masa molar, disminuye su solubilidad; por ejemplo, el aldehído con dos átomos decarbono (etanal), comúnmente llamado acetaldehído, es 100% soluble en agua,mientras que el propanal 16% soluble y el butanal 7%. Entre las cetonas, la propanona(acetona común) es por completo soluble y la butanona es sólo 26% soluble.

Dada la polaridad del carbonilo, los puntos de ebullición de aldehídos y cetonas sonmás altos que los de las moléculas no polares de la masa molar similar. Noobstante, poseen puntos de ebullición inferiores a los de los alcoholescorrespondientes, porque los aldehídos y las cetonas no establecen interacciones tanfuertes entre sus moléculas. Las diferencias en los puntos de ebullición de loscompuestos carbonílicos y los alcoholes relacionados estructuralmente se hacen máspequeñas al aumentar la masa molecular.

Una característica de los aldehídos de masa molecular baja, es que tienen olor irritanteque los compuestos con masas moleculares altas. En tanto que las cetonas sonsustancias con fragancia.

H

H

CH C

O

H

H

H

C

H

H

CH

75

Nomenclatura

Los nombres de los aldehídos siguen las mismas reglas IUPAC que los hidrocarburos;se forman cambiando la -O final del nombre del hidrocarburo correspondiente por laterminación -Al, por otro lado, el carbonilo siempre se presenta en el carbono marcadocon el número 1. Por lo consiguiente, no es necesario indicarlo. Los siguientesejemplos ilustran este sistema:

En lo que se refiere a las cetonas IVPAC establece utilizar las mismas reglas, peroindicando la posición del carbonilo y sustituyendo la O final del nombre delhidrocarburo correspondiente por la terminación ONA: por ejemplo:

2-propanona 4-meteil, 2 pentanona

Usos

El aldehído más pequeño es el metanal (llamado formaldehído), muy conocido ensolución acuosa al 40% (la formalina). Se utiliza en la preservación de preparadosbiológicos y como desensibilizante nasal en desodorantes. El acetaldehído o etanal seusa para la preparación de ácido acético a nivel industrial y como materia prima enmuchos procesos.

H

H

CH C

H

H 1 2

H C H

H

H

H

CH C

H H

H

C C

O

H 1 3 2 4Etanol

3- metil, butanal

H

H

CH C

O

H

H

H

C 1 2 3

H

H

C

H C H

H

H

H

CH C

H O

H

C C

H

H

H 1 3 2 4 5

76

CH2

CH2 (CH2)10

C = O

CH CH2

CH3

La 2- propanona (acetona) y la 2-butanona se utiliza en grandes cantidades comodisolventes. Estos compuestos poseen, a menudo, propiedades exóticas y su aroma seutiliza en el campo de la perfumería y como saborizante. Como ejemplo están lascetonas cíclicas, civetona y muscona, que se extraen de las grándulas del gato africanoy del macho de la cabra almizclera, sustancia que se emplean como fijadores en lafabricación de perfumes.

civetona muscona

Un ejemplo de aldehídos aromatizante son aquellos que se obtienen de origen naturalcomo el benzaldehído, la vainilla y el cinamaldehído, con aroma a almendras, o seavainillina y canela, respectivamente.

benzaldehído vainilla cinamaldehído

c) Ácidos Carboxílicos

Otros importantes compuestos carbonílicos son los ácidos carboxílicos, en los que elgrupo acilo R C está enlazado a un oxhidrilo (-OH) que se conoce como grupocarboxilo. O

H C

H C

(CH2)7

(CH2)7

C = O

H C = O

O O

OH

O CH3

H

C=O

O

CH = CH C HO

77

OII

R - C - OH

Grupo Grupo acilo oxidrilo

¿Qué similitud puede existir entre los aldehídos y cetonas con los ácidoscarboxílicos?

Los ácidos carboxílicos son importantes dentro de los compuestos carbonílicos, ya seaen la Naturaleza o en el laboratorio. Ya se mencionó al ácido acético, que se encuentraen el vinagre, pero también tenemos al ácido butanoico que es el responsable del olor<<rancio>> de la mantequilla. El ácido hexanoico se encuentra en el sudor de la cabra.

El hecho de tener los dos grupos funcionales -carbonilo y oxhidrilo- hace que los ácidostengan propiedades totalmente diferentes y no sólo las características sumadas de estosdos grupos; por lo tanto, se considera a los ácidos como un grupo funcional diferente.

Analicemos la estructura del grupo carboxilo. Hay parecidos entre los ácidos y losaldehídos y las cetonas, lo que es fundamentalmente al grupo carbonilo y a lo que todosellos tienen geometría molecular angular plana con ángulo de enlace de más o menos120º entre C - C - O y O - C - O.

ángulo aproximado de 120°

Propiedades

El grupo funcional carboxilo es polar y, en consecuencia, tiene afinidad con el agua.Los ácidos carboxílicos de masa molecular pequeña son totalmente solubles enagua y al aumentar el tamaño del grupo alquilo (-R) disminuye la solubilidad; los puntosde ebullición y de fusión de los ácidos son generalmente más altos en comparacióncon los demás compuestos estudiados hasta ahora, por la tendencia que tienen lasmoléculas de los ácidos al unirse con otras similares debido a su polaridad. Estasfuerzas de atracción deben romperse para efectuar los cambios de estado.

Asimismo, los ácidos de baja masa molar tienen olores característicos; por ejemplo, losácidos metanoico y etanoico tienen olores picantes, entre tanto el ácido butanoicopresenta olor a mantequilla rancia.

78

O II

H - C -OH CH3 - C - OH CH3 - CH2 - CH2 -C - OH II II O O

Ácido Ácido Ácido metanoico etanoico butanoico

Pero la propiedad química más importante de los ácidos carboxílicos es su acidez, esdecir, en el agua liberan H+ (protones) que al reaccionar con una base, por ejemploNaOH, producen sal y agua:

H2O

CH3COOH CH3COO + H

CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O

ácido base sal agua

Nomenclatura

Para nombrar a los ácidos carboxílicos, el sistema IUPAC establece las mismas reglasque para los compuestos (alcoholes, aldehídos y cetonas). La nomenclatura de losácidos es anteponer la palabra ácido, en seguida del nombre del hidrocarburocorrespondiente, cambiando la terminación O por OICO.

X +

H

H

CH C

O

O 1 2

H C H

H

H

H

CH C

H H

H

C C

O

OH 1 3 2 4

H

H

CH

H

H

C

H

H

C OH

O

C 1 3 2 4

ácido etanoico ácido butanoico

ácido 3-metil butanoico

79

Usos

Gran cantidad de ácidos carboxílicos desempeñan en la Naturaleza importantes papelesdentro de la química de los seres vivos; el ácido etanoico o acético es de vitalsignificación en el metabolismo de los carbohidratos y en la producción de ácidos degran tamaño llamados ácidos grasos, pues participan en la formación de lasbiomoléculas llamadas acilglicéridos (aceites vegetales).

La vitamina C es un ácido carboxílico (conocido como ácido ascórbico) necesario para elser humano, dado que su deficiencia produce el escorbuto. El ácido tereftálicointerviene en la producción de fibras sintéticas para ropa conocida como dacrón.

Por otra parte, los derivados de los ácidos carboxílicos, en especial sus sales, se utilizanen diversos campos industriales; por ejemplo, el benzoato de sodio se usa comoinhibidor de la descomposición de los alimentos, o sea, es un conservador, y elglutamato de sodio de sodio se emplea para realzar el sabor, es decir, es un condimentode los alimentos preparados.

En general, los ácidos carboxílicos tienen un campo de acción preferente en laBioquímica, que se estudiará de manera introductoria en el fascículo 3 de Química II.

d) Aminas

Otro elemento químico cuyo campo de acción se encuentra en los compuestos delcarbono es el nitrógeno, el cual al enlazarse con un átomo de carbono de hidrócarburoforma el grupo funcional amina. Éste se puede considerar como un derivado delamoniaco (NH3), donde se han sustituido uno o más hidrógenos por grupos alquilo (-R):

1) Al cambiar un átomo de hidrógeno del amoniaco por un grupo de alquilo se obtieneuna amina primaria. (R N H2).

H N H

H

amoniaco( NH3)

CH3 N H

H

Amina primaria

Ejemplo

CH3 CH2 NH2

(Etilamina)

80

2) Cuando se sustituyen dos hidrógenos por dos alquilos se consigue una aminasecundaria.

3) Y, si se unen tres grupos alquilos en lugar de los tres hidrógenos, entonces se lograuna amina terciaria.

La estructura del grupo funcional amina es análoga a la del amoniaco y, de acuerdo conel modelo de repulsión de pares electrónicos en la capa de valencia, la molécula es deforma de pirámide triangular, dado que tiene un par de electrones libres; existe polaridadya que el nitrógeno es:

más electronegativo que el carbono y el hidrógeno:

CH3 N H

CH3

Amina secundaria

Ejemplo

CH3 N CH2

(Etilmetilamina)

CH3

H

CH3 N CH3

CH3

Amina terciaria(Etilmetilpropilamina)

CH3 N

CH2 CH3

Ejemplo

H

N

H

H

CH3

N

H

H

CH3

N

H

H

H

N

H

H

δ+ δ+

δ+

CH2 CH3CH2

81

Propiedades

Dada la electronegatividad del nitrógeno presente en las aminas, sus moléculas tiendena atraerse mutuamente -aunque estas fuerzas son más débiles que en las moléculas dealcoholes ácidos-, o sea, el enlace tiene menor polaridad. A estas fuerzas se debe quelos puntos de ebullición de las aminas se sitúen en un rango intermedio entre loshidrocarburos (no polares) y los alcoholes (polares) de masa molecularcomparable. Sin embargo, la amina terciaria no presenta estas fuerzas de atracción y,en consecuencia, sus puntos de ebullición son menores que los de las aminasprimarias y secundaria con masa molecular equivalente y cercanos a los puntos deebullición de los alcanos de masas moleculares similares.

Las aminas pequeñas tienen olores muy desagradables, idénticos a los del amoniacoy son totalmente solubles en agua, ya que la estructura del grupo amino es semejante ala del agua.

Nomenclatura.

La nomenclatura para el grupo de las aminas requiere de la siguiente regla: se indica elnombre del grupo alquilo con la terminación amina, posteriormente se enumeran loscarbonos, por ejemplo:

Etil amina butil amina

3- metil - butilamina

CH3 CH2 CH2 CH2 NH21234

CH3 CH2 NH212

CH3 CH CH2 CH2 NH21234

CH3

82

Usos

Las aminas son compuestos que se encuentran ampliamente distribuidos en plantas yanimales, con gran importancia biológica, fisiológica y psicológica; por ejemplo, laadrenalina y la noradrenalina son sustancias que intervienen en la transmisión de losimpulsos nerviosos; las anfetaminas son estimulantes; la mezcalina es alucinógeno, lamorfina y la codeina, poderosos analgésicos. Éstos, entre otros compuestos, tienen ensu estructura grupos amino. Además, algunas aminas funcionan como vitaminas, yexisten otras, como la nicotina, sustancia presente en el tabaco, causante del hábito defumar. Sus estructuras se ilustran enseguida.

83

“FÍSICAS DE LAS SUSTANCIAS CON ENLACE COVALENTE” (OBLIGATORIA).

Objetivo

Conocer el comportamiento de las sustancias consideradas como covalente a través dela determinación de propiedades como punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad,para establecer la relación entre estructura y propiedades.


1. ¿Qué es la polaridad de enlace? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Cuál será la forma geométrica del agua, del amoniaco y del dióxido de carbono, deacuerdo con el modelo de repulsión de pares electrónicos en la capa de valencia?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ¿Qué es el punto de ebullición? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. ¿Qué es el punto de fusión? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Qué es la solubilidad? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. ¿Qué es la volatilidad? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


84

Experimento I

Objetivo

Determinar el punto de fusión del ácido benzoico, como característica en suidentificación del tipo de enlace que presenta.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia

☞ 2 Tubos capilares ☞ 1.0 Ácido benzoico

☞ 1 Vaso de precipitados de 250 mL ☞ 200 ml Ácido vegetal o lugol

☞ 1 Soporte Universal

☞ 1 Mechero de Bunsen

☞ 1 Anillo de hierro de 10 cm

☞ 1 Tela de alambre con asbesto

☞ 1 Termómetro de -10 a 400º C

☞ 1 Pinza para termómetro


La indicada para trabajar en el laboratorio, así como trabajar con mechero y el materialde vidrio caliente.

Ácido benzóico.- sustancia poco tóxica, no la inhales irrita las mucosas respiratorias.

¿Cómo hacerlo?

Mediante calor cierra un extremo del tubo capilar, coloca dentro de él ácido benzoico -alrededor de 2 cm del del tubo- y con un trozo de hule látex amarra el capilar altermómetro de tal manera que coincida con el bulbo.

Introdúcelos en un vaso de precipitados que se ha llenado aproximadamente a la mitadcon el aceite y calienta; observa cuidadosamente y cuando el sólido se funda, registra latemperatura.

85

Hipótesis

Una vez que haz revisado el procedimiento contesta la siguiente pregunta.

¿El punto de fusión de las sustancias covalentes, será mayor o menor que el de lassustancias iónicas? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

AHORA REALIZA EL EXPERIMENTO


1. ¿Qué observas al calentar? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿A qué temperatura se fundió la sustancia? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

86

Experimento II

Objetivo

Determina el punto de ebullición del etanol, para relacionarlo con el tipo de enlace quepresenta.

¿Qué necesitas?


☞ Cuerpos de ebullición ☞ 200 ml Agua☞ 1 Tubo de ensaye de 18 x 150 mm ☞ 2 ml Etanol☞ 1 Vaso de precipidados de 250 ml☞ 1 Soporte universal☞ 1 Mechero de Bunsen☞ 1 Anillo de hierro de 10 cm☞ 1 Tela de alambre con asbesto☞ 1 Termómetro de -10 a 400º C☞ 1 Pinza para termómetro☞ 1 Pinza para bureta


La indicada para trabajar en el laboratorio, así como para trabajar con mechero ymaterial de vidrio caliente.

Etanol.- Líquido incoloro, volátil, inflamable, de olor agradable y poco tóxico poringestión.

¿Como hacerlo?

Coloca 2 ml de etanol en un tubo de ensaye y calienta en un baño de agua, así comoindica la figura.

El calentamiento debe ser suave, recuerda que el etanol es inflamable. Al empezar adesprenderse burbujas mide la temperatura que corresponde al punto de ebulliciónaproximado de la sustancia.

87

Precaución: EL ETANOL ES INFLAMABLE, CALIENTA CON CUIDADO

Hipótesis

Ahora que sabes cómo realizar el experimento podrías decir, ¿cuál esperas que sea elpunto de ebullición del etanol?, y si esta temperatura será mayor a la del punto deebullición del agua.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

REALIZA EL EXPERIMENTO


1. ¿Qué observas al calentar? _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿A qué temperatura ebulle la sustancia? _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

88

Experimento III

Objetivo

Determinar la solubilidad de algunas sustancias con enlace covalente, para relacionar lasolubilidad con la estructura.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancia

☞ 12 Tubo de ensaye de 16 x 150 mm ☞ 10 ml Agua

☞ 1 Gradilla par tubos de ensaye ☞ 10 ml 1-Butanol

☞ 5 Pipeta graduada de 5 ml ☞ 10 ml Tetracloruro de carbono

☞ 1 Espátula de porcelana ☞ 2 g Azúcar común

☞ 3 Agitadores de vidrio ☞ 2 g Ácido benzoico

☞ 2 gotero ☞ 5 ml 2-propanona (acetona)

☞ 2 ml Ácido oleico


La indicada para trabajar en el laboratorio

2- Propanona (Acetona).- Líquido flamable, de color característico y picante. No lodebes inhalar directamente; no lo pongas en contacto con la piel y no lo ingieras.

1- Butanol.- Líquido inflamable, de olor característico. Poco tóxico, no debes tenercontacto con esta sustancia, ni por ingestión, ni por inhalación. No lo toques.

Tetracloruro de carbono.- Líquido incoloro, de olor característico, es inflamable. Tóxicono lo debes inhalar, ingerir o poner en contacto con la piel.

Ácido benzoico.- sustancia poco tóxica, no la inhales irrita las mucosas respiratorias.

¿Cómo hacerlo?

En una gradilla coloca tres tubos de ensaye y pon en cada uno de ellosaproximadamente 0.5 ml de 2 propanona; al primero agrega 2 ml. de agua; al segundo 2ml de tetracloruro de carbono; y al tercero, 2 ml. de 1-butanol. Agita los tubos y observa.

89

Repite la misma secuencia de pruebas con el ácido benzoico.En la gradilla coloca tres tubos de ensaye y vierte en cada uno de ellosaproximadamente 0.5 ml de 2 - propanona; al primero agregar 2 ml de agua; al segundo2 ml de tetracloruro de carbono y al tercero, 2 ml de 1 - butanol. Agita los tubos yobserva.

Repite la misma secuencia de pruebas con el ácido oleico.

Hipótesis

¿Qué reacciones crees que se pueden presentar en cada una de las sustancias?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

REALIZA EL EXPERIMENTO


Anota el grado de solubilidad del soluto en cada disolvente, y al efecto llena la siguientetabla:

Agua Tetracloruro de carbono 1-ButanolAzúcarÁcido benzoico2-PropanonaÁcido oleico

Utiliza: i = insoluble ps = poco soluble s= soluble

90


1. El punto de fusión del cloruro de sodio es de 800 ºC. ¿Por qué el punto de fusión delas sustancias con enlaces covalentes es más bajo?. Explica. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Si el agua y el etanol se parecen estructuralmente y la molécula del etanol es masgrande que la del agua, ¿Por qué el punto de ebullición del alcochol es más bajo?____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. A través del modelo de Lewis y los valores de la electronegatividad indica la polaridadde los solutos y los disolventes _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Establece la relación entre la polaridad y la solubilidad ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conclusiones

Para poder elaborar las conclusiones debes tomar en cuentra el cuestionario deconceptos antecedentes, los datos obtenidos de cada experimento y el cuestionario dereflexiones.

Por otro lado, no olvides establecer las relaciones entre propiedad y estructura.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

91

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Una de las principales características que tiene el carbono es su capacidad paraconstruir enlaces químicos, ya sea entre sí o con otros elementos, a partir de estavariedad la química se ha permitido agrupar ciertas combinaciones (grupos funcionales),entre los que podemos observar enlaces covalentes, como por ejemplo: el grupohidroxilo, del cual se forman los alcoholes, ya sean primarios, secundarios o terciarios;grupo carbonilo, en donde sus compuestos pueden ser los aldehídos o cetonas, estodependerá del grupo alquilo con el que se combine, independientemente de esto, ambosson solubles al agua y su punto de ebullición es menor al de los alcoholes, de 82º ;grupo carbonilo, los compuestos que lo caracterizan son los ácidos carboxílicos, unejemplo de ello es el ácido etanoico o acético que tiene una gran importancia en elmetabolismo de los carbohidratos y en la producción de ácidos grasos; y grupos amino,dentro del que se encuentran las aminas con una función química de un átomo denitrógeno y dos de hidrógeno (NH2), un ejemplo es la nicotina, sustancia que provoca elhábito de fumar.


92

Después de que hayas observado con atención el esquema, podrás elaborar unasíntesis de los conceptos más importantes que fueron abordados en este capítulo.

RECAPITULACIÓN

ENLACE COVALENTE

MODELO DE LEWISEN ELEMENTOSNO METÁLICOS

MODELO DEENLACE

COVALENTE

EXCEPCIONES DELA REGLA DEL

OCTETO

AMINASALDEHÍDOS

ESTRUCTURAMOLECULAR

ELECTRONEGATIVIDAD

CARBONILO

CETONAS

OII

R - C - R'

R -OH

COMPUESTOSDE CARBONO

GRUPOS

CARBOXILO AMINAHIDROXILO

ÁCIDOCARBOXÍLICO

ALCOHOLES

O II

R - C -

O IIR - C - H

R-NH2

retoma el y la en los

conformado por

las

se dividen en

para explicar el

es propio de los se encuentra en donde se ubicanlos

propios de las

su fórmula es de fórmula su fórmula es con fórmula de su fórmulabásica es

la

93

A continuación te presentamos una serie de actividades, las cuales te permitirán aplicarlos conocimientos adquiridos en el capítulo, te invitamos a que los lleves a cabo.

1. Con base al modelo de Lewis establece el tipo de enlace de los siguientecompuestos.

a) HNO2 Tipo de enlace _______________________________________________________________________________________________________

b) NH3 Tipo de enlace _______________________________________________________________________________________________________

2. De los siguientes elementos, qué combinaciones pueden formar enlaces covalentesconforme a su electronegatividad.

a) I con 2.5 de electronegatividadb) O con 3.5 de electronegatividadc) Li con 1.0 de electronegatividadd) S con 2.5 de electornegatividad

Anota en los renglones las combinaciones que consideres apropiadas.__________________ ____________________ _____________________________________ ____________________ ___________________

3. De las siguientes sustancias, conforme a su estructura molecular, cuál(es) tiene(n)propiedades similares al agua (puedes anotar en los renglones)

a)

b )


O N O

O

H

H OH

H

C

H

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

94

c)

d) O IIR - C - OH

4. Anota en los renglones siguientes ¿cuál(es) de las moléculas anteriores cumplen conun enlace polar?______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Identifica qué tipo de enlaces se presenta en las siguientes moléculas.

Tipo de Enlace

a) ___________________________________________________________________________________________________________________

b) _____________________________________________________________________________________________________________________

c) _____________________________________________________________________________________________________________________

d) _____________________________________________________________________________________________________________________

H

CH

H

H

C

H

H

H

C

H

O HH

O HH

H

H

B ClCl

Cl

OH

O

S

O

O H

95

6. Indica, con una línea, cuál de los siguientes compuestos puede sustituir en algunaspropiedades a la vainilla, tomando como base su fórmula.

O

Los aldehídos aromáticos a) CH = CH - C - Hcomo la vainilla se utilizanen algunos alimentos. Lafórmula de la vainilla es:

O II

OH b) CH3 - CH2 - CH2 - C - H OCH3

(CH2)7c) H - C II C = O

C = 0 H - C (CH2)7

H

7. Con base a las reglas de nomenclatura IUPAC tienes que mencionar los nombres delos siguientes compuestos:

CH3 NOMBREa) I

CH3 - CH2 - CH - OH _________________________________

b) CH3 - CH - CH - CH2 - CH3 _________________________________I I

OH CH2 I

CH3

c) CH3 - CH2 - C - CH3 _________________________________ II O

d) CH3 - CH - CH3 = O _________________________________ l CH3

O

O

96

CH3 O I II

e) CH3 - CH - CH - C - OH _________________________________I

CH2 I

CH3

f) CH3 - CH2 - CH2 - NH2 _________________________________

8. Completa las columnas de la siguiente tabla.

NOMBRE FÓRMULAESTRUCTURA

DE LEWISTIPO DEENLACE

GRUPOFUNCIONAL PROPIEDADES

ÁCIDONITROSO

-COVALENTE

NITRATO DEMAGNESIO

Mg (NO3)2 ÁCIDO

METANOL

ETANOLCH3 - CH2 -OH

PROPANOAMIDA

AMINO

AMONIACO

ÁCIDOACETICO

-IÓNICO-COVALENTE

BUTANONA

-Las moléculasligeras sonsolubles al agua

N

H

H

H

O H

H

H

H C

97

En este apartado podrás comparar los resultados de las Actividades Integrales, ademásde que podrás encontrar una pequeña guía sobre lo que debiste considerar para tusrespuestas.

1. a)

b)

2. Li I No olvides que los enlaces covalentes se dan en función de lasimilitud de electronegatividad.

SO

3. b) H El grupo funcional OH de los alcoholes presentan unal molécula parecida a la del agua.

H - C - OH I H

H H_____________________________________________

O O

H H

4. b) d)Partiendo del hecho de que existe una semejanza entre

H O la estructura del agua y de los alcoholes, entonces si la I II estructura del agua es polar, es posible afirmar que,

H - C - OH R -C- OH también la estructura de los alcoholes es polar. I

AUTOEVALUACIÓN

N O

H

O

N H

H

H

Recuerda que la estructura molecular debe ser simétrica si esno polar y asimétrica si es polar.

98

H5. a), b) y c) Presentan enlace covalente simple por compartir un par

de electrones cada una de las especies.

d) Presenta enlace covalente coordinado, puesto que unasola especie comparte dos electrones.

6. a) Por presentar el mismo grupo funcional característico delos aldehídos aromáticos.

7. a) 1 metil, propanolb) 3 etil, 2 pentanolc) Butanonad) 2 propanale) Ácido 3 etil, 2 metil propanóicof) Propilamina

99

8.

NOMBRE FÓRMULAESTRUCTURA

DE LEWISTIPO DEENLACE

GRUPOFUNCIONAL PROPIEDADES

ÁCIDONITROSO

HNO2 -COVALENTE ÁCIDO

NITRATODE

MAGNESIO

Mg (NO3)2 -COVALENTE

-COVALENTECOORDINADO

ÁCIDO

METANOL CH3 - OH-IÓNICO

-COVALENTE ALCOHOL

ETANOL CH3 - CH2 - OH-IÓNICO

-COVALENTEALCOHOL

PROPANOAMIDA

CH3- CH2- CH2-NH2

-IÓNICO

-COVALENTEAMINO

AMONIACO NH3 -COVALENTE AMINO

ÁCIDOACETICO

CH3 - CH2 - COOH-IÓNICO

-COVALENTECARBOXILO

BUTANONA CH3 - CH3 - CH2 - CH = O-IÓNICO

-COVALENTEALDEHÍDO

Las moléculas ligerasson solubles al agua.

NH

O

O

O OO

O

NN Mg O

N

H

H

H

O H

H

H

H C

H H H H H

H H

H H

H C C C N H

H H H

H H

H

H H

H C C C O

H H H

H H

H C C C C O

H H H

H H H H

100

En este fascículo aprendiste que:


RADIOATÓMICO

GRUPOSFUNCIONALES

que se aplicaen los

ENLACEQUÍMICO

TIPOPROPIEDADESPERIÓDICAS

IÓNICO COVALENTEMETÁLICO

ELECTRONEGATIVIDAD

CARBOXILO

NO METALMETALENERGÍA DEIONIZACIÓN

HIDROXILO

DOS O MÁS

AMINO

CARBONILO

tieneson de

conformadopor un

como

formado por

tales como

101

En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has adquirido a lolargo del fascículo, por lo que te pedimos que realices todo lo que se te pida.

A continuación te presentamos una serie de conceptos, los cuales deberás explicar y darun ejemplo de cada uno de ellos.

1. Electrones de Valencia.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Ionización.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Electronegatividad____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Enlace Iónico o Electrovalente____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Enlace Metálico____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


102

6. Enlace Covalente____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Enlace Covalente Coordinado____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

103

La Autoevaluación está diseñada para que verifiques los aciertos y/o errores quepudieran surgir al realizar las Actividades de Consolidación.

1. Los electrones de Valencia son aquellos electrones que se encuentran localizados enel último nivel de energía de un átomo, como por ejemplo el Litio (Li17) o carbono(C4+).

2. La Ionización se presenta cuando un metal dona un electrón para formar una visiónpositiva, como el siguiente ejemplo:

3. La Electronegatividad es una propiedad que tiene el átomo de atraer los electroneshacia si mismo, sin embargo existe un alto índice de probabilidad de que los metalespierden electrones, como por ejemplo:

El oxígeno atrae los electrones

4. El Enlace Iónico o Electrovalente se origina cuando se une un metal con un no metal,cabe hacer notar que en este tipo de enlaces el metal es el que tiende a ceder suselectrones. Estos compuestos tienen un alto punto de fusión y de ebullición, ademásde que son buenos conductores de energía.

5. Los Enlaces Metálicos se caracterizan por formarse a partir de la unión de dos o másmetales, además de que se manifiestan como una red rígida de iones positivosdentro de una nube electrónica.

Otras de sus características es que son ductiles, tienen brillo, conducen el calor, entreotros.

AUTOEVALUACIÓN

Li C

OAl Al

OZn Zn

104

6. Los Enlaces Covalentes se presentan cuando existe la unión de no metales, es decircuando un átomo comparte un par o más de electrones con otros átomos.

7. Los Enlaces Covalentes Coordinados se dan cuando sólo un átomo proporciona loselectrones, para llevar a cabo el enlace como en el caso del metano CH4:

H

H C H donde es un enlace coordinado

H

105

Los productos químicos que actualmente se utilizan son el fruto de años de trabajo y deinvestigación, y la labor de los químicos se resume en el análisis de las sustancias con elobjetivo de conocer su estructura y así explicar su comportamiento, pues conociendoéstas pueden sintetizar otras sustancias con propiedades deseables y aprovechables.

Para ejemplificar, se tomó la siguiente lectura:

“Cualquiera sabe que el azúcar es blanca, dulce al paladar y se disuelve en agua. Ycuando le preguntamos al químico: ¿qué es el azúcar?, el nos dice: es casi un 100% desacarosa. Le contestamos: ¡extraño nombre!. Usted no nos ha contestado nada,simplemente ha cambiado una palabra común por otra menos conocida. ¿Qué es esoque usted llama sacarosa?. Ahora, toma un lápiz y dibuja estos signos extraños en unahoja de papel:

“La respuesta es asombrosa: el azúcar es sacarosa y la sacarosa parece ser unjeroglífico. En ese dibujo no conoceremos ni la blancura, ni la dulzura, ni la solubilidad.Ahora queremos saber cómo llegó él a conocer que el azúcar, qué tanto los químicoscomo nosotros usamos para endulzar el café, es así, tan extraña, y nos dirá que no fuemirando ni oliendo, ni tocando, ni gustando lo que venden en la tienda. Alcanzó eseconocimiento trabajando, utilizando conocimientos científicos anteriores, formulandohipótesis, poniendo a prueba. Todavía puede quedarnos una duda: ¿para qué sirve estatraducción de lo tangible del azúcar o a lo abstracto e irreconocible de la fórmula de lasacarosa?. Y la respuesta del químico terminará con nuestra duda: lo abstracto de lafórmula de la sacarosa no proviene de lo dulce del sabor del azúcar; por el contrario, ladulzura del azúcar se explica por lo abstracto de la fórmula insípida; nos mostrarátambién en el papel que, alterando ciertos enlaces, se obtienen sustancias parecidas alazúcar, pero con sabores distintos, y que él puede planear la preparación de otrassustancias dulces que no existan en la Naturaleza, etcétera”.

De hecho, conociendo la estructura molecular se pueden explicar las propiedades y esmás, con el conocimiento de los enlaces en la molécula, es posible incrementar laspropiedades deseables, disminuir las no deseables o simplemente cambiar éstas.

O

HOH

H

ACTIVIDADES DE GENERALIZACIÓN

O

H OH

H

OH HH OH

OOH

H

CH2OH

CH2OH

106

Ácidos grasos. Ácidos carboxílicos presentes en las grasas (lípidos).

Afinidad electrónica. La cantidad de energía necesaria o requerida cuando un átomogaseoso, aislado y en su estado fundamental, gana un electrón.

Anión. Ion cargado negativamente

Calcógeno. Miembro del grupo 16 de la tabla periódica.

Catión. Ion cargado positivamente.

Centro (kernel). Todo el cuerpo del átomo, excepto su capa o valencia de electrones

Electronegatividad. Tendencia relativa de los átomos enlazados de atraer loselectrones hacia sí.

Energía de ionización. Energía necesaria para remover un electrón de un átomogaseoso aislado y en su estado fundamental. También se llama potencial de ionización.

Enlace iónico. Atracción electrostática entre iones de carga eléctrica opuesta.

Enlace químico. Fuerza atractiva que mantiene unidos a los átomos en un compuesto.En principio, puede ser iónico, metálico o covalente.

Estructura de Lewis. Método para indicar la asignación de electrones de valenecia aun átomo, molécula o ion, representándolos como puntos alrededor de una letra querepresenta el centro o kernel del átomo.

Fórmula molecular. Fórmula que representa el total de átomos de cada elementopresente en una molécula de un compuesto.

Grupo carbonilo. Grupo de átomos. O II

C

Grupo carboxilo. Grupo de átomos. O II

C OH

Grupo funcional. Un átomo o grupo de átomos que caracterizan a un tipo decompuesto.

GLOSARIO

107

Halógeno. Miembro del grupo 7 en la tabla periódica.

Metal. Aquel elemento que tiende a ceder, fácilmente, sus electrones de valencia.

No metal. Elementos que tienden a aceptar, fácilmente, electrones para completar suúltimo nivel.

Poli-alcohol. Compuesto con más de dos grupos oxhidrilo.

Punto de ebullición. Temperatura a la cual la presión de vapor de líquido es igual a lapresión atmosférica.

Punto de fusión. Temperatura a la cual los estados sólidos y líquido de una sustanciaestá en equilibrio.

Regla del octeto. Regla que postula que una configuración ns2np6 (capa de valencia)en un átomo es especialmente estable.

Solubilidad. Cantidad de soluto que se disuelve en una cantidad específica de solvente

Solvatar. Proceso a través del cual las moléculas de solventes polares (agua) rodea alos aniones y los catiiones de los compuestos iónicos produciendo su disolución.

Sustancia volátil. Sustancia que se evapora fácilmente; líquido con presión de vaporalta y bajo punto de ebullición.

108

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SMOOT-Price: Química. Un Curso Moderno. Compañía Editorial Continental, 1982.



QUÍMICA II



2






3

INTRODUCCIÓN 7

CAPÍTULO 1. FUERZAS DE INTERACCIÓN Y 9 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

PROPÓSITO 11

1.1 FUERZAS INTERMOLECULARES 13

1.1.1 EL Modelo Cinético Molecular y los Estados 13de Agregación Molecular de la Materia

1.1.2 La Naturaleza de las Fuerzas Intermoleculares 15

a) La polaridad de las moléculas 16b) Puentes de Hidrógeno 17c) Las Fuerzas Dipolo-Dipolo 18d) Las Fuerzas de London 20

1.1.3 Los Líquidos, los Sólidos y sus Propiedades 21

a) Líquidos 21b) Sólidos 22

1.2 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS 26

1.2.1 Polímeros 26

a) Generalidades 26b) Termoplásticos 27

1.2.2 Polimerización 29

a) Polímeros de Adición 30b) Polímeros de Condensación 33c) Estructura primaria y secundaria de los polímeros 39d) Los polímeros y la contaminación 42

Í N D I C E

4

RECAPITULACIÓN 50ACTIVIDADES INTEGRALES 51AUTOEVALUACION 53

CAPÍTULO 2. MACROMOLÉCULAS NATURALES 55

PRÓPOSITO 57

2.1 BIOMOLÉCULAS 59

2.2 CARBOHIDRATOS 62

2.2.1 Monosacáridos 622.2.2 Anómeros 652.2.3 Disacáridos 682.2.4 Polisacáridos 70

a) Polisacáridos de reserva 71b) Almidón y glucógeno 71c) Polisacáridos estructurales 72

2.3 LÍPIDOS 76

2.3.1 Ácidos Grasos 762.3.2 Acilglicéridos 782.3.3 Fosfoglicéridos 792.3.4 Ceras 802.3.5 Terpenos 822.3.6 Esteroides 85

2.4 PROTEÍNAS 87

2.4.1 Aminoácidos 872.4.2 Enlace Peptídico 902.4.3 Clasificación de las Proteínas 942.4.4 Estructura de las Proteínas 95

a) Estructura Primaria 95b) Estructura Secundaria 96c) Estructura Terciaria 97d) Estructura Cuaternaria 100

RECAPITULACIÓN 109ACTIVIDADES INTEGRALES 110AUTOEVALUACION 112

5

RECAPITULACIÓN GENERAL 114

ACTIVIDADES DE CONSOLIDACIÓN 115

AUTOEVALUACIÓN 116

GLOSARIO 117

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA 119

7

Si por un momento observaras a tu alrededor notarás que la mayoría de las cosas hantenido cualquier tipo de transformación química, ya sea de manera artificial o natural,como en el caso de los diferentes plásticos, por un lado, o nuestra propia piel, el ADN , laseda, entre otros.

Para poder comprender lo anterior, este fascículo tiene como objetivo que comprendasla unión que se da entre moléculas; esto lo lograrás analizando las diferentes fuerzasque existen entre las moléculas, realizando actividades y experimentos relacionados conlas macromoléculas; lo anterior servirá para comprender la importancia que tienen éstas(las moléculas) en el desarrollo y supervivencia de los seres vivos.

A partir de lo anterior dividiremos el fascículo en dos grandes capítulos:

Dentro del primer capítulo, “FUERZAS DE INTEGRACIÓN Y MACROMOLÉCULAS”,encontrarás que en el primer tema se revisarán las fuerzas intermoleculares, donde seexplican los comportamientos y las propiedades tanto de los líquidos como de lossólidos, a partir del conocimiento de la naturaleza de las fuerzas de cohesión que existenentre las moléculas de las sustancias que se encuentran en dichos estados deagregación; en el segundo tema hablaremos de las Macromoléculas Sintéticas, endonde se tratarán las principales características y la manera en que se forman lospolímeros, en este caso abordaremos sólo los de tipo artificial, haciendo énfasis en lapolimerización, a partir de los derivados del petróleo, como por ejemplo; el nylon y elpolietileno.

En lo que se refiere al capítulo dos, “MACROMOLÉCULAS NATURALES”, haremosreferencia a las biomoléculas y los diferentes tipos de éstas, tales como: Carbohidratos,en donde se contemplan sus principales propiedades y características; dentro de losLípidos abordaremos las características de los ácidos grasos, fosfoglicéridos, ceras,terpenos y esteroides; y por último las Proteínas, donde veremos las unidades quepermiten su formación (aminoácidos y enlaces peptídicos), posteriormente suclasificación y para terminar abordaremos las diferentes estructuras de proteínas que sepueden encontrar.


9

FUERZAS DE INTERACCIÓNY

MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

1.1 FUERZAS INTERMOLECULAES

1.1.1 El Modelo Cinético Molecular y los Estados de AgregaciónMolecular de la Materia

1.1.2 La Naturaleza de las Fuerzas Intermoleculares

1.1.3 Los Líquidos, los Sólidos y sus Propiedades

1.2 MACROMOLÉCULAS

1.2.1 Polímeros

1.2.2 Polimerización

CAPÍTULO 1

11

Al revisar este mapa conceptual sabrás qué es lo que puedes aprender al estudiar elcapítulo, así como la forma en como puedes adquirir dicho conocimiento y la importanciaque tiene para tu formación académica.

P R O P Ó S I T O

AL ESTUDIAR LAS FUERZASINTERMOLECULARES Y LAS

MACROMOLECULARES SINTÉTICAS

conocerás

COMO SE DA LA UNIÓN ENTRE LASMOLÉCULAS

esto lo lograrás

IDENTIFICANDOLOS POLÍMEROS

a través de su

CLASIFICACIÓN

FORMAS DEPRODUCCIÓN

IDENTIFICANDOLAS FUERZAS QUE

INTERVIENEN

ANALIZANDO ELMODELO CINÉTICO

MOLECULAR

a partir de

PREGUNTASDE REFELEXIÓN

lo que tepermitirá

INICIAR EL ESTUDIODE LAS

MACROMOLÉCULASNATURALES

COMPRENDERLAS

PROPIEDADESDE LAS

SUSTANCIAS

13

CAPITULO 1. FUERZAS DE INTERACCIÓN Y MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

1.1 FUERZAS INTERMOLECULARES

1.1.1 EL MODELO CINÉTICO MOLECULAR Y LOS ESTADOS DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA MATERIA

En el fascículo 2 de Química I, ya estudiaste este tema. Recordaremos ahora lo másesencial del mismo.

El estudio de las propiedades de los cuerpos, a partir de las observacionesmacroscópicas, permite conocer las características de éstos, pero ello no es suficientepara conocer las causas que lo determinan. Por esta razón, tenemos que recurrir alcomportamiento microscópico de las partículas que componen la materia.

El comportamiento y estructura de las sustancias se debe principalmente a lasinteracciones de sus moléculas. A causa de la dificultad para realizar observaciones deeste comportamiento se recurre a modelos explicativos, y descriptivos que dan cuentade lo que sucede en el interior de la materia.

Un modelo simple que permite explicar el comportamiento de las propiedades de loslíquidos, sólidos y gases es el modelo cinético molecular.

En la tabla 1, se muestran algunas de las principales características de la materia que seexplican a partir del modelo cinético molecular.

14

Tabla 1. Algunas propiedades características de los estados de la materia

GAS LÍQUIDO SÓLIDO− Toma el total de

volumen y la forma delrecipiente que locontiene.

− Se expande facilmente. − Son de densidad baja. − La difusión se presenta

rápidamente. − Fluye con facilidad.

− Toma la forma de laproporción del recipienteocupa.

− No se expande para

llenar el recipiente. − Es virtualmente

incomprensible. − La difusión la lleva a

cabo lentamente. − Fluye fácilmente.

− Conserva su propiaforma y volumen.

− Es virtualmente

incomprensible. − La difusión se presenta

extremadamente lenta. − No fluye. − No tiene posibilidad de

expansión.

Los gases, de acuerdo con el modelo cinético molecular, consisten en partículasindependientes muy pequeñas, que tienen movimiento en línea recta, al azar en elespacio y experimentan choques 100% elásticos. Los gases ocupan un volumen milesde veces más grande que el que ocupan los líquidos o los sólidos, debido a que lasmoléculas de los gases están mucho más separadas que las de los líquidos o lossólidos. Lo anterior explica la densidad mucho más baja de los gases respecto de la delos líquidos y los sólidos.

De acuerdo al modelo cinético molecular. ¿Cuálsería la principal diferencia que existe entre unsólido, un líquido y un gas?.

La comprensión y la difusión de los gases se explica por el hecho de que las moléculasdel gas son partículas esencialmente independientes. Se mueven por el espacio hastaque chocan con otras moléculas de gas o las paredes del recipiente. En los líquidos, según el modelo cinético molecular, las partículas mucho más cercanasentre sí que las de los gases. Asimismo, el volumen definido de los líquidos es unaconsecuencia de las fuerzas de atracción entre las partículas de un líquido, que sonmucho más fuertes que en un gas. Los líquidos son fluidos y toman la forma delrecipiente debido a que las partículas del líquido se mueven con cierta independenciaunas de otras. La difusión en los líquidos es más lenta que en los gases debido a que las moléculas delos líquidos se mueven más lentamente y están más próximas entre sí.

15

En los sólidos, las partículas se mantienen juntas en posiciones fijas por fuerzas queson más poderosas que las que se encuentran presentes entre las partículas de loslíquidos. De esta manera se explican la forma y el volumen definido de un sólido, asícomo su incomprensibilidad. El que el arreglo de las partículas sea ordenado o nodeterminará que el sólido sea cristalino o amorfo. Las partículas de un sólido vibrandébilmente hacia uno y otro lado de sus posiciones fijas de equilibrio. Lo anterior explicala poca difusión de cualquier sólido. Desorden total: muchos espaciosvacíos; las partículas tienen libertadcompleta de moverse debido a laseparación y a las fuerzas deatracción no son muy efectivas.

Desorden: las partículas o los gruposde partículas son casi libres demoverse relativamente entre sí; laspartículas se unen entre sí.

Distribución ordenada: laspartículas pueden vibrar, perose encuentran en posicionesfijas; las partículas se mantienenunidas entre sí.

Figura 1. Comparación a nivel molecular de los gases, líquidos y sólidos.

1.1.2 LA NATUALEZA DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES En esta parte del fascículo aprenderás la naturaleza de las fuerzas de atracciónpresentes en los estados sólidos y líquido. Las fuerzas de atracción que mantienen unidad a las moléculas en los líquidos y en lossólidos, conocidas como fuerzas intermoleculares, determinan en gran parte laspropiedades físicas de estos estados de agregación. Antes de comenzar el estudio de las principales fuerzas intermoleculares (puente dehidrógeno, fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de London) revisaremos el concepto depolaridad, que es bastante útil para entender este tipo de fuerzas. Recordaremos paraello algunos de los conceptos vertidos en el fascículo 1.

Gas Líquido Sólido Cristalino

16

a) La polaridad de las moléculas. En el enlace covalente, el par de electrones compartido es atraído simultáneamente porlos dos átomos enlazados. Cuando los dos átomos enlazados presentan la misma atracción por el par deelectrones, esto es, que tiene la misma electronegatividad, la distribución de la cargaelectrónica es simetría respecto a la de los dos núcleos; es decir, no se presentan poloscargados, por lo que se dice que el enlace es puro o covalente no polar. Lasmoléculas H2 y Cl2 son ejemplos de moléculas con enlace covalente no polar.

Figura 2. No presentan polaridad los átomos que, al formar la molécula, tiene la misma electronegatividad.

El enlace covalente polar lo presentan aquellas moléculas cuyos átomos compartendesigualmente el par de electrones. En moléculas como la del cloruro de hidrógeno, HCI,y la del fluoruro de hidrógeno, HF, en donde la electronegatividad del cloro y del flúor esmayor que la del hidrógeno, la carga electrónica está más cercana a los átomos del flúoro cloro. Entonces decimos que se ha formado un enlace covalente polar.

Figura 3. La diferencia de electronegatividad hace que la molécula se polarice. El puente de hidrógeno y las fuerzas dipolo-dipolo se originan a causa de la polaridadque presentan moléculas con enlaces covalentes polares. Ambas aparecen por laatracción electrostática entre moléculas polares, aunque en el puente de hidrógeno esmas intensa la interacción.

Figura 4. Fuerzas intermoleculares

CI CI

Electrones repartidos simétricamente

δ+ δ- δ+ δ-

δ+ δ- δ+ δ-

17

b) Puentes de Hidrógeno. Los puentes de enlaces de hidrógeno se presentan en líquidos cuyas moléculas tienenun átomo de H enlazado covalentemente compuestos que forman enlaces de hidrógenoson el H2O, El HF y el NH3. Los compuestos que presentan enlaces de hidrógeno tienen propiedades diferentes alas comunes. Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición de 100°C, que es muchomayor que el H2S, cuyo valor es de -85.5°C. Los puentes de hidrógeno son los másfuertes entre las fuerzas intermoleculares. AGUA .. .. .. .. H2 O H – O: , H – O: , H – O: , H – O: H H H H AMONIACO H H H H NH3 H – N: , H – N: , H – N: , H – N: H H H H ÁCIDO FLUORHÍDRICO .. .. .. .. HF H – F: , H – F: , H – F: , H – F: . . . . . . . . Figura 5. Representación de los puentes de hidrógeno que se presentan en el H2O, NH3, HF. (La línea continua es enlace

covalente, la punteada corresponde a enlaces por puentes de hidrógeno).

Figura 6. La formación de puentes de hidrógeno en las proteínas determina su estructura.

18

En la estructura del hielo las uniones por puentes de H hace que su densidad sea menorque la del agua líquida. Por eso el hielo flota en ella. Esto es fundamental para la vida enla tierra, pues de otra manera se hundiría al fondo de los lagos, los ríos y los océanos,acumulándose en el fondo de éstos, lo que provocaría un congelamiento de abajo haciaarriba, lo cual haría imposible la vida de peces y plantas.

Observa, con cuidado, la siguiente fórmula y contesta las preguntas que a continuaciónte presentamos. ¿Qué moléculas se encuentran unidas por puentes de hidrógeno?

¿Qué características tienen en común las moléculas?

c) Las Fuerzas Dipolo-Dipolo Las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo se presentan entre moléculas polares. Lasmoléculas de este tipo se organizan de tal forma que el polo positivo de una moléculainteractúa con el polo negativo de la molécula vecina. Las interacciones bipolares son fuerzas de corto enlace, por lo que las moléculas tienenque estar muy cerca entre sí para que la fuerza de atracción sea significativa.


ácido dicarboxílico

C

C

O O

O O

C

C

O O

O O

H

H

H

H

19

En la siguiente figura se observa cuál es el arreglo que adquieren las moléculas quepresentan fuerzas dipolo-dipolo. Figura 7. Los dipolos en las moléculas se orientan de tal modo que la atracción se presenta en los dipolos de signo contrario.

La naturaleza relativamente débil de las interacciones bipolares es la causa de que los líquidos, que mantienenjuntas sus moléculas, sean volátiles o no debido a estas fuerzas.

En el etanol, por ejemplo, las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo son más intensasque el éter etílico. Por eso el último es más volátil que el primero. CH3 – CH2 - O O - CH2 – CH3 CH3 – CH2 - O

H

H

+ - + -

más fuerte

+ -

Teb = 78.5°C

CH2

+ -

CH2

H -

H

C -

H

CH2 - O

CH2 – CH3 más débil

Teb = 34.6°C

20

d) Las Fuerzas de London Las moléculas no polares pueden presentar dipolos instantáneos debido a la distorsiónde la nube electrónica que rodea a los núcleos. Estos dipolos instantáneos logran inducirotros dipolos en las moléculas vecinas. Las fuerzas de atracción entre estos dipolosinstantáneos constituyen las llamadas fuerzas de London. Todas las moléculas pueden presentar deslocalización de electrones que es causaprincipal de la existencia de las fuerzas de London. Las moléculas polares tambiénpresentan fuerzas de London. Las moléculas más grandes y complejas que poseen grandes nubes electrónicas que sedistorsionan y polarizan fácilmente son las que presentan las fuerzas de London másfuertes. Por ejemplo, las moléculas de HI, que es menos bipolar que la de HCI, pero másgrande, tiene las fuerzas de London más fuertes.

dipolos instantaneos

Figura 8. Acción dipolo-dipolo (fuerza de London) y su efecto.

Busca, en un libro de química o en una enciclopedia, las temperaturas de ebullición delos siguientes gases:

He Ne Ar Kr Xe Rn


dipolo instantáneo no-polar

tiempo tiempo tiempo

no-polar dipolo instantáneo

21

Explica dichas temperaturas en función de las fuerzas de London.

1.1.3 LOS LÍQUIDOS, LOS SÓLIDOS Y SUS PROPIEDADES.

a) Líquidos

Presión de vapor. Las moléculas de la superficie de un líquido que posean suficienteenergía escapan de los <<jalones>> de sus vecinos. Estas moléculas, al pasar a la fasegaseosa, ejercen una presión sobre el recipiente llamado presión de vapor. Todos loslíquidos tienen una presión de vapor diferente. A mayor presión de vapor, más fácilmentese evapora un líquido. El líquido que se evapora más fácilmente es, asimismo, el masvolátil. El alcohol etílico, al frotarse en el cuerpo, produce una sensación de frío, debido ala evaporación de las moléculas que poseían mayor energía cinética.

La volatilidad de un líquido está determinada por la magnitud de las fuerzasintermoleculares que hacen que las moléculas permanezcan en el líquido. Mientrasmenor es la fuerza, más volátil es el líquido.

Por ejemplo, el etanol se evapora más fácilmente que el agua. La polaridad del agua esmayor que la del etanol y ésta es mayor que la del éter etílico.

Agua

Etanol

ÉterEtílico

Figura 9. La diferencia de electronegatividades entre los átomos explica la polaridad de las moléculas y ésta su volatilidadrelativa.

. .:H - O

H

CH3 – CH2 - O :. .

H

CH3 – CH2 - O :. .

diferencia de electronegatividades

O - H

O - C

3.4 - 2.2 = 1.2

3.4 - 2.6 = 0.8

CH2

CH3

22

Ordena de acuerdo con su polaridad las siguientes sustancias:

Amoniaco(NH3), Fosfina (PH3), Dióxido de Carbono (CO2),Ácido Clorhídrico (HCI) y Ácido sulfhídrico (H2S).

b) Sólidos

Diferentes tipos de sólidos cristalinos

Los sólidos cristalinos se pueden clasificar tomando en cuenta la naturaleza de laspartículas que los componen (átomos, iones, moléculas), así como las fuerzas que losmantienen unidos en los sólidos iónicos, moleculares, covalentes y metálicos.

En la siguiente tabla se resumen las principales características de estos cuatro tipos desólidos cristalinos.

Tabla 2. Enlace y propiedades en los sólidos cristalinos.

Clasificación Tipo departícula

Fuerza queexiste entre las

partículas

Dureza Punto defusión

Conducti-vidad

Ejemplos

Iónico Ionespositivos ynegativos

Enlaces iónicos Bastante durosy quebradizos

Bastante alto Baja NaCIK2CO3Na3PO

Moléculas Moléculas Fuerza Dipolo-Dipolo de London

Blandos Bajo Baja CO2C6H6H2OCH4

Covalente Átomos Covalente Muy Duros Muy alto Baja SiCSiO2

(cuarzo)C

(diamante)Metálico Iones

positivosAtracción entre lanube electrónica ylos iones positivos

Blandos aduros

Medio a alto Buena aexcelente

NaAgFeW


23

Respecto a la tabla anterior cabe hacer las siguientes precisiones.

a) Las sales iónicas en estado líquido o fundidas, también, pueden ser empleadas comoconductores de la electricidad.

b) El tipo de dureza que se da en los enlaces covalentes no siempre es igual.

Sólidos moleculares

Las unidades que ocupan los puntos reticulares de los sólidos son moléculas. Lasfuerzas dipolo-dipolo y las fuerzas de London son las responsables de mantener unidasa las moléculas de estos sólidos. A causa de que estas fuerzas son mucho más débilesque los enlaces iónicos y covalentes, los sólidos moleculares presentan punto de fusiónbajo, son blancos y no son buenos conductores de la electricidad.

Figura 10. Etileno sólido: una estructura ortorrómbica de cuerpo centrado.

Sólidos iónicos

En los sólidos iónicos, los aniones y cationes son las unidades presentes en la mallacristalina. Las fuerzas electrostáticas, enlaces iónicos, son fuertes, lo que les da unadureza característica y los hace quebradizos. Los cristales iónicos se funden a altastemperaturas ; el NaCI se funde a 808°C. A causa de la fuerza de atracción entre losiónes, estos no tienen libertad para desplazarse, resultando que sean malos conductoresde la electricidad.

Figura 11. En una malla cristalina de los sólidos iónicos, los cationes Na+ y los aniones Cl- ocupan los puntos reticulares.

24

Sólidos covalentes

Las unidades que ocupan los puntos reticulares de los sólidos covalentes con átomosenlazados covalentemente. Los átomos forman una red tridimensional, o «moléculagigante». El enlace covalente, al mantener fijos en sus posiciones a los átomos delsólido covalente, hace que éstos tengan altos puntos de fusión. Además de que noexisten iones o electrones móviles, estos sólidos no son conductores eléctricos.

Figura 12. El diamante (c) es un sólido covalente cuyos átomos ocupan reticulares de la malla.

Sólidos metálicos

Las partículas que ocupan los puntos del retículo en un sólido metálico son ionespositivos. La nube electrónica que envuelve todo el retículo está formada por loselectrones que no se encuentran unidos a ningún átomo sino a todos en conjunto. Estoselectrones están dispersos todo el cristal y reciben el nombre de electrones libres.

Los electrones libres de un sólido metálico son los responsables de la buenaconductividad eléctrica y térmica que caracterizan a los metales. Asimismo, el brillocaracterístico de los metales se explica por la facilidad de estos electrones de absorber yemitir la luz que alcanza su superficie.

Figura 13. En estos cristales el núcleo y los electrones (iones positivos) internos del átomo ocupan los puntos reticulares dela malla, mientras que los electrones exteriores al estar deslocalizados forman una nube alrededor de los ionespositivos.

25

1. Explica por qué los sólidos son incompresibles.

2. Menciona tres características de los puentes de hidrógeno.

3. Menciona cuáles son las fuerzas intermoleculares que se presentan en los sólidosmoleculares.

El estudio de las Fuerzas Intermoleculares se pueden entender a partir de conocer cómose comparten las moléculas en los diferentes Estados de Agregación Molécular de laMateria (Sólidos, líquidos y gases). Sin embargo, estos compartimientos van a estar enfunción de diferentes factores, como por ejemplo: en líquidos en donde se presenta unenlace covalente entre un átomo de hidrógeno (H) con otro átomo que sea muy pequeñoy electronegativo; otro caso es la interacción que se da entre las moléculas a partir de lapolaridad que existe entre cada una de ellas, es decir de la atracción de una molécula depolo positivo con otra de polo negativo; y por último, existe la posibilidad de que algunasmoléculas puedan generar un dipolo instantáneo, lo cual provoca que dicha moléculapueda incorporarse a una cercana y de polaridad contraria.

A partir de estos aspectos es posible comprender el por qué de los comportamientos ypropiedades de los sólidos, líquidos y de los gases.



26

1.2 MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

El material del que está fabricada una bolsa de plástico y el de tu pluma esfundamentalmente el mismo. Sin embargo, sus características son diferentes. El materialde tu pluma es rígido, mientras que el de la bolsa forma películas delgadas.

¿Sabes de qué material está hecha tu ropa?

¿Qué es lo que hace que los polímeros tengancomportamientos tan diferentes, que puedan formar fibras muyresistentes como el nylon, capas delgadas como el polietileno oestructuras muy duras como el cloruro de polivinilo (PVC), elcual en algunas partes de los automóviles han sustituido alacero?

¿A partir de qué materias primas se reducen los objetos queconoces y mediante qué procesos son fabricados?

1.2.1 POLÍMEROS

a) Generalidades

Los primeros son macromoléculas formadas de la repetición sucesiva de un grannúmero de grupos de átomos llamados monómeros. Quizá no te has dado cuenta, perote encuentras rodeado de una gran cantidad de polímeros.

El nylon es una fibra con la cual se confeccionan prendas de vestir; los bolígrafos,tuberías, vajillas, domos en los edificios, recubrimientos y partes de automóviles estánconstruidos a partir de polímeros.

Desde 1868, año en que John Wesley Hyatt sintetizó el celuloide, muchos objetos demadera o metal han sido paulatinamente sustituidos por polímeros artificiales.

Precisamente, John W. Hyatt trataba de fabricar una bola de billar de un materialdiferente de marfil. Mezcló piroxilina con alcanfor sólido y el resultado fue el celuloide. Secuenta también con un polímero que forma películas delgadas (se usó durante muchotiempo para hacer películas de cine). Los polímeros tienen una gran versatilidad. Porejemplo, forman fibras que se puedan hilar como el nylon. Otros son rígidos y duros, conlos que se constituyen partes para automóviles.

Los polímeros pueden clasificarse en tres grandes grupos, de acuerdo con suspropiedades:

• Elastómeros• Fibras• Plásticos

27

Elastómeros Fibras PlásticosAquellos que tienenpropiedades elásticas,como el hule.

Polímeros que se puedentejer, como el nylon o elpoliéster.

Polímeros que puedanformar hojas delgadas(usadas en las bolsas),sólidos duros y maleables(tuberías, juguetes paralos niños) o revestimientos(barnices).

b) Termoplásticos.

Dentro del grupo de los plásticos se encuentran los termoplásticos, que tienen lacaracterística de que cuando son calentados se reblandecen y pueden ser moldeadas apresión.

En la tabla siguiente presentamos los termoplásticos más comunes:

Tabla 3. Polímeros más comunes

Nombre AbreviaturasPolietileno de baja densidadPolietileno de alta densidadPolipropilenoCloruro de poliviniloPoli estirenoAcrilo nitrilo-estirenoAcrilo nitrilo-butadieno-estireno

LDPEHDPEPPPVCPSSANABS

Low Density Polietilen.High Density Polietilen.

Stiren Acril-Nitrilo.

La multiplicidad de las propiedades de los polímeros depende de la gran variedad deestructuras que pueden formar. Por ejemplo, si tuviéramos un gran número de pequeñascuentas (como 6000 aproximadamente), ¿cuántos tipos de collares podríasmanufacturar?.

Tomemos por ejemplo al polietileno, del que están hechas las bolsas que nos dan en elmercado. Es un polímero del etileno o eteno y se usa también para fabricar recipientesrígidos (como los usados para envases).

Como puedes observar, algunos son muy flexibles, otros son rígidos y otros se puedenmoldear fácilmente por calor. Entonces, si muchos objetivos están fabricados del mismomaterial.

¿A qué se debe que tengan comportamientos tan diferentes?

La respuesta está en conocer la forma en que se encadenan los monómeros y, una vezque la cadena se ha formado, la alineación de la misma. Así, vemos que la estructuradel polímero es determinante para establecer sus características.

28

Del ejemplo anterior del polietileno se observa que el polietileno rígido no tienecadenas ramificadas (Figura 14), es un polímero de alta densidad y parcialmentecristalino. Mientras que el polietileno flexible tiene cadenas ramificadas. Estaramificación impide que las cadenas formen filas compactas produciendo un polímeroplástico, que es más flexible, maleable al calor y menos denso (figura 15).

(Tiene alta densidad) (Tiene baja densidad)

Figura 14. Polímero no ramificado Figura 15. Polímero amificado

Los polímeros tienen como materias primas a diversos productos derivados del petróleo.La petroquímica es una rama de la industria química que trata la serie de procesos através de los cuales se elaboran los productos químicos que se derivan de loshidrocarburos del petróleo.

Ésta es una de las razones por las que el petróleo tiene tanta importancia en laactualidad, además de la producción de combustibles. Del petróleo se obtienenproductos químicos como el etileno y el benceno, que son materias primas para obtenergran variedad de polímeros.

Tabla 4. Algunas materias primas, su producto y usos más característicos.

Materia prima Producto UsosEtileno Cloruro de vinilo, etilenglicol,

acetato de vinilo, estireno, oxidode etileno, alcohol polivinílico.

Bolsas, botellas, juguetes,discos fonográficos,películas, artículos de pielartificial, etc.

Propileno Cloruro de alilo, 2 etil-hexilacrilato,butil acrilato, óxido de propileno,polioles, acrilonitrilo.

Botellas, libros, artículosmoldeados.

Benceno Estireno, hexametilediamina, ácidoadípico.

Artículos moldeados,espumas aislantes.

Paraxileno Ácido tereftálico, dimetiltereftalato. Fibras artificiales,termoplásticos.

29

Aromáticos

Figura 16. Síntesis de la cadena productiva mediante la cual una mezcla de miles de compuestos (el petróleo crudo) setransforma en productos más aprovechables. Las sustancias de la derecha son las materias primas de la industriapetroquímica. (Fuente: Análisis de la industria petroquímica por cadenas productivas. Comisión PetroquímicaMexicana, México, 1986.)

1.2.2 POLIMERIZACIÓN

¿Cómo se lleva a cabo la polimerización?

Los polímeros se forman por la unión de un gran número de unidades monoméricas, quese pueden representar a través de una reacción química:

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad, y en muchos casos, haceposible un proceso químico (como en este caso la reacción de polimerización) sin que seadvierta en los productos.

Un polímero se nombra por el tipo de monómeros que lo forman precedido del prefijopoli. Por ejemplo, el polietileno es el formado por los monómeros del etileno.

Petróleocrudo

Destilaciónatmosférica

Otrosproductos

Naftas

Destilaciónal vacío

Desintegracióntérmica

Reformacióncatalítica

Gasóleo

Otros productos

Desintegracióncatalítica

Gasolinaalto octano

BTXTolueno

Xilenos Isomeri-zación

Dealquilación

Etileno

PropilenoButileno

Benceno

Tolueno

Propileno

+ + + +catalizador

monómeros polímeros

Orto-xilenoPara-xileno

30

Los primeros se pueden clasificar de acuerdo con la forma en que las unidadesfundamentales o monómeros se unen. Algunos polímeros como los de vinilo son ejemplode polímeros de adición, donde los monómeros se suman o unen uno a uno. Existe otrogrupo, como el del nylon, que son los polímeros de condensación. Estos polímeros seforman de la reacción de dos unidades de monómeros, con eliminación de agua.

a) Polímeros de Adición.

Los primeros de adición se forman por la suma de monómeros que tienen dobleligadura.

Por ejemplo:

En 1955, Karl Ziegler y Giulio Natta desarrollaron un técnica de polimerización eficiente,introduciendo el uso de un catalizador. La función del catalizador es unirse al alquenomonomérico y después permitir que nuevos monómeros se inserten en la cadena.

Si a la molécula de etileno se le sustituye un hidrógeno por otro elemento o por gruposde átomos (como algunos radicales), se obtiene una gran variedad de nuevoscompuestos, y éstos, a su vez, pueden producir una gran gama de nuevos polímeros,como se muestra en la tabla 5.

El polietileno es uno de los polímeros más usados en la actualidad. Se encuentra en unagran diversidad de materiales: empaques, aislantes eléctricos, materiales deconstrucción, etc. Es un termoplástico de bajo costo que puede moldearse de diversasformas hasta formar películas delgadas o extruirse (este término lo veremos másadelante) para hacer fibras. De acuerdo con la forma de producirlo, se pueden encontrardos tipos de polietileno, el de baja densidad y el de alta densidad, conocidos por sussiglas en inglés LDPE y HDPE, respectivamente.

H

HC = C

H

H+

H

HC = C

H

H

catalizadorC C C C

H H H H

H H H H

polietilenoetileno o eteno

31

Otro ejemplo de polímero de adición es el poli estireno. En un termoplástico muy usadodebido a su bajo costo, estabilidad térmica y baja densidad. El poli estireno es unpolímero del estireno. La forma del polietileno la podemos representar de la formasiguiente:

Estireno

1)

El poliestireno generalmente está formado de una 5500 a 6000 unidades. Este polímerotiene la apariencia de una resina clara y transparente que fluye con facilidad.

Entre los usos personales del poliestireno están: envases desechables, empaques,piezas moldeadas para cassettes, difusores de luz, plafones, envases aislantes térmicos(de unicel), etcétera.

El PVC (cloruro de polivinilo) se obtiene de la polimerización de cloruro de vinilo. Seencuentra de dos formas: una rígida, que se emplea en la fabricación de tuberías parariego, botellas, techado, juntas y partes automotrices, y otra flexible, para fabricarcortinas para baño, manteles, alambre, cables eléctricos y en tapicería.

n

- C - C - C - C

H H H H

H H

- C

H

H

- C -

H

n

HC = C

H

H

radical vinilo

HC = C

H

H CI

cloruro de vinilo

HC = C

H

HO O

HC=C

H

H

O

32

Tabla 5. Principales polímeros de adición

Monómero Fórmula polímera Nombre industrial yaplicaciones

Cloruro de polivinilo (PVC). Geón(película, aislamiento, ropaimpermeable, losetas para elpiso).

Poliestireno, estirofoam(espuma), artículos moldeados.

Acetato de polivinilo (PVA)adhesivos, tintura, látex, chicle.

Acrilán, orlón (fibras, alfombraspara exteriores).

Polipropileno, poliolefinas (fibras,artículos moldeados, alfombraspara exteriores).

Teflón (recubrimiento para evitarel peligro de pegarse), cojinetes,empaques.

C

C

H

H

C

H

H

H

C = C

H

H CI

cloruro de vinilo n

n

H

C = C

H

H

Estireno

O

O C -- CH3

H

C = C

H

CH3H

CH3

N

H

C = C

H

H

F

C = C

F

FF

Acetato de vinilo

Acrilonitrilo

Propeno

Tetrafluoretileno

C

H

C

H

Hn

Fn

C

F

C

F

F

O

O C - CH3

H

C = C

H

H

n

C

H

H

C

H

C

H

H

C

H

C N

C

H

H

C

H

CH3 n

33

Lucite, plexiglás (artículosmoldeados transportes, ventanas,bombillas de lampara).

b) Polímeros de condensación

Estos polímeros se forman por la reacción de dos unidades monoméricas, coneliminación de agua.

Un representante de este grupo es el nylon. Éste fue el primer polímero que pudohilarse. Desde su descubrimiento, en 1930, se han producido gran cantidad de fibrassintéticas, las cuales han sido importantes en el desarrollo de la industria textil.

El nylon 66 se forma a partir de la reacción del ácido adípico y la hexametilendiamina;ambos de seis átomos de carbono.La reacción es la siguiente:

Como se observa en la figura, la línea punteada resalta la formación de una amida.

H

C

Monómeros

=C

CH3

C=O

O

O - CH3

H

CHO

(CH2)

O

CHO

+ H2N - (CH2)6 - NH2

ácido adípico hexametilendiamina

- C - (CH2)4 - C - N - (CH2)4 - N - C - (CH2)4 - C - N - (CH2)4 - + H2O

O O O O

H

nylon 66

O -CH3

n

C

CH3

C

H

H

C=O

H

Metilmetacrilato

34

Las amidas contienen el grupo con la fórmula:

Por lo tanto, el nylon es una poliamida que se ha formado de las uniones sucesivas deun ácido carboxílico

Las fibras de nylon 66 tienen gran importancia en la industria textil, por ejemplo en laconfección de medias para dama, alfombras, paracaídas y en la fabrica de neumáticospara automóviles. Entre las propiedades que las han hecho indispensables destacan lassiguientes:

− Son inertes a muchos a muchos productos químicos corrosivos, excepto los ácidosminerales calientes.

− Tienen mayor elasticidad que la seda.− No los atacan hongos, bacterias o polilla, por lo que son más durables.− Son resistentes a las arrugas.− Absorben muy poca humedad de la atmósfera por lo que secan rápidamente.

Existen otras fibras muy elásticas que son usadas en la fabricación de trajes de baño ymedias, a estas fibras se les conoce como spandex, entre las que son más conocidas seencuentran la lycra y el virene.

A continuación te presentamos una tabla con las características de los polímeros máscomunes.

O

C N

H

R O OH

O

con una amina N H

H

35

Tabla 6. Algunos polímeros comunes de condensación

Monómeros Moléculaeliminada

Nombre delPolímero

Usos

H2N-(CH2)6-NH2hexanediamina

HOOC-(CH2)4 - COOHácido adípico

H2O Nylon 66 medias y calceteria, cables,telas.

teraftalato de dietilo+

HOCH2CH2OHglicoletileno

C2H5OHMilar

TerilenoDacrónFortral

telas

H-C = C-H

O=C C=O

Oanhidrido maleico

+HOCH2CH2OH

glicoletileno

H2O Plástico Alkydacabados para pisos, esmaltes

para automóviles adhesivos,cementos

CH3

HO-Si-OH

CH3dimetilsilanediol

H2O siliconaslubricantes para altas

temperaturas, repelentes parael agua, caucho de silicona.

HCHOformaldehído

+(NH2)2CO

urea

H2O resina urea-formaldehídojuguetes, botones,

recubrimientos para textiles,adhesivos.

0=C=N-CH2CH2-N=C=Odiisocianato de etileno

+HOCH2CH2OH

glicoletileno

H2O poliuretano*fibras, pinturas, aislamientos

térmicos

Copolímeros1

Uno de los aspectos más interesantes de la química de los polímeros es su granversatilidad. Las cadenas poliméricas no sólo se encuentran formadas de un tipo únicode monómeros. Para lograr una mayor gama de propiedades, se pueden producirpolímeros donde exista una combinación de dos, tres o más monómeros diferentesdando como resultado un copolímero.

1 Su combustión produce cianuro de hidrógeno.

Tomado de Brescia, F., Mehlman, S., Pellegrini, F y Stambler, S. (1977). “QUÍMICA”. Interamericana, México, pp.594

-COOC2H5C2H5OOC -

36

Por ejemplo, el copolímero estireno-acrinonitrilo (SAN) tiene una mayor resistenciaquímica y térmica que el estireno. Sin embargo, no es transparente como el poliestireno.

Se usa en artículos de cocina como batidoras o licuadoras y en la fabricación deaspiradoras.

Otro copolímero muy usado es el ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno. Es un plásticoque combina las propiedades de dureza y alta resistencia mecánica. Se puede combinarcon otros plásticos como el PVC, y se obtiene un material de alta resistencia usando enla fabricación de televisores. El ABS se emplea en la producción de partes moldeablespara automóviles.

Los automóviles fabricados en 1985 usaron un promedio de 12kg de este copolímeropara cada unidad. También se usa en los revestimientos de las puertas derefrigeradores.

Elastómeros

Los elastómeros son polímeros que tienen propiedades elásticas, es decir, pueden serestirados hasta doblar muchas veces su tamaño y después regresar a su formaoriginal.

El hule (o caucho) es un polímero natural con estas propiedades. El hule fue conocidoen México y América del Sur desde antes de la llegada de los españoles. Cristóbal Colónobservó que los nativos jugaban con pelotas hechas de un jugo natural endurecido(obteniendo de un secreción lechosa de ciertos árboles). Muestras de este materialfueron llevadas a Europa como mera curiosidad.

Posteriormente se hallaron otros usos para el hule. En 1823, Charles Macintosh patentóvestiduras fabricadas de una capa de goma entre dos capas de tejido, consiguiendo loque se llama impermeabilización.

Sin embargo, el uso del hule planteaba problemas con el cambio de temperatura: con elcalor se volvía pegajoso y gomoso, mientras que con el frío, correoso y duro. Serealizaron diversos experimentos para suprimir estas características indeseables delhule. Así, en 1839, el estadounidense Charles Goodyear, quien accidentalmente vertióhule con azufre en una plancha caliente, obtuvo un material suave y elástico que nomodificaba sus propiedades con el cambio de temperatura.

A este proceso de combinar hule con azufre se le denominó vulcanización y fue tomadodel nombre Vulcano, que es el dios romano del fuego.

En 1879 un químico francés, Gustave Bouchardat, calentó el caucho en ausencia de airey obtuvo un líquido llamado isopreno, cuya fórmula es la siguiente: CH2=C-CH=CH2

IsoprenoMonómero de hule CH3

37

Por lo tanto, el caucho es un polímero formado por unidades de isopreno:

En el proceso de vulcanización la función del azufre consiste en unir dos cadenas dehule en sitios donde se encuentran dobles ligaduras carbono-carbono (C=C). Laestructura formada es la siguiente:

En 1827, en Alemania fue desarrollado el primer hule sintético llamado BUNAS, uncopolímero formado de butadieno y estireno.

En 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, las fuentes proveedoras de hule naturalquedaron aisladas de los grandes centros consumidores como los Estados Unidos. Estoobligó a que se desarrollara la industria del hule sintético, a grado tal, que en 1985 seprodujeron 13.7 millones de toneladas a nivel mundial, correspondiendo el 32% al hulenatural.

Los hules sintéticos han sustituido al hule natural debido a que han mejorado suscualidades. Se producen a partir de derivados petroquímicos como las olefinas(butadieno) y han suprimido sus desventajas, además de que su precio es menor.

La siguiente es una forma de cómo se obtiene el hule sintético a partir del butadieno yestireno, llamado hule SBR.

-CH2

CH3

C = C

-CH2 -

H

CH2

CH3

C = C

CH2 -

Hn

H

C = C - C = C

H H

H H Η

+

H

C =C

H

H

- C - C =C - C - C - C -

H H H H H H

H H H n

Butadieno Estireno Hule SBR

CH2 - - CH2 CH2

C

H S

C

CH2 -H

C

S

C

H2C

C

H S

C

CH2CH2

CH2

H

o

Monómero Polímero

o

38

1. Explica qué es la polimerización.

2. Las siguientes son abreviaturas de polímeros, indica a qué polímeros se refieren y sucomposición.

PVC

BUNAS

SAN

3. De los ejemplos anteriores indica cuáles son copolímeros.

4. ¿Qué diferencia existe entre un elastómero y un plástico?

5. ¿En qué consiste la vulcanización y cuál es su utilidad?

6. ¿Como se forma el nylon 66?


39

7. De las fórmulas siguientes indica en los renglones cuáles son aminas, amidas oésteres.

c) Estructuras Primarias y Secundarias de los Polímeros.

Las características hasta aquí revisadas de los polímeros se pueden explicar a través detres factores relacionados con su estructura:

1. Grado de polimerización: determinado por el número de monómeros que loconformen.

2. Grado de cristalidad: medida del orden entre las cadenas. 3. Grado de reticulación: cuando las cadenas están unidas mediante enlaces.

De estos tres factores se desprende lo siguiente:

Los polímeros tienen una estructura química determinada por la composición de susmonómeros; a dicha estructura se le llama primaria. Pero la disposición de la cadenaen relación con otras cadenas desarrolla una serie de fuerzas intermoleculares quemodifican la estructura del polímero. A esta nueva disposición se le llama estructurasecundaria.

Como lo anotamos anteriormente, de la estructura secundaria dependen muchaspropiedades de los polímeros. Por ejemplo, que sean suaves y flexibles, como en elcaso de los diferentes tipos de polietileno

Por otro lado, un polímero puede formar cadenas continuas, que se mantienen unidas através de puentes de hidrógeno o de atracciones dipolo-dipolo, dando como resultadopolímeros útiles en la fabricación de plásticos duros, moldeables o fibras. Así, cuando lascadenas de un polímero están más ordenadas se tiene mayor grado de cristalinidad.

a) CH3-C-O-CH2- b) CH3-CH-CH3 c) CH3-CH2- C - N

O O O O

40

Técnicas para moldear plásticos con el fin de hacer objetos útiles

La diversidad en la presentación de los diferentes plásticos no sólo depende del tipo deplástico sino también de la técnica empleada para su moldeo. Por ello de los plásticos seobtiene hilos utilizados en la industria textil, artículos domésticos como mangueras,sillas, peines, botellas, pelotas, etcétera.

Los siguientes esquemas representan las técnicas más comunes que se utilizan para elmoldeado de los plásticos:

Figura 18. Máquina de calentamiento y moldeado (T). Representativo de Polimeros (plásticos).

H H

− C − C −

H Hn (en donde n = 5 500 - 6 000)

Estructura primaria Figura 17. Estructura secundaria

41

Figura 19. Extrusión. El plástico fundido se alimenta a través de la forma deseada

Figura 20. Moldeo por soplado. Un tubo de plástico calentado se encierra en un molde y se infla.

Figura 21. Moldeo por inyección. La materia prima se calienta en bolitas y luego se vacia y oprime sobre un molde frío.

42

Figura 22. Formado térmico. Las hojas de plástico calentadas se pasan a un molde.

d) Los Polímeros y la Contaminación

A partir de la Segunda Guerra Mundial, los polímeros han sustituido, en forma creciente,materiales naturales como madera, algodón, papel, acero, etc. Esto se debeprincipalmente a dos factores:

El primero, a sus propiedades de ser moldeables, anticorrosivos, resistentes a la acciónmecánica (una cuerda de nylon de 10 cm, de espesor, puede soportar una carga de5000 kg. sin romperse), resistencia a la temperatura, presencia de propiedadeselásticas, etc. Y, como hemos revisado anteriormente, estas propiedades se deben a lagran diversidad de estructuras que con las unidades monómeras se pueden construir.

El segundo, a la explotación a gran escala del petróleo. El auge de la industriapetroquímica, desde el aspecto económico, se debe a la excesiva producción depetróleo a nivel mundial, lo cual abarata su precio y permite -una vez establecidas lastecnologías apropiadas- producir polímeros en grandes cantidades, lo que repercute enlos bajos costos.

Sin embargo, debemos tomar en cuenta que el petróleo es un recurso no renovable.

Por otra parte, los polímeros, aunque indispensables para nuestra vida cotidiana, nosacarrean serios problemas: los relacionados con su desecho. La basura orgánica, comoel papel y restos de comida, se pueden biodegradar. Es decir, están formadas decompuestos que pueden romperse para dar lugar a otros compuestos más simples,como el bióxido de carbono y agua a través de la acción de baterías que se encuentranen la naturaleza. Entonces, hay que pensar en lo que sucede con los plásticos. Debetomarse en cuenta que cada día se producen miles de toneladas de basura yrepresentan los plásticos aproximadamente el 18% de su volumen.

En la actualidad, las investigaciones sobre polímeros van encaminadas a la producciónde polímeros biodegradables (que se degradan por la acción de la temperatura,humedad, con acción microbiológica, microorganismos) y fotodegradables (sensibles ala acción de la luz). Se pretende que su uso se extienda a bolsas desechables, envasesy empaques que representan un 70% del uso de plásticos.

Los polímeros o macromoléculas sintéticas se clasifican en elastómeros, fibras yplásticos. Sin embargo, esta clasificación tuvo que ver con las propiedades que tienecada uno de ellos.

43

Para poder llegar a esta clasificación, primero se tuvo que comprender cómo sedesarrollaban los polímeros (polimerización), en este sentido se encontró que suformación podría ser a partir de un proceso de adición o de condensación: en el primercaso la formación de estos polímeros es dada a partir de la suma de monómeros condoble catalizador: en tanto que en el segundo caso, la formación es dada a partir de lareacción de unidades monoméricas, dentro de este proceso se observa o se presentadesprendimiento de agua.

“POLÍMEROS”

Objetivo

Observar las propiedades de los polímeros mediante la realización de algunas pruebas,para relacionar las propiedades con su estructura.


1) ¿Qué es un polímero de adición?

2) ¿Qué es un polímero de condensación?

3) ¿Qué es un monómero?

4) ¿Qué es un copolímero?

5) ¿Qué es el “poliéster?



44

Experimento I

Objetivo

Comparar algunas propiedades físicas y químicas de diferentes polímeros, pararelacionar su estructura con sus aplicaciones.

¿Que necesitas?

Materiales

20 Tubos de ensaye de 16 x 150 mm1 Mechero Bunsen1 Pinzas para tubo de ensaye1 Soporte Universal1 Anillo de hierro1 Tela de alambre con asbesto1 Vaso de precipitados de 250 ml1 Gradilla para tubos1 Cucharillas de combustión

Reactivos

20 ml Ácido sulfúrico20 ml Disolución de hidróxido de sodio al 40%Trozos de diferentes materialesBolsa de “plástico” hule, tapónde baquelita, “unicel”, huleespuma, PVC, etc.10 Tiras de papel indicador para humedad


La indicada para el trabajo en el laboratorio para el calentamiento de material de vidrio yel manejo de ácidos fuertes y disolventes.

Ácido sulfúrico.- Líquido aceitoso, sin color ni olor, muy corrosivo sobre todo en materiaorgánica en los tejidos del cuerpo. El contacto con la piel y por ingestión causa severosdaños al organismo.

Hidróxido de sodio.- Sustancia tóxica y muy corrosiva. no debe tocarse ni ingerirse.

¿Cómo hacerlo?

De los objetos de “plástico” corta pequeños trozos (5) del mismo tamañoaproximadamente. Observa sus características físicas y anótalas en el cuadro.

Coloca un trozo de cada objeto en las cucharillas de combustión y calienta directamenteen la flama un minuto. Observa y registra.

45

Figura 23

Coloca un trozo de cada objeto en diferentes tubos de ensaye, coloca una tira de papelindicador para humedad en la boca de cada tubo. Calienta cada uno. Observa y registra.

En otros tubos de ensaye, coloca un trozo de cada objeto, agrega 4 ml de ácido sulfúricoa cada uno, toma cada tubo con las pinzas y calienta con precaución durante 30segundos en la flama. Observa antes y después de calentar. Registra.

Precaución: El ácido sulfúrico es muy corrosivo calienta con mucho cuidado.

Repite el paso anterior agregando dióxido de sodio en lugar de ácido sulfúrico.Conserva las precauciones

Precaución: El dióxido de sodio es muy corrosivo calienta con mucho cuidado. PH H2SO4 NaOH

Figura 24

Papel indicador Ácido Sulfúrico Hidróxido de sodio

Objetos plásticos Objetos plásticos Objetos plásticos

objetos“plásticos”

Cucharrilla decombustión

MecheroBunsen

46

Hipótesis

Ahora que conoces el procedimiento para realizar el experimento, elabora tu hipótesis apartir de la siguiente pregunta.

¿Por qué muchos utensilios son de “plástico” y no de metal?

EN ESTE MOMENTO PUEDES LLEVAR A CABOEL EXPERIMENTO


Objeto AparienciaFísica

Humedad Prueba a la flama Ácidosulfúrico

Hidróxidode sodio

Experimento II

Objetivo: Preparar un polímero para conocer sus propiedades y usos.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias1 Probeta de 100ml1 Agitador de vidrio1 Molde1 Vaso de precipitados de 250ml

100g de Resina MC-40 cristal35 Gotas de catalizador


La indicada para trabajar en el laboratorio y para el material de vidrio.

Resina MC-40 cristal.- Sustancia tóxica evítese su inhalación, ingestión y contacto conpiel y ojos.

47

Catalizador.- Sustancia inflamable y potencialmente explosiva cuando se expone al caloro impacto, manéjese con cuidado Tóxica, evítese su inhalación y contacto con piel yojos.

¿Cómo hacerlo?

Mide la capacidad de molde con agua y la probeta para determinar la cantidad de resinaque se requiere.

Coloca en un vaso de precipitados la resina MC-40 cristal necesaria para el molde yagrégale las gotas de catalizador considerando que por cada 25ml de resina serequieren 12 gotas de catalizador de reacción. Mezcla con el agitador evitando laformación de burbujas.

Figura 25

Precaución: Al mezclar las sustancias se liberará gran cantidad de calor, ten cuidado con el vaso, puede estar caliente.

Vacía inmediatamente al molde, el cual deberá estar acomodado de manera que no sederrame la mezcla.Después de 30 a 60 minutos toca la resina para verificar que ya no esté pegajosa y deser así, desmolda.

Para que tengas una guía en tus observaciones, te anexamos un cuestionario, en el cualte puedes apoyar.

Hipótesis

Una vez que te haz dado cuenta en qué consiste el experimento, elabora una hipótesisen la que predigas el producto que obtendrás al combinar las sustancias. ¿Cuál sería suutilidad?

48

AHORA REALIZA EL EXPERIMENTO Y COMPRUEBA SI TU HIPÓTESIS ES CORRECTA.


¿Qué sucede al agregar el catalizador?

¿Qué aspecto tiene la mezcla al vaciarse el molde?

¿Qué aspecto tiene al desmoldar?


1.- A partir de los resultados explica por qué cada material se usa de diferentes formas?

2.- De acuerdo a su comportamiento, ¿Cuál sustancia es menos degradable?

3.- A partir del comportamiento de la resina, señala en que momento ocurre la reacciónde polimerización.

49

Conclusiones

Considera el cuestionario de reflexión al contrastar tus hipótesis con tus resultados yelabora tus conclusiones.

50

Una vez que hayas observado con atención es siguiente esquema, elabora una síntesissobre los conceptos más relevantes del capítulo.

RECAPITULACIÓN

FUERZAS INTERMOLECULARES YMACROMOLECULARES SINTÉTICAS

FUERZASINTERMOLECULARES

MACROMÓLECULASSINTÉTICAS

se dividen en

MODELOCINÉTICO

MOLECULAR

NATURALEZA

PROPIEDADES

SÓLIDOS

aplicadoen

LÍQUIDOS

GASES

a partirde

PUENTES DEHIDRÓGENO

FUERZAS DELONDON

FUERZAS DIPOLO-DIPOLO

SÓLIDOS

LÍQUIDOS

POLÍMEROSPOLIMERIZACIÓN

PLÁSTICOS

se clasifican en

- Nylon (66)

− Termoplásticos

ADICIÓN

SUMA DEMONÓ-MEROS

CONDENSACIÓN

REACCION DEMONÓMEROS

ESTRUCTURA

puede ser

SECUNDARIA

PRIMARIA

que puedeser por donde

su

Consiste en

dadapor

FIBRAS

ELASTÓMEROS

a partirdel y lasy su

a partirde los

sony la

51

En este apartado podrás aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de estecapítulo, por lo que te invitamos a que realices las siguientes actividades.

1.- Completa la siguiente tabla, con la información que te pide.

EJEMPLO ESTADO DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA

MATERIA

PROPIEDAD QUE LOCARACTERIZA

ENLACE O FUERZAINTERMOLECULAR

ALCOHOLETÍLICO

MIEL Coloide− No se difunde fácilmente− Es comprensible

− Fuerzas London

AZÚCAR

ALUMINIO

REFRESCO

− No es compresible− Toma la forma del recipiente

que lo contiene

ACETONA

DIAMANTE

Sólido

− Enlace Covalente− Fuerzas dipolo-

dipolo.


52

2.- Completa la la tabla, según la información que te pide.

EJEMPLO TIPO DE POLÍMERO MATERIA PRIMA MONÓMEROS OPOLÍMEROS

RECIPIENTE DETOPPERWARE

− Termoplástico− Polímero de adición

LLANTAS PARAAUTÓMOVIL

Nylon 66

PLASTILINA

ESPONJA DE COJÍN

− Elastómero Copolímero− Polímero

SUELA DE ZAPATOSINTÉTICA

− Polímero de

Condensación

PRÓTESIS

− Propileno

MICA DECREDENCIAL

− Monómero

53

Dentro de esta sección podrás comparar los resultados que obtuviste de las ActividadesIntegales y, así, podrás identificar que temas o sistemas no fueron lo suficientementeclaros. 1.-

EJEMPLO ESTADO DE AGREGACIÓNMOLECULAR DE LA MATERIA

PROPIEDAD QUE LOCARACTERIZA

ENLACE O FUERZAINTERMOLECULAR

ALCOHOL ETÍLICO

Líquido

− Se difunde fácilmente.− Es comprensible.

− Fuerzas London

MIEL

Coloide

− No se difunde fácilmente

− Fuerzas London

AZÚCAR

Sólido

− Tiene forma definida− No fluye

− Enlace Covalente− Fuerzas London

ALUMINIO

Sólido

− Tiene forma definida

− Fuerzas London− Fuerza Metálica

REFRESCO

Líquido

− Se difunde fácilmente− Toma la forma del recipiente

que lo contiene

− Fuerzas London

ACETONA

Líquido

− Toma la forma del recipiente− Fluye fácilmente− Punto de Ebullición bajo

− Fuerzas London

DIAMANTE

Sólido

− Tiene forma definida− No se comprime− No fluye

− Enlace Covalente− Fuerzas dipolo-

dipolo.

AUTOEVALUACIÓN

54

2.-

EJEMPLO TIPO DE POLÍMERO MATERIA PRIMA MONÓMEROS OPOLÍMEROS

RECIPIENTE DETOPPERWARE


− Propileno

− Monómeros

LLANTAS PARAAUTÓMOVIL

− Elastómero− Polímero de

Condensación

− Nylon 66

− Polímero

PLASTILINA

− Elastómero

− Cloruro de Vinilo

− Polímero

ESPONJA DE COJIN

− Polímero de adición

− Benceno

− Elastómero Copolímero− Polímero

SUELA DE ZAPATOSINTÉTICA

− Polímero de

Condensación

− Nylon 66

− Polímero

PRÓTESIS


− Propileno

− Polímero

MICA DECREDENCIAL

− Polímero de

condensación

− Etileno

− Monómero

55


2.1 BIOMOLÉCULAS

2.2 CARBOHIDRATOS E HIDRATOS DE CARBONO

2.2.1 Monosacáridos 2.2.2 Anómeros 2.2.3 Disacáridos. 2.2.4 Polisacáridos

2.3 LÍPIDOS

2.3.1 Ácidos Grasos 2.3.2 Acilglicéridos 2.3.3 Fosfoglicéridos 2.3.4 Ceras 2.3.5 Terpenos 2.3.6 Esteroides

2.4 PROTEÍNAS

2.4.1 Aminoácidos 2.4.2 Enlace Peptídico 2.4.3 Clasificación de las proteínas 2.4.4 Estrutura de las Proteínas

CAPÍTULO 2

57

En este capítulo identificarás las Macromoléculas Naturales; esto lolograras a través de actividades en las cuales podrás reflexionar sobre loscontenidos y poner en práctica los conocimientos asociados, así mismo,realizando un experimento sobre las biomoléculas; todo lo anterior teservirá para comprender la importancia que juegan dichas moléculas enlos procesos vitales de los seres vivos.

P R O P Ó S I T O

59

CAPÍTULO 2. MACROMOLÉCULAS NATURALES

2.1 BIOMOLÉCULAS

Se conocen como biomoléculas constituyentes de nuestras células que tienen lacapacidad de preservar la vida. Es importante mencionar que necesitaríamos de todo untratado para poder mostrarte una pequeña parte de las biomoléculas conocidas, peroexisten varios grupos de biomoléculas que tienen características comunes y queintentaremos darte a conocer.

En particular, abordaremos los compuestos conocidos como carbohidratos, lípidos yproteínas que podrán darte un panorama para comprender cuál es tu constituciónquímica.

Dada una variedad de biomoléculas se presenta una gran cantidad de isómeros(moléculas con igual forma pero distinta estructura), particularmente isómeros ópticos.

La isomería óptica aparece por la presencia de carbonos con geometría tetraédricaenlazadas a cuatro grupos radicales diferentes, que pueden distribuirse de dos formas,una llamada Dextrógira (D) y otra Levógira (L). Ejemplo de este tipo de isómero sonsuperpuestas:

Espejo Espejo

CHO CHO COOH COOH | | | | H–C–OH OH–C–H H–C–NH2 NH2 –C–H | | | | CH2OH CH2OH CH3 CH3

D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído D-Alanina L-Alanina

Se puede hacer una comparación de lo anterior con tus manos, ambas tiene la misma|utilidad pero no son iguales es la imagen en el espejo de la otra y no son superponibles.

60

Los dos ejemplos anteriores tienen un átomo central de carbono que está enlazado agrupos direfentes y su imagen no es superpuesta como el caso de tus manos.

Lo anterior es aún más evidente con las siguientes figuras “tridimensionales”:

Los isómeros D y L se conocen como enantiómeros y como uno de ellos es común quese presente en los sistemas de los seres vivos, pueden hacerse de nuevo lacomparación con tus manos ya que normalmente utilizas preferentemente una de tusmanos. Así mismo las células utilizan el enantiómero D en los carbohidratos, losenantiómeros L en los lípidos y las proteínas, aunque en ambos casos se presentanexcepciones.

H

CHO

CH2OH

C OH H

CHO

CH2OH

COH

espejo

D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído

61

Consulta las etiquetas de composición de alimentos procesados que tengas en casa yrealiza una lista de los componentes que contienen, y anotalos en este espacio.


62

2.2 CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos son moléculas que tienen la característica muy notable de ser lascélulas comunes en los seres vivos, esto es, se encuentran en todo tipo de células y enmuchas ocasiones el volumen celular total contiene hasta 80% de carbohidratos, comoel caso de algunas células vegetales.

Muchos de los materiales comunes para nosotros contienen cantidades considerablesde carbohidratos, como el papel que constituye este capítulo (celulosa) o la tela demucha ropa (celulosa). Asimismo, algunos alimentos son ricos en carbohidratos,especialmente en almidón, tales como papas, tortillas, galletas, pan, etc. y muchos otroscontienen carbohidratos más simples como la lactosa (leche), la sacarosa (azúcar decaña) o la maltosa (malta). Incluso existen algunos alimentos con carbohidratos de grantamaño como el glucógeno (hígado y carne).

Cabe mencionar que los carbohidratos cumplen fundamentalmente dos tipos defunciones dentro de un organismo estructural y de reserva. Los estructurales tienen lamisión de sostener, en algunos casos en las plantas, grandes estructuras y los dereserva son los que van a proporcionar energía o serán almacenados para formar, apartir de ellos, otras moléculas de utilidad para las células.

Antes de acercar de lleno al conocimiento de las estructuras, vale la pena mencionarque los carbohidratos son conocidos con varios nombre debido a que muchos de ellostienen sabor dulce, el término de sacáridos que proviene del griego sákkaros significa“azúcar o dulzura” también es empleado para designarlos, asimismo, también se utilizala palabra glúcidos para nombrarlos ya, que cuando se unen lo hacen mediante un tipode enlace conocido como glucósidico.

Hasta aquí mencionamos algunas cualidades de los carbohidratos pero aún no hemostenido la oportunidad de conocerlos adecuadamente, y aunque es difícil poderestablecer en un solo tipo todas las estructuras y funciones de los carbohidratos,trataremos de reconocer a los principales monosacáridos, disacáridos y polisacáridos,los primeros funcionan como monómeros para formar estructuras más complejas.

2.2.1 MONOSACÁRIDOS

Todos los monosacáridos simples tienen la fórmula empírica general (CH2O)n, en donden es cualquier número entero desde 3 hasta 9 (de ahí su nombre de carbohidratos ohidratos de carbono). Independientemente del número de carbonos que contenga,pueden clasificarse en una de dos clases generales: aldosas o cetosas. La terminaciónOSA es empleada en la nomenclatura de los carbohidratos.

63

O OH OH

CH CH CH CH2 OH

Las aldosa poseen el grupo funcional aldehído (C ), mientras que lascetosas

tienen el grupo funcional cetona ( - C - ). Los monosácaridos más simples, de acuerdocon lo anterior, son: el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (en ambos la fórmula empíricageneral es (CH2O)3.

A continuación te presentamos un ejemplo de monosacáridos (aldosas y cetosas) yalgunas de sus características:

Aldosas Fórmulas Semiestructurada

CHO

H C OH

CH2 OHGliceraldehído

(Aldotriosa)

O

CHO

H C OH

H C OH

CH2 OHEritrosa

(Aldotetrosa)

O OH

CH CH CH2 OH

CH2OH

C = O

CH2OH

O

C

H C OH

O

H

CH2OH

Digliceraldehído (unaaldosa)

2,3 Dihidroxipropanal

Dihidroxiacetona(una cetosa)

1,3 - Dihidroxi - 2 propanona

H

64

Cetosas Fórmulas Semiestructurada

CHO

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

CH2 OH Manosa

(Aldohexosa)

O OH OH

CH CH CH CH CH CH2 OH

OH OH

CH2 OH

C = O

CH2 OHDihidroxiacetona

(Cetotriosa)

CH2 OH

C = O

H C OH

CH2 OHEritrulosa

(Cetotetrosa)

O

CH2 C CH2 OH

OH

O

CH2 C CH CH2 OH

OH OH

65

Cabe aclarar que estas estructuras cumplen con la fórmula empírica general (CH2O)n,en donde n= 3 para las triosas (3 carbonos), n=4 para tetrosas (4 carbonos), n = 5 parapentosas (5 carbonos), y n = 6 para hexosas (6 carbonos). En cualquiera de los casosse añade al prefijo aldo (para aldosas), así por ejemplo, la ribosa es una aldeopentosa,mientras que la fructosa es una cetohexosa.

Si observamos la fructosa comparada con la glucosa, notaremos que tiene la mismafórmula empírica pero diferente grupo funcional y por lo tanto son isómeros funcionales.Por otro lado la glucosa galactosa y manosa también tiene la misma fórmula empírica yademás, el grupo funcional; a este tipo de isómeros se les conoce como diastereómeroso estereoisómeros.

En cuanto a su constitución química, y de acuerdo con tus conocimientos anteriores,puedes notar que las aldosas y las cetosas son en realidad polihidroxialdehidos opolihidroxicetonas, respectivamente.

2.2.2 ANÓMEROS

Una cualidad muy especial de los carbohidratos es su reactividad química, la cual sedebe principalmente a sus grupos aldehido o cetona. El químico alemán Emil Fisherdescubrió que las pentosas y hexosas, aún estando cristalizadas se convierten en unaforma cíclica y podrían encontrarse en cualquiera de 2 formas isómericas llamadas o. A estas dos formas cíclicas se les conoce como anómeros.

CH2 OH

C = O

HO C H

H C OH

H C OH

CH2 OHFructosa

(Cetohexosa)

O OH OH

CH2 C CH CH CH CH2 OH

OH OH

66

Observa estas formas cíclicas descubiertas por Fisher de algunos monosacáridos:

Glucosa

Fructosa

Ribosa

Anómero de la Glucosa(o simplemente - glucosa)

CH2OH |C – O | OH

H C

HOH H C

OH | |C – C H | |H OH

Anómero de la Glucosa( - glucosa)

CH2OH O CH2OH

C CH OH

H OHC C

OH H

-Fructosa -Fructosa

CH2OH |C – O | H

H C

HOH H C

HO | |C – C OH | |H OH

CH2OH O OH

C CH OH

H CH2OHC C

OH H

CH2OH O H

C CH H

H OHC C

OH OH

-Ribosa

CH2OH O OH

C CH OH

H HC C

OH OH

-Ribosa

67

El mismo Fisher representó las estructuras anteriores de una forma más simple,considerando sólo la proyección de los grupos - OH hacia arriba o abajo del anilloformado y los átomos de carbono como las aristas o ángulos en la figura:

O O

Podrás notar que la diferencia entre los anómeros y de las estructuras anterioressólo reside en la posición de uno de los grupos - OH de la molécula.

La importancia de reconocer los anómeros o reside en que el hidroxilo presente, endicha posición, la posibilidad de reaccionar con otro monosacárido para formar enlaces yproducir disacáridos o polisacáridos.

La posición o puede ser determinante en la función de un polisacárido ya quecomúnmente las uniones aparecen en polisacáridos de reserva y las en losestructurales.

Algunos otros ejemplos de estructuras cíclicas de monosacáridos son las siguientes:

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

GLUCOSA FRUCTOSA

RIBOSA

CH2OH CH2OH

GALACTOS

CH2OH

MANOSA

CH2OH

XILOSA

CH2OH

CH2OH

CH2OH CH2OHCH2OH CH2OH

O O

68

2.2.3 DISACÁRIDOS

Los monosacáridos tienen la propiedad de reaccionar fácilmente con alcoholes paraformar un nuevo tipo de enlace llamado éter.

En partícular este enlace se llama glucosídico cuando la unión se forma entre unmonosacárido y otra molécula que puede ser un alcohol u otro monosacárido.

CH2OH

- glucosa

+ CH3OH

Metanol

CH2OH

- glucosa

CH2OH

metil - - glucosa

Éter

CH3

Maltosa(Un disacárido)

Enlace glucosídico

+H

CH2OH

-

+

CH2OH

-

+ H2O + CH3OH

Metanol

CH2OH

O - CH3

metil - - glucosaÉter

CH2OHCH2OH

69

La maltosa es un disacárido de sabor dulce que se encuentra en forma natural enmuchos vegetales y esencialmente en algunas frutas, en algunos casos puede serproducido por hidrólisis de almidón (un polisacárido) en la fabricación de miel de maíz.

Otros ejemplos de disacáridos naturales son:

Los disacáridos anteriores pueden obtenerse de células vegetales con excepción de lalactosa que es de origen animal. La isomaltosa generalmente se encuentra combinadacon la maltosa, y pueden producirse ambas por hidrólisis de almidón, la Celobiosa puedeaparecer como un subproducto de la hidrólisis de la celulosa, la lactosa es el “azúcar dela leche” y, además, es el principal carbohidrato durante la lactancia de bebés y lasacarosa es aquella que normalmente conoces como “azúcar” aunque en realidad éstaes una mezcla de sacarosa con algunos otros disacáridos y trisacáridos.

La mayoría de los disacáridos son dulces y, precisamente, pueden emplearse a nivelindustrial como endulzantes. Además, los monosacáridos y los polisacáridos de reservaproporcionan grandes cantidades de energía a nuestras células y en general a todos losorganismos.

CH2OHIsomaltosa Lactosa

CH2

CelobiosaSacarosa

CH2OH CH2OH

CH2OH CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

70

Debido a que el exceso de carbohidratos en nuestra dieta provoca la formación degrandes depósitos de lípidos (obesidad) combinado esto, a nuestra vida sedentaria y auna serie de condiciones fisiológicas y genéticas, se han desarrollado algunosedulcorantes artificiales que producen poca energía (y por lo tanto pocos lípidos) para“endulzar” algunos productos, en la siguiente figura podrás observar las estructucturasde tres de ellos y notarás que tienen diferentes características a las de los carbohidratos.

1. Investiga las estructuras y las funciones de algunos otros disacáridos.

2. Investiga las ventajas y desventajas del uso de edulcorantes artificiales

2.2.4 POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son, en comparación con monosacáridos y disacáridos, mucho másfrecuentes, ya que se encuentran prácticamente en todo tipo de células y en diferentesformas, como polímeros de distintos monosacáridos, pero siempre con la finalidad demantener una cierta cantidad de energía de reserva como en los “polisacáridos dereserva” o “proporcionar firmeza suficiente para soportar el peso de grandes cantidadesde tejido vivo y mantener a las células en condiciones de soportar cambios atmosféricoso de medio ambiente, a estos últimos se les conoce como polisacáridos estructurales”.


S

N-H

O O

H O- Na+

N S O

O

Ciclamato deSodio

NH2 O H H O

H C C N C C O CH3

CH2 CH2

COOH Aspartame(Canderel óNutrasweet)

71

a) Polisacáridos de reserva

Existe una variedad relativamente pequeña de polisacáridos de reserva, en las célulasvegetales se encuentra el almidón pero en otros vegetales hay insulina, dextranos,arabinanos, xilanos, mananos, agar, etc., en células animales y bacterianas seencuentran particularmente el glucógeno, estos polisacáridos de reserva tienenestructuras repetitivas de un solo tipo de monosacárido con la finalidad de que unmomento determinado, debido a su hidrólisis, la concentración del monosacárido quecontiene se incremente y pueda obtener energía a partir de él o en caso contrariocuando existe energía suficiente en la célula y el monosacárido se encuentra en altaconcentración, se vuelve a formar el polisacárido.

b) Almidón y Glucógeno

El almidón es una mezcla de dos polímeros que contienen solamente glucosa, estosdos polisacáridos son la amilosa y la amilopectina.

La amilosa es un polímero lineal donde sólo hay enlaces glusídicos :

Las cadenas de amilosa pueden extenderse hasta tener cientos de moléculas deglocusa alcanzando pesos moleculares de hasta 150,000 (Aprox. 1000 moléculas deglucosa). Una propiedad de la amilosa es el tomar una estructura tridimensional de tipohelicoidal y de producir una coloración azul en presencia de soluciones de iodo (lugol).

AmilosaEnlaces glucosídicos

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

72

La amilopectina se diferencia de la anterior en que contiene una serie de ramificacionessobre la cadena lineal original de amilosa:

En general los almidones presentan un 20 a 25% de amilosa y el resto de amilopectinaaunque algunos cereales como el arroz, sorgo, y maíz contienen exclusivamenteamilopectina.

El glucógeno (llamado también almidón animal) se encuentra en tejidos animales y encélulas bacterianas es un polisacárido de estructura muy similar a la amilopectina, enrealidad sólo se diferencia de ella en que las ramificaciones aparecen cada 8 a 12unidades de glucosa (muy ramificado) y su peso molecular puede alcanzar hasta 16millones (alrededor de 100 000 moléculas de glucosa) y en presencia de iodo presentauna coloración café rojizo.

Si tuvieramos un gran microscopio donde pudiéramos comparar las estructuras deamilopectina y glucógeno observaríamos lo siguiente:

Amilopectina (poco ramificado) Glucógeno (muy ramificado).

En los demás polisacáridos de reserva encontramos características similares a laamilosa como en el caso de la insulina que es un polisacárido lineal de fructosa unidamediante enlaces glucosídicos o en la mananos que son polímeros lineales de manosacon enlaces glucosídicos .

c) Polisacáridos Estructurales

La variedad de los polisacáridos estructurales es mucho mayor que la de los de reserva,esto se debe a que en muchos casos existe una gran asociación entre varios de ellospara formar una estructura particular. En este caso existen algunos que contienen dos omás monosacáridos diferentes en su composición. Tal como lo mencionamos conanterioridad, estos polisacáridos forman estructras rígidas que dan forma y fuerza amuchas células, la cual sirve para proporcionar energía a una célula.

CH2OH

Amilopectina

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

CH2OHCH2OH CH2OH

73

Algunos ejemplos de estos polisacáridos estructurales son:

Celulosa

La celulosa es un polisacárido que contiene glucosa unida mediante enlacesglucosídicos y es un polímero lineal que puede estar formado de varios miles demoléculas de glucosa.

La naturaleza utiliza a la celulosa para dar fuerza y rigidez a las plantas. La madera, alheno y el algodón están constituidos principalmente por celulosa aunque se encuentramezclada con otros polisacáridos como hemicelulosa, pectina y extensina y otrospolimeros (no carbohidratos) como la lignina. Algunas sintéticas como el rayón sonderivados de la celulosa.

Quitina

En muchos organismos invertebrados (por ejemplo langostas e insectos) no existenhuesos que puedan sostener sus estructuras, sin embargo la quitina tiene la función desostener dichos organismos, también se encuentra en paredes celulares de hongos ylevaduras, tiene una estructra muy similar a la celulosa, sólo que en lugar de la glucosacontiene un derivado de ella que se denomina N - acetil - glucosamina formando largascadenas lineales de miles de moléculas del monosacárido mencionado.

CH2OHCH2OH CH2OH

celulosa

NH

C // \ O CH3

Enlace Glucosídico

NH

C // \ O CH3

NH

C // \ O CH3

Quitina

Unidad de N - acetil: glucosamina Enlace glucosídico

CH2OHCH2OH

CH2OH

74

Además de los anteriores existe una gran cantidad de polisacáridos estructurales comoel Ácido Hialurónico que conjuntamente con los sulfatos de condroitina y queratano, eldermatano y otros forman cubiertas celulares en células animales con la finalidad de darfuerza y resistencia a dichas células.

Otro polisacárido importante es el peptidoglucano (también llamado mureína) que dáforma a las paredes celulares bacterianas.

¿Cuál es la importancia de los polisacáridos estructurales enlos tejidos animales, si éstos no contienen paredes celulares?

75

Como recordarás, los...


CARBOHIDRATOS

CÉLULAS EN LOSSERES VIVOS

MONOSACÁRIDOS ANÓMEROS DISACÁRIDOS POLISACÁRIDOS

ESTRUCTURAL

SOSTENER

se encarga deconsiste en

su función esALDOSA

ALDEHÍDOS H C O

CETONA O

C

ISÓMEROS

ALFA

BETA

MONÓMEROY OTRA

MOLÉCULA

ENDULCORANTE

unión entre

se empleacomo

ALMIDÓN YGLUCÓGENO

MONOSACÁRIDOSDIFERENTES

RESERVA

ESTRUCTURASREPETIDAS

DE UN MONÓMERO

se compoenen deson

se dividen en

ALMACENAR YPROPORCIONAR

ENERGÍA

son

CETOSA

se clasifican en

su grupo funcionales

RESERVA

puede serde tipo

son

de tipo

ESTRUCTURALES

76

2.3 LÍPIDOS

Los lípidos se caracterizan por ser generalmente insolubles en agua y solubles ensolventes de baja polaridad. Contiene estructuras hidrocarbonadas (similares a alcanosy alquenos) que producen una gran variedad de tipos y formas entre los que seencuentran los acilglicéridos, los fosfogliceridos, las ceras, los terpenos y los esteroides.Una característica distinta de algunos de estos tipos de lípidos es la presencia de ácidosgrasos en sus estructuras.

2.3.1 ÁCIDOS GRASOS

Los ácidos grasos presentes en los lípidos naturales se denominan “grasos” debido quesus cadenas carbonadas son largas y normalmente hidrofóbicas, pero ademáscontienen la función química ácida (-COOH) que tiene gran solubilidad en agua. Puedepresentarse en dos formas, con dobles enlaces (insaturados) o sin ellos (saturados).

Tabla 7. Algunos Ácidos grasos en los seres vivos

Ácidos grasos saturados Punto de fusión (´C)

Ácido láurico CH3(CH2)10 COOH 44Ácido mirístico CH3(CH2)12 COOH 54Ácido palmítico CH3(CH2)14 COOH 63Ácido esteárico CH3(CH2)16 COOH 70Ácido araquídico CH3(CH2)18 COOH 75Ácido behénico CH3(CH2)20 COOH 80

Ácidos grasos insaturados Punto defusión (‘ C)

Ácido palmitoleico CH3(CH2)5 CH=CH(CH2)7 COOH -0.5Ácido oleico CH3(CH2)7 CH=CH(CH2)7 COOH 13.4Ácido linoleico CH3(CH2)4 (CH=CH-CH2)2 (CH2)6 COOH -5Ácido linolénico CH3CH2 (CH=CH-CH2)3 (CH2)6 COOH -10Ácido araquidónico CH3(CH2)4 (CH=CH-CH2)4 (CH2)2 COOH -50

Si observas la tabla anterior notarás que los puntos de fusión de los ácidos grasossaturados están por encima de nuestra temperatura ambiente mientras que losinsaturados están por debajo, esto es indicador que los lípidos que contienen ácidosgrasos saturados normalmente son sólidos (manteca de cerdo) mientras que si contieneinsaturados son líquidos (aceite vegetal). En muchos casos hay mezclas donde latemperatura de fusión estará dada por el promedio de las temperaturas de fusiónindividuales.

En todos los casos, las cadenas de carbono no están ramificadas por ejemplo el ácidoesteárico es el ácido octodecanoico (revisa el fascículo 2 de Química II). Lastemperaturas de fusión aumentan al incrementar el número de carbonos y disminuye alaumentar el número de insaturaciones.

77

Los ácidos grasos al reaccionar con los alcoholes forman ésteres.

Esta reacción es de gran importancia debido a que para la formación de algunos lípidoslos ácidos grasos producen ésteres al reaccionar con alcoholes.

Los ésteres de ácidos grasos pueden hidrolizarse con una base fuerte (por ejemploNaOH) para producir jabones:

Esto es una caraterística importante de los ácidos grasos ya que al formar una sal conun elemento metálico tiene la capacidad de arrastrar sustancias hidrofóbicas por suparte no polar e hidrofilicas por su parte polar, además de disminuir la tensión superficial,por lo que los jabones tienen capacidad limpiadora.

A esta reacción comunmente se le conoce como “saponificación” y es precisamente laforma como se producen los jabones de uso cotidiano, los cuales son mezclas de variassales de ácido graso (saponificación de lípidos que contienen ácidos grasos).

CH3(CH2)14 - CCH3(CH2)14COOH + CH3OH

O

O - CH3 + H2O

enlace tipoéster

metilPalmitatoÁcido Palmítico Metanol

78

2.3.2 ACILGLICÉRIDOS.

Los acilglicéridos, o simplemente glicéridos, son ésteres de ácidos grasos con el glicerol.Según el número de ácidos grasos formando enlace éster con el glicerol existen losmonoacilglicéridos (un ácido graso), los diacilglicéridos (dos ácidos grasos) y lostriacilglicéridos, éstos últimos son los más importantes debido a que en la naturaleza sonlos más abundantes.

La variedad de ácidos grasos presentes en los triacilglicéridos hace que este grupo seamuy abundante y heterogéno ya que dependiendo de los ácidos grasos las mezclas detriaciglicéridos pueden ser sólidos como en la manteca y la mantequilla o líquidos comoel aceite comestible y dependiendo del origen la composición también es muy variada.

Los triaciglicéridos forman depósitos en las células y su función es de reservaenergética, estos son utilizados para proporcionar energía a nuestro organismo ydespués de que han sido usados las reservas de carbohidratos aunque muchos de ellosfuncionan como proveedores de cadenas hidrocarbonadas para producir otros lípidoscomo fosfoglicéridos, ceras, terpenos y esteriodes.

A nivel industrial los triaciglicéridos se utilizan en la fabricación de jabones por medio dela reacción de saponificación anteriormente mencionada.

79

2.3.3 FOSFOGLICÉRIDO

Los fosfoglicéridos difieren de los triaciglicéridos en propiedades y composición; estoscontienen ácidos grasos y glicerol, pero también contienen fosfato y un aminoalcohol.

La estructura iniciadora de todos los fosfoglicéridos es el glicerol unido al grupo fosfatomediante enlace éster fosfórico:

Los ácidos grasos se unen mediante enlace éster a los -OH del glicerol, mientras que elúltimo de los componentes de los fosfoglicéridos es un aminoalcohol que por su aminopresenta una gran polaridad y debido a eso se conoce como un grupo de cabeza polar.

Tanto el grupo de amino como el fosfato presenta carga y de aquí que losfosfoglicéridos tengan una gran polaridad y por lo tanto son “anfipáticos”, es decir tienenuna parte polar y otra no polar.

80

Debido a la anfipacidad de los lípidos, estos se agrupan entre si formando micelas.

Las Micelas son pequeñas esferas que se pueden estabilizar por largo tiempo ensoluciones acuosas tal como en el caso de la leche donde el proceso dehomogenización dispersa los lípidos formando micelas.

Los grupos de cabeza polar que contienen los fosfoglicéridos pueden ser más variadosque los presentados anteriormente aunque particularmente son frecuentes la colina y laetanolamina. Los fosfoglicéridos que contienen colina se conocen comunmente como“lecitinas” y los que contienen etanolamina se conocen como “cefalinas”.

De acuerdo a sus características, los fosfoglicéridos tienen una función totalmentedistinta a los acilglicéridos, en este caso son formadores de membranas celulares y deorganelos internos de una célula. Las biomembranas contienen otro componentecaracterístico: las proteínas, más adelante tendremos la oportunidad de mencionar unpoco más su composición y estructura.

Existe un grupo de lípidos con características muy similares a los fosfoglicéridos, losesfingolípidos, los cuales se encuentran particularmente en membranas de tejidonervioso muscular. En este grupo la diferencia principal es la presencia de esfingosinaen lugar de glicerol como estructura iniciadora.

2.3.4 CERAS

Una cera es un éster que se distingue de los demás por la naturaleza del constituyentealcohol y del ácido; ambos contienen cadenas hidrocarbonadas largas: las ceras sontotalmente insolubles en agua y su función es servir de cubierta química protectora en lasuperficie y plantas. Las plumas de muchas aves así como la superficie de las hojas demuchas plantas contienen una capa de cera como agente impermeable.

La cubierta cerosa de hojas, y frutas de las plantas previenen la pérdida de humedad yprobablemente también la oportunidad de infección.

Palmito de miricilo(componente principal en la cera de las abejas)

81

Los lípidos hasta ahora mencionadas se conocen como lípidos saponificables ocomplejos debido a que por la presencia del grupo éster producen jabones (sales deácidos grasos) cuando son hidrolizados por una base fuerte.

Los restantes grupos de lípidos no contiene ácidos, ácidos grasos esterificados sonconocidos como lípidos insaponificables ó simples e incluyen a los terpenos, esteroidesy prostaglandinas.

82

2.3.5 TERPENOS.

Los terpenos son componentes lípidos menores en las células es decir, sólo seencuentran en concentraciones muy pequeñas y están construidos a partir de múltiplesrepeticiones del hidrocarburo de cinco átomos de carbono conocido como isopreno.

Estas moléculas pueden ser lineales o cíclicas y contener un número variable de doblesenlaces y en algunos casos encuentran grupos -OH.

Las líneas punteadas de éstas estructuras y de los demás terpenos la separaciónhipotética entre las unidades de isopreno.

De acuerdo al número de unidades de isopreno que contienen los terpenos sonllamados monoterpenos (2 unidades de isopreno), sesquiterpenos (3 unidades deisopreno), diterpenos (4 unidades de isopreno), triterpenos, (6 unidades de isopreno) yasí sucesivamente. Algunos ejemplos de esta moléculas son los siguientes:

En las plantas se ha encontrado un gran número de terpenos diferentes, muchos deellos proporcionan aroma y sabores característicos y son los componentes de “aceitesesenciales” de algunas plantas, así por ejemplo el Geraniol, limoneno y mentol sonrespectivamente los componentes principales del aceite de geranio, limón y mentarespectivamente.

83

Algunos terpenos son también vitaminas o precursoras de la síntesis de algunas otrascomo los que se presentan a continuación:

En el grupo de los terpenos, además de los anteriores, se encuentran algunassustancias interesantes tales como los carotenoides y las xantofilas que participan enotras estructuras importantes en la absorción de la luz por parte de las plantas. Lavitamina A o Retinol se combina con una proteína llamada opsina para formar larodopsina que es importante en la captación de la luz en los ojos. El hule natural(caucho) es un politerpeno que se encuentra en algunos vegetales.

2.3.6 ESTEROIDES

Los esteroides son lípidos que principalmente tienen la función de tipo hormonal y seconsideran como derivados del escualeno (ver estructuras de terpenos) el cual funcionacomo precursor en la biosíntesis de los esteroides, particularmente del lanosterol. Tantolos terpenos como los esteroides comparten algunas propiedades como solubilidad ensolventes órganicos, presencia de grupos alcohol o cetona y dobles enlaces carbono -carbono pero los esteroides normalmente un sistema de cuatro anillos llamadosciclopentano perhidrofenantreno.

1

102

3

45

9

11

12

13

17

16

14 15

8

7

6

Ciclopentanoperhídrofenantreno(la numeración Indicada se sigueen todos los ejemplos).

84

Los esteroides están presentes en todos los organismos y tienen diversas funciones. Enel ser humano sirven como hormonas sexuales, así como agentes emulsificantes delípidos en la digestión y transportan a través de membranas antiinflamatorias yreguladores metabólicos, a continuación te presentamos algunos ejemplos deesteroides.

Además de los naturales se han producido en buen número de esteroides sintéticoscuya función original fue la de sustituir las deficiencias de los primeros y se descubrióque podían funcionar como anticonceptivos, como anabólicos, como diuréticos o conotros fines. El uso de esteroides naturales o sintéticos debe hacerse bajo control médicopara evitar algunos efectos nocivos que producen.

O

CH3

CH3

OHTestosterona

(Hormona sexual masculina)

Progesterona(Hormona sexual femenina)

O

CH3

CH3

O

C CH3

CH3

CH3

OHCH3

NH

N

Stanozolol(Un esteroide sintético)

85

Una característica interesante de los esteroides es que durante su síntesis natural casitodos son producidos a partir del colesterol.

Hormonas sexuales

Hormonas del crecimientoEscualeno Lanosterol Colesterol Hormonas vegetales

EmulsificantesEtcétera

Además de ser precursor de diversos esteroides, el colesterol puede esterificarse(formar un éster) por el OH de la posición 3 de su estructura con alguno de los ácidosgrasos que conocemos formando ésteres del colesterol los cuales se van depositandoen venas y arterias produciendo una enfermedad conocida como arteriosclerosis que encondiciones graves pueden producir un infarto cardiaco. Por ellos no es recomendable elconsumo de alimentos con colesterol u otros esteroides, ya que el exceso de éste se vaacumulando hasta producir la citada enfermedad.

Investiga el significado de los términos: anabólico, diurético, arteriosclerosis, precursor,infarto y consecuencias.


86

En este momento sabes que los. . .


LÍPIDOS

ÁCIDOS GRASOS ACILGLICÉRIDOS FOSFOGLICÉRIDOS CERAS ESTEROIDES

SATURADOS INSATURADOS

se clasifican en

SOLUBLES

SÓLIDOS LÍQUIDOS

FORMACIÓN DEMEMBRANA

CELULAR

ORGANELOINTERNO DE LA

CÉLULA

TERPENOS

MOLÉCULAS

DOBLEENLACE

GRUPO OH

LINEAL

CÍCLICA

HORMONAL

son

- hormona sexual- reguladores metabólicos

SOLVENTESORGÁNICOS

CETONA

que pueden ser

son son

son

ÉSTERES DE ÁCIDO GRASOS CON GLICEROL

TRIACIGLICÉRIDOS

el más abundante es

ÁCIDOSGRASOS

GLICEROL

FOSFATO

AMINOALCOHOL

compuestode

su funciónes

ÉSTER

ALCOHOL

ÁCIDO

está formadopor

son

tienenson de

tipo

ALCOHOL

su función es

como

en

el

como

ÉSTERES

y

TEMPERATURAAMBIENTE

GRASAS

ORIGENANIMAL

ORIGENVEGETAL

siendo

a

de

87

2.4 PROTEÍNAS

Las proteínas son un grupo de biomoléculas construidas por largas cadenas deaminoácidos unidos entre sí por medio de un enlace peptídico. Dichas moléculas sedistinguen de los carbohidratos y los lípidos en muchas de sus propiedades tales comosolubilidad y reactividad, entre otras, pero sobre todo por la diversidad de funciones quecumplen. Antes de entrar de lleno a la estructura de las proteínas mencionaremos a losaminoácidos como unidades formadoras de las cadenas y la importancia de estos.

2.4.1 AMINOÁCIDOS.

El término de aminoácidos se aplica a aquellas estructuras que a la vez contienen losgrupos funcionales ácido (-COOH) y amino (-NH2). En la naturaleza se encuentra en ungran número de distintos aminoácidos pero se ha visto que son 20 en particular los quese encuentran en las proteínas.

Con respecto al grupo R (radical), éste hace la diferencia entre los aminoácidospresentes en las proteínas, los cuales son los siguientes, cabe hacer notar que se haencerrado en un cuadro todos los grupos -R de los aminoácidos para que puedasreconocerlos más fácilmente, en cada uno de los amonoácidos se incluye su nombre, suabreviatura de tres letras y el símbolo de una letra:

grupo ácido COOH Aminoácido

grupo amino NH2 C H

R (C ) (Carbono alfa)radical

88

Los aminoácidos se han clasificado en varias formas, pero la clasificación que parecetener mayor relevancia es la que los agrupa según la polaridad del grupo -R, ya quemuchos de las propiedades y la estructura de las proteínas dependen de esa polaridad.

En todos los aminoácidos anteriores el grupo amino ésta unido al carbono inmediato algrupo carboxilo, a éste se le conoce como carbono y por tanto los anteriores son -aminoácidos.

1. Dibuja las estructuras de los aminoácidos agrupándolos según la polaridad del grupo-R.

2. Identifica a los grupos funcionales que antes conocías e investiga sus características.

3. Investiga que es un aminoácido esencial.

AlaninaValinaLeucinaIsoleucina

Aminoácidos Metioninano polares Fenilalanina

TriptofanoProlina


GlicinaSerinaTreoninaTirosina

Aminoácidos Cisteínapolares Asparagina

Glutamina

Aminoácidos Ácido aspárticoácidos Acido glutámico

LisinaAminoácidos Árgininabásicos Histidina

89

Como ya se menciono, los grupos radicales les proporcionan propiedades muyespeciales a los aminoácidos, pero también los grupos amino y ácido tienencaracterísticas notables, ya que si se encuentran en solución pueden ceder ó aceptarprotones:

Estas características hacen que los aminoácidos se puedan encontrar en tres formasanteriores, de acuerdo a las características ácidas o básicas del medio. Por ejemplopara la alanina.

Aunque los conceptos de ácido y base los conocerás adecuadamente hasta el siguientecurso de química, te bastará reconocer a los aminoácidos como unidades que puedentener carga positiva (catión), carga negativa (anión) o sin carga (iones dipolares). Estoes importante en la estructura de las proteínas, ya que cargas contrarias se atraen ycargas iguales se repelen en la formación de los polímeros de los aminoácidos.

90

2.4.2 ENLACE PEPTÍDICO

Cuando dos aminoácidos reaccionan entre sí, pueden unirse para formar enlacepeptídico, este enlace es en realidad una amida sustituida producida de la reacción entreun ácido carboxílico y una amina.

En el caso de los aminoácidos:

En esta reacción se ha formado lo que se conoce como dipéptido:

A este dipéptido se le puede unir otro aminoácido para formar un tripéptido.

91

y al anterior otro aminoácido para formar un tetrapéptido y así sucesivamente se puedeformar pentapéptidos, hexapéptidos, eptapéptidos, etc.

Para que entiendas mejor acerca de la estructura de peptidos te presentamos elsiguiente depéptido con aminoácidos tomados de la lista anterior:

En los péptidos existe una serie de cualidades importantes que deben tomarse encuenta:

En el dipéptido anterior participan valina y cisteína pero la primera quedó con sugrupo -NH2 libre mientras que en la segunda queda su grupo -COOH libre y por lotanto el dipéptido se denomina valilcisteína o simplemente NH2 -Val - CyS -COOHdebido a que siempre se pone como primer aminoácido de un péptido al que tiene sugrupo -NH2 libre. Es diferente al dipéptido NH2 -CyS - VaL - COOH.

Los grupos radicales (-R) siempre estarán unidos hacia el carbono .

Normalmente los grupos carboxilo, amino, tiol, etc. pueden tener carga.

Los enlaces C - C sencillos o C - N sencillos pueden girar libremente, pero cuando seforma un enlace peptídico el enlace -C-N- se convierte en una estructura que ya nopuede girar.

Las cargas formadas por los grupos funcionales pueden causar atracciones orepulsiones.

92

La polaridad de los grupos -R pueden producir la formación de puentes de hidrógenoo interacciones entre todos los átomos de la molécula y por tanto ésta puededoblarse o girar hasta alcanzar una configuración estable.

Lo anterior es extensivo para dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, etc.

Otro ejemplo de un péptido es el siguiente:

Contiene 6 aminoácidos y por lo tanto es un hexapéptido.

El aminoácido con un grupo -NH2 libre es la alanina de aquí que su nombre sea alanil-glicil-seril-tirosol-aspartil-lisina o abreviado NH2-Ala-Gly-Ser-Tyr-Asp-Lys-COOH.

El acomodo de los aminoácidos de manera ordenada en un péptido o un polipéptido eslo que se conoce como su secuencia de aminoácidos o simplemente su estructuraprimaria.

De la estructura primaria de un péptido dependerá la forma que pueda tener en elespacio y de ahí también su funcionalidad.

93

Existe un aminoácido en particular -la cisteína- que puede enlazarse a sí mismoformando un puente covalente que puede estar dentro de una o uniendo dos cadenas deaminoácidos distintos.

94

Investiga y dibuja las estructuras de pequeños péptidos de importancia biológica.

La formación del enlace disulfuro es importante en la estructura de péptidos y proteínasdebido a que ésta se efectúa por el grupo -R de la cisteína y es independiente de lospeptídicos que existen en una cadena de aminoácidos.

Algunos péptidos pueden presentarse en forma libre en la naturaleza con funcionesimportantes tales como la anserina y la carmosina presentes en tejidos musculares, elglutation que es importante agente reductor para muchas células, la oxitocina, lavasopresina, angiotensina, y la somatostatina ya que tienen funciones hormonales entejidos animales, la bacitrocina A y la gramicidina y la penicilina son potentesantibióticos. Asimismo, se han encontrado algunos péptidos como neurotransmisores,receptores membranales o inmunodepresores.

Existen péptidos sintéticos que han resultado de gran utilidad como el aspartame (ácidoAspártico) que es un potente agente endulcolorante y que se conoce comercialmentecomo nutrasweet o Equal según su presentación.

2.4.3 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas son polipéptidos que debido a su estructura y componentes cumplen conuna serie de funciones biológicas muy importantes. Debido a la variedad de aminoácidospresentes es infinita la variedad de estructuras proteícas posibles.

Las proteínas pueden clasificarse utilizando diferentes criterios, uno de ellos es deacuerdo a su estructura, otro es por su composición y uno más es de acuerdo a lafunción que cumplen dentro de un organismo.

En función de su estructura las proteínas pueden ser fibrosas o globulares. Lasprimeras generalmente son estructuras alargadas que contienen varias cadenaspolipeptídicas entrelazadas formando fibras, y las segundas son estructuras compactasy casi esféricas variando hasta formas elípticas ligeramente alargadas donde el grado decompactación depende de las propiedades de los aminoácidos que las forman.

De acuerdo con su composición, las proteínas se clasifican en simples (las que solocontienen aminoácidos) y conjugadas, estas últimas contienen un componente nopeptídico en su estructura llamado grupo proteíco. Las proteínas conjugadas senombran de acuerdo a su grupo proteíco, asi hay glucoproteínas cuyo grupo proteíco esun carbohidrato, lipoproteínas donde hay lípidos, metaloproteínas que contienen unmetal, fosfoproteínas, las cuales contienen fosfato y algunas otras.


95

La serie de funciones que pueden tener las proteínas es bastante variada. En este casose clasifican según la siguiente tabla:

Tabla 8. Clasificación y funcion de las proteínas

Tipo de proteína Función

Enzimas Catalizador de reacciones, es decir, acelerar o disminuir lavelocidad de las reacciones catábolicas.

Estructuras Dan apoyo estructural a diferentes células ó tejidos, dandouna determinada forma o rigidez.

Contráctiles Pueden contraerse o relajarse reversiblemente, con granimportancia en los músculos.

Transportadoras Llevan alguna sustancia de un lugar a otro, por ejemplo lahemoglobina que transporta el oxígeno a través de lasangre.

Hormonas Controlan y regulan las actividades dentro de la célula .De reserva Sirve como almacen de aminoácidos de energía cuando

alguna célula lo requiere.Toxinas Son producidas por algún tipo de célula y causan daños a

otra especie.De la visión Proteínas sensibles a la luz que participan en los

fenómenos asociados con la vista.Factores de crecimiento Participan en la velocidad de crecimiento y división celular.Protectores Dan protección a un organismo en contra de moléculas

extrañas: bacterias ó virus.

Existe una cantidad aún mayor de funciones en las que participan las proteínas peromuchas de ellas son especializadas que necesitaríamos de un texto completo paraexplicarlas.

Las anteriores te bastarán para que te des una idea de la importancia de las proteínasen el funcionamiento de los organismos.

2.4.4 ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

A continuación abordaremos la estructura de las proteínas de acuerdo con losaminoácidos que las componen y de las interacciones entre ellos. Dicha estructura seagrupa en diferentes niveles que depende del grado de organización que contiene y seconocen como estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas.

a) Estructura Primaria

Se conoce como estructura primaria de una proteína a la secundaria de amoniácidosque contiene, en otras palabras la ordenación de éstos a los largo de una cadenapolipeptídica.

96

Hasta la fecha se ha podido determinar las estructuras primarias de un buen número deproteínas de diferentes especies y se han encontrado los siguientes resultados:

No existe ninguna secuencia parcial o grupo de secuencias que sean comunes entodas las proteínas.

Ya se han detectado todas las combinaciones posibles de dos aminoácidossucesivos.

Las proteínas con funciones diferentes tienen secuencias distintas, aunque suelenexistir algunas excepciones.

Las proteínas con funciones iguales tienen secuancias similares, el grupo devariación de una secuencia a otra es mínimo, a esto de le conoce como homologíasecuencial.

Las proteínas que tienen la misma función pero en diferentes organismos llamadasproteínas homólogas tienen enormes similitudes secuenciales. Cuando las especiesson muy cercanas entre sí se ha llegado a encontrar una homología total.

Dentro de los individuos de una misma especie casi siempre existe la mismasecuencia de aminoácidos en sus proteínas.

b) Estructura secundaria

Una cadena polipeptídica contiene un esqueleto formado por aminoácidos dondesiempre se va a encontrar la siguiente ordenación N-C -C que se repite muchas veces alo largo de la cadena

En este, como entodos los casos de las estructuras tienen dimensiones y susrepresentaciones en un plano no puedan reflejar fácilmente su estructura tridimensional.

La cantidad de ordenaciones que pueden tomar las cadenas de aminoácidos a lo largode un eje imaginario es muy grande, sin embargo se ha demostrado que,particularmente, dos estructuras son muy comunes, a éstas se le ha llamado estructuras

-hélice (ó simplemente ) y estructura -laminar (ó simplemente ). Estas estructuras,es decir la ordenación de los aminoácidos a lo largo de un eje imaginario es lo queconoce como estructura secundaria.

La estructura secundaria se explica en función de las interacciones entre los gruposfuncionales de los aminoácidos y del tamaño de sus radicales.

N - C - C -N - C - C - N - C - C ......

carbono carbonílicocarbono alfa

Nitrogeno del grupo amino

97

c) Estructura terciaria

Además de la formación de láminas o estructuras helicoidales en las proteínas se puededar una serie de giros o curvaturas que pueden producir estructuras esféricas de lasproteínas globulares o mantener alargadas y asociadas formando a las proteínasfibrosas.

Las estructura terciaria de una proteína se refiere precisamente a la forma en el espacio,fibrosa o globular de las proteínas.

Las proteínas fibrosas están compuestas por la asociación de varias cadenaspolipeptídicas (que pueden tener estructura o ) para formar una fibra que esresistente, fuerte y generalmente tiene función estructural.

Figura 26. Representación de tres cadenas polipeptídicas enlazadas.

Dos cadenas polipeptídicos enlazadas formando una fibra (estructura terciaria), cadauna de ellas tiene sus cadenas con estructuras x helicoidal (estructura secundaria).

98

Las proteínas fibrosas generalmente son muy insolubles en agua y algunos ejemplos deellas son las queratinas, el colágeno, el fibrinógeno, las elastinas y las mioscinas.

Investiga en donde se encuentran las proteínas fibrosas mencionadas.

Las proteínas globulares son mucho mas pequeñas en tamaño pero mucho másvariadas en cantidad y funciones, son proteínas globulares las enzimas, lastransportadoras y las protectoras, entre otras.

Las cadenas de aminoácidos que pueden ser o se curvan hasta la formación deglóbulos que pueden ser como muestra en las siguientes figuras:


99

Figura 27. Estructura terciaria de la mioglobina.

Figura 28. Diversas conformaciones de proteínas globulares.

100

Figura 29. Interacciones comunes que estabilizan a las proteínas globulares.La función de las proteínas globulares generalmente es muy dinámica porque puedenestar cambiando de posiciones las interacciones que los estabilizan como son lospuentes de hidrógeno, dipolos, atracciones entre cargas contrarias, etc. Normalmenteson muy solubles en agua e insolubles en solventes de baja polaridad. Las interaccionesque los estabilizan pueden romperse por calentamiento, produciéndose polipéptidos sinestructura definida. A este fenómeno se le conoce como desnaturalización y es muyimportante en los alimentos, ya que cuando conocemos algún alimentodesnaturalizamos sus proteínas y se hacen más digeribles ó asimilables debido a quenuestro organismo no necesita de las proteínas tal cual, sino de los aminoácidoscontenidos en ellas.

d) Estrutura cuaternaria

Las proteínas globulares a veces se agrupan entre sí fromando conglomerados de 2 omás estructuras. Esto es a lo que se le conoce como estructura cuaternaria de unaproteína. Por ejemplo la hemoglobina contiene 4 glóbulos o subunidades, y por lo tantoestructura cuaternaria.

Figura 30. Representación de la estructura cuaternaria de una proteína.

Cada subunidad contiene un grupo hemo que funciona como transportador de oxígenoen la sangre.

101

No olvides que las ...

PROTEÍNAS

ENLACESPEPTÍDICOS

CADENAS DEAMINOÁCIDOS

AMINOÁCIDOS ENLACESPEPTÍDICOS

CLASIFICAN ESTRUCTURAS

GRUPOSFUNCIONALES

ÁCIDO( -COOH )

AMINO( -NH2 )

como son

se clasifican en


formadospor

NO POLARES

POLARES

BÁSICOS

ÁCIDOS

sonse originan a

partir de se se dividen en

AMINOÁCIDOSENTRE SÍ

se presentancuando reaccionan

influyen en laformación de

TEJIDOSMUSCULARES

de tipo

PRIMARIA

SECUNDARIA

TERCIARIA

CUATERNARIA

COMPOSICIÓNESTRUCTURA FUNCIÓN

ya que son

FIBROSAS GLOBULARES

ALARGADA ESFÉRICA

de forma con forma

SIMPLES

AMINOÁCIDOS

contienen

se clasificancomo

CONJUGADAS

NO PEPTÍDICOS

tienencomponentes

por su

102

“BIOMOLÉCULAS”

Objetivo

Identificar carbohidratos, lípidos y proteínas en diferentes alimentos mediante reaccionesespecificas para clasificar los alimentos según sus nutrientes.


1) ¿Qué son las biomoléculas?

2) ¿Cuáles son las biomoléculas?

3) ¿Cómo se forman los enlaces glucosídico y peptídico?

Experimento I

Objetivo

Extraer los carbohidratos de muestras de alimentos para identificarlos en el laboratorio.

Hipótesis

Redactar una hipótesis que involucre la presencia de carbohidratos en los alimentos.

_______________________________________________________________________


103

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias☞ 1 mortero con pistilo☞ 5 vasos de precipitado de 100 ml☞ 1 probeta de 50 ml☞ 2 probetas de 5 ml☞ 2 pipetas de 5 ml☞ 1 mechero de alcohol☞ 1 soporte universal☞ 1 anillo metálico☞ 1 tela de alambre de asbesto☞ 1 embudo de reparación de 125 ml☞ 1 embudo talle corto☞ 1 agitador de vidrio☞ 2 tubos de ensaye 10x100 mm.☞ 3 tramos de papel filtro de poro

grande☞ 2 probeta de 10 ml

☞ 10 ml de disolución de cloroformo-etanol111

☞ 5 ml de hidróxido de sodio 2N☞ 5 ml de Reactivo de Biuret☞ 2 ml de lugol☞ 50 g. de arroz☞ 1 huevo☞ 1 papa☞ 1 aguacate☞ 50 ml de leche☞ 1 barra de chocolate


La indicada para el trabajo con material de vidrio y mechero de alcohol.

Cloroformo.- Líquido incoloro, volatil inflamable y muy tóxico. Su inhalación provocanáuseas, dolor de estómago e inconciencia por sus propiedades anestésicas. Losvapores irritan los ojos causando conjuntivitis es venenoso si se ingiere.

Etanol.- Líquido incoloro muy volatil inflamable de olor agradable, poco tóxico poringestión.

Hidróxido de sodio.- Base fuerte, tóxico y muy corrosivo irritación severa al contacto conla piel. Por ingestión causa corrosión gastrointestinal grave.

¿Cómo hacerlo?

Cada equipo trabajará un alimento diferente y el equipo se dividirá en dos partes, unaparte realizará el experimento I y la otra parte el experimento II.

Los alimentos se preparan de la siguiente forma:

Sólidos.- se muelen aproximadamente 10 g en el mortero hasta obtener un granuladofino y se agregan 50ml de agua.

Semisólidos.- se muelen en el mortero aproxmadamente 10 g hasta obtener una pastasuave, homogénea y se le agregan 50 ml de agua.

104

Líquidos.- se toman 10 ml y se agregan 50 ml de agua.En todos los casos se filtra la mezcla y se forman 20 ml del filtrado para el experimento Iy 30 ml para el experimento II.

Calentar 20 ml de filtrado de la mezcla con un mechero de alcohol por 4 minutos y volvera filtrar.

Agregar al filtrado 10 ml de la mezcla cloroformo-alcohol 1:1 y mezcla cuidadosamentecon el agitador de vidrio.

PRECAUCIÓN

La disolución cloroformo-etanol es inflamable no la uses cerca del mechero de alcoholcuando este encendido.

Coloca la mezcla en el embudo se reparación de 125 ml para separar la fase colofórmicade la fase acuosa.

Figura 31. Método de separación de la mezcla.

Desecha la fase clorofórmica.

Coloca la fase acuosa en un vaso de precipitados de 100 ml y agrégale 5 ml de hidróxidode sodio 2N.

Reparte la mezcla en los tubos de ensaye y agrega a uno 2 ml de reactivo de Benedict yal otro 2 mL de lugol. Observa los cambios en los tubos y regístralos.


Describe la reacción que ocurre en cada tubo.

Tubo de Benedict.

Tubo de Lugol

Anillo metálico

Fase acuosa

Fase cloroformica

105

Experimento II

Objetivo

Extraer los lípidos y las proteínas de muestra de alimentos para identificarlos en ellaboratorio.

Hipótesis

Elabora una hipótesis que consideres la presencia de lípidos y proteínas en losalimentos.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias☞ 1 vaso de precipitados de 500 ml☞ 3 vasos de precipitados de 100 ml☞ 4 probeta de 20 ml☞ 1 embudo de separación de 125 ml☞ 1 soporte universal☞ 1 anillo metálico☞ 1 tela de alambre con asbesto☞ 1 mechero de alcohol☞ 1 pipeta de 5 ml

☞ 15 ml de ácido clorhídrico 6N☞ 10 ml de cloroformo☞ 10 ml de ácido sulfúrico concentrado☞ 10 ml de hidróxido de sodio 2N☞ 2 ml de reactivo de Biuret


La indicada para trabajar con material de vidrio y mechero de alcohol.

Ácido sulfúrico.- Líquido aceitoso, sin olor, ni color, muy corrosivo sobre todos los tejidosdel cuerpo. La inhalación de sus vapores causa graves daños pulmonares. El contactocon ojos puede causar ceguera y su ingestión causa severos daños al aparato digestivo.

Ácido clorhídrico.- Líquido amarillento desprende vapores que irritan al sistemarespiratorio, causa quemaduras grave a la piel, su ingestión provoca daños severos alaparato digestivo.

106

Cloroformo.- Líquido incoloro, inflamable y muy tóxico. Su inhalación provoca náuseas,dolor de estómago e inconciencia por sus propiedades anestésicas. Los vapores irritanlos ojos causando conjuntivitis, es venenoso si se ingiere.Hidróxido de sodio.- Tóxico y muy corrosivo, irritación severa al contacto con la piel. Poringestión causa corrosión gastrointestinal grave.¿Como hacerlo?

Coloca 30 ml del filtrado de la muestra de alimento en un vaso de precipitados de 100 mlagrega 15 ml de ácido clorhidrico 6N y calienta por 6 minutos con mechero de alcohol.

PRECAUCIÓN

Recuerda que el ácido sulfurico es muy tóxico, evita la inhalación de sus vapores, suingestión y el contacto con la piel. Si sufres algún derrame en la piel, lávate conabundante agua inmediatamente y avísale al responsable de laboratorio.

Enfría con baño de agua y agrega 10 ml de cloroformo.

Coloca la mezcla en el embudo de separación para separar la fase clorofórmica de laacuosa para utilizar los dos.

Agrega 10 ml de ácido sulfúrico concentrado a la fase clorofórmica y calienta con elmechero de alcohol por 10 minutos, observa la reacción y registrala.

PRECAUCIÓN

El ácido sulfúrico es muy corrosivo evita a la inhalación de sus vapores, su ingestión y elcontacto con la piel u ojos. Si sufres algún derrame en la piel, lava rápidamente la zonaafectada con abundante agua y llama inmediatamente al responsable de laboratorio.

Anillo metálico

Fase acuosaFase clorofórmica

107

También recuerda que el cloroformo es muy volátil e inflamable además de muy tóxicoevita su inhalación y su ingestión.

Agrega 10 ml de hidróxido de sodio 2N a la fase acuosa. Finalmente agrega 2 ml dereactivo de biuret y calienta por 5 minutos. Observa lo que ocurre y regístralo.


Describe el aspecto del producto final de la reacción en la fase clorofórmica.

Describe el aspecto del producto final de la reacción en la fase acuosa.


1) ¿Fueron iguales los resultados con todos los alimentos?

2) ¿Cualquier alimento dará igual resultado en cada reacción?

3) ¿Qué significa que en el primer tubo de ensaye del experimento I, se observecoloración roja?

4) ¿Qué significa que en el segundo tubo de ensaye en el experimento I, se observecoloración azul?

108

5) ¿Por qué en algunos casos no se observó coloración amarilla al calentar la faseclorofórmica en el experimento II?

6) ¿Por qué se observó coloración violeta en algunos casos en la última reacción de lafase acuosa en el experimento II?

CONCLUSIONES

Considera el cuestionario de reflexión al contrastar hipótesis con los resultados.

109

Hasta este momento sabes que...

Carbohidratos

Proteínas

Monosacáridos Disacáridos

Polisacáridos

Ácidos grasos Acilglicéridos Fosfoglicéridos Ceras Terpenos Esteroides

Según su estructura

Según su composición

Según su función

Grado de organización

Fibrosas Globulares

Simples Conjugados

Enzimas,Estructurales,Contractiles, Protectoras,Transportadoras, Hormonasde reserva y del Crecimiento,Toxinas, etc.

RECAPITULACIÓN

de reservaestructurales

Lípidos

BIOMOLÉCULAS

110

Con estas actividades podrás poner en práctica los conocimientos adquiridos hasta estemomento, por lo que te pedimos que realices todo lo que se te solicita.

1. ¿Qué son los carbohidratos?.

2. Explica cuál es la función que desempeñan los carbohidratos dentro de lasbiomoléculas.

3. Anota en los renglones el nombre de 5 carbohidratos.

a) b)

c) d)

e)

4. ¿Qué son los anómeros?.

5. Explica cuál es la función de los siguientes polisacáridos.

a) Celulosa:

b) Quitina:

Estructura primaria Estructura secundaria Estructura terciaria Estructura cuaternaria


111

6. Menciona qué son los lípidos y anota 5 ejemplos de ellos:

7. Explica qué son los esteroides, así como las funciones que desempeñan.

8. Menciona qué son las proteínas y cómo estan constituídas.

9. Describe cuál es la función de las siguientes proteínas:

a) Enzimas:

b) Hormonas de Reserva:

c) Toxinas:

112

Como una forma de retroalimentación hemos diseñado este apartado, en el cual podráscorroborar aciertos y/o errores que pudiste haber tenido durante las ActividadesIntegrales.

1. Los carbohidratos son compuestos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.

2. Básicamente las funciones que desempeñan los carbohidratos son dos: Estructural,que consiste en sostener (como las plantas y otras estructuras), y Reserva, queproporcionan energía o son almacenados para formar otras moléculas.

3.

a) Digliceraldehido b) Dihidroxiacetona

c) Glucosa d) Ribosa

e) Galactosa

4. Los anómeros son monosacáridos que se presentan en forma cíclica, esto lesproporciona una cualidad muy importante para la reactividad química.

5.a) Celulosa:

sirven para dar fuerza y rigidez a las plantas, la madera, el heno y elalgodón, los cuales están constituidos, principalmente, por celulosa.

b) Quitina:sirve para manterner erguidos a organismos invertebrados (la langosta,insectos, etc.), en los que nos existen huesos para sostener susestructuras.

6. Lípidos: compuestos que generalmente son insolubles en el agua por lo que se lesconoce como grasas o ácidos grasos.

AUTOEVALUACIÓN

113

Ejemplos:- Ácido Laurico.- Acido Esteárico.- Ácido Palmítico.- Ácido Oleico- Ácido Linoleico.

7. Los esteriodes son lípidos, es decir que son insolubles al agua, y tienen funcionestales como: hormonas sexuales, agentes emulsificantes para la digestión, comoreguladores metabólicos, entre otros.

8. Las proteínas son grupos de biomoléculas constituidas por largas cadenas deaminoácidos unidos entre sí por medio de un enlace llamado peptídico.

9.a) Enzimas:

sirven para catalizar reacciones, es decir, acelerar o disminuir lavelocidad de éstas.

b) Hormonas de Reserva:sirven para controlar las actividades dentro de la célula,también como almacén de aminoácidos y de energía, estocuando la célula lo requiere.

c) Toxinas:En realidad son producidas por algún tipo de célula y causan daños aotra especie.

115

LASMACROMOLÉCULAS

se dividen en

FUERZAS DEINTERACCIÓN MACROMOLÉCULAS

SINTÉTICAS


el donde secontempla el

MODELOCINÉTICO

MOLECULARla

NATURALEZADE LAS

FUERZAS DEATRACCIÓN

COMPORTAMIENTO

PROPIEDADES3 ESTADOS DEAGREGACIÓN

DE LA MATERIA

de los

LÍQUIDOS


SÓLIDOS

son y la

POLIMERIZACIÓNPOLÍMEROS

se dividen en donde seconsidera su

3 GRUPOS

ESTRUCTURACLASIFICACIÓN

donde seabordan los

PROTEÍNASCARBOHIDRATOS

LÍPIDOS

y su

CARACTERÍSTICAS

PROPIEDADES

116

En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has adquirido a lolargo del fascículo, por lo tanto te invitamos que realices lo siguiente:

1. Menciona qué es una macromolécula sintética.

2. ¿Cómo se clasifican las macromoléculas sintéticas?.

3. Menciona ¿qué tipo de enlaces se pueden encontrar dentro de las macromoléculassintéticas?.

4. Define qué es una biomolécula ó macromolécula natural.

5. ¿Cómo se clasifican las biomoléculas?.

6. Menciona ¿cuál es la diferencia entre macromoléculas sintéticas y macromoléculasnaturales (biomoleculas)?.


117

La Autoevaluación está diseñada para que puedas verificar si tus respuestas (en lasActividades de Consolidación) fueron correctas o no.

1. Las Macromoléculas Sintéticas son constituyentes del material que forma la mayorparte de los objetos que son sintéticos, ejemplo de ello son los tipos de plástico queexisten.

2. Las Macromoléculas Sintéticas se clasifican en: Polímeros Termoplásticos. Elastómeros.

3. Los diferentes tipos de enlace que se pueden presentar dentro de lasMacromoléculas Sintéticas encontramos:

Puentes de hidrógeno. Fuerzas Dipolo-Dipolo. Fuerzas de London.

4. Las biomoléculas o Macromoléculas Naturales son constiyentes de nuestras células ytienen la capacidad de preservar la vida.

5. Las biomoléculas se clasifican en: Carbohidratos. Monosacáridos. Disacáridos. Polisacáridos. Almidones y Glucógenos. Ácidos Grasos.

6. La diferencia principal que existe entre las Macromoléculas Sintéticas y lasMacromoléculas Naturales, es que en las primeras (como su nombre lo dice) estánconstituidas por estructuras sintéticas, en tanto que en las otras, se encuentranestructuras organicas.Cabe hacer notar que en ambos casos los elementos que integran dichas estructurasson carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).

AUTOEVALUACIÓN

118

Agente emulsificante: Sustancia que hace la mezcla de sustancia inmiscibles.

Anabólico: Sustancia que facilita la síntesis de componentes útiles en las funcionesvitales

Antiinflamatorio: Compuesto que inhibe la inflamación de los tejidos.

Antibiótico: Sustancia que participa en la transmisión de los impulsos nerviosos.

Arterioesclerosis: Endurecimiento de las membranas de las arterias, producidas por laacumulación de grasas. Afecta la circulación de la sangre.

Células Eucarióticas: Células cuyos componentes u organelos están por membranas.

Combustible: Material que arde cuando se combina con el oxígeno para formar óxidosde carbono, agua y calor.

Compuesto orgánico: Compuestos del carbono o compuestos formados por cadenasde átomos de carbono.

Densidad: Medida de la masa por unidad de volumen. Generalmente expresada engramos por centímetro cúbico.

Destilación: Proceso que consiste en hervir un líquido para formar vapor y luegocondensarlo para formar nuevamente el líquido. Se usa para separarlíquidos de sus impurezas.

Destilación Fraccionada: Proceso de destilación en el que los compuestos que tienendiferentes temperaturas de ebullición pueden serseparados.

Disacáridos: Carbohidrato formado por monosacáridos.

Diurético: Sustancia que favorece la secreción de orina.

Enlace Disulfuro: Enlace covalente que forma entre dos átomos de azufre.

Ésteres: Compuestos que presentan el grupo funcional ESTER. Resulta de la reacciónentre en ácido carboxílico y un alcohol.

Hidrocarburos: Compuestos que sólo tienen átomos de carbono e hidrógeno.

Hidrofílicas : Sustancia que presenta la propiedad de ser a fin por el agua.

GLOSARIO

119

Hidrofóbicas: Sustancia que presenta la propiedad de no ser afin al agua.

Hidrólisis: Ruptura de enlaces por la ación de agua.

Monómero: Compuesto que se une químicamente con otras de la misma especie paraformar polímeros.

Monosacárido: Corbohidrato, que puede descomponerse en unidades más pequeñas.

Neurotransmisor: Sustancia que participa en la acción de la sinapsis.

Olefina: Nombre que antes daba a la familia de los alquenos; a ésta permanece eleteno o etileno.

Polisacáridos: Carbohidrato formado por más de dos monosacáridos.

Radical: Átomo o grupo de átomos que tienen uno o más electrones sin aparear.

Recursos no renovables: Son aquellos bienes o productos de la naturaleza queexisten en cantidades fijas y, en consecuencia, disminuyenen razón directa al aprovechamiento que de ellos se hace.Por ejemplo el petróleo.

Recursos renovables: Son los bienes o productos que se encuentran en lanaturaleza, se generan constantemente y cuya extinción puedeevitarse, siempre que la humanidad los explote científica yracionalmente, como son: agua, aire, suelo, flora y fauna.

Regulador Metabólico: Compuesto que controla las reacciones de degradación y desíntesis dentro del organismo.

Saponificación: Reacción entre grasas o aceites e hiróxido de sodio ó base fuertecuyo resultado es lo que llamamos jabón. Es una reacción dehidrólisis.

120

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