• Share
  • Email
  • Embed
  • Like
  • Save
  • Private Content
apuntes teoricos de quimica del cbc
 

apuntes teoricos de quimica del cbc

on

  • 2,825 views

 

Statistics

Views

Total Views
2,825
Views on SlideShare
2,825
Embed Views
0

Actions

Likes
1
Downloads
95
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    apuntes teoricos de quimica del cbc apuntes teoricos de quimica del cbc Document Transcript

    • CIFRAS SIGNIFICATIVAS Y REDONDEOLic. Lidia IñigoSupongamos que pesamos algo en una balanza. ¿Si decimos que tiene una masa de 45,8 gserá lo mismo que si decimos que su masa es 45,8000 g? Evidentemente la masa es la misma,pero no es lo mismo expresar el valor en una forma u otra.Toda medición tiene un error, que es propio del instrumento de medida y de la forma enque se realiza dicha medición. La diferente forma en la se expresa el valor dado como ejemploestá indicando ese error de medición.Como regla general se toma el criterio de que la menor diferencia que se puede apreciarcon el instrumento de medición es su indeterminación. Si decimos que la masa es 45,8 g estamosdiciendo que la masa mínima que se puede medir con esa balanza es de 0,1 g por lo tanto ese esel error de dicha medición. El valor medido será entonces 45,8 ± 0,1 g, o sea que dicho valorpuede estar entre 45,7 y 45,9 g. En cambio si decimos que la masa es de 45,8000 g estamosdiciendo que la masa mínima que se puede medir con esa balanza es de 0,0001 g, una décima demiligramo. El error de la medición será entonces 0,0001 g y el valor medido será 45,8000 ±0,0001 g, o sea que dicho valor puede estar entre 45,7999 y 45,8001 g. Por supuesto en elsegundo caso el error es mucho menor y la medición es mucho más precisa.Lo que llamamos CIFRAS SIGNIFICATIVAS están determinando el error con quese midió una determinada magnitud.Todas las cifras distintas de cero son significativas.Los ceros a la derecha o entre dos cifras distintas de cero son significativos.Los ceros a la izquierda NO son significativos.En el caso de nuestro ejemplo 45,8 g está expresado con tres cifras significativas, encambio 45,8000 g está expresado con seis cifras significativas.¿Con cuántas cifras significativas está expresado 0,0067030 kg?En la guía de ejercitación vas a encontrar que los datos de los problemas están dados conuna determinada cantidad de cifras significativas (en general con tres).Se debe tener en cuenta que no tiene ningún sentido expresar un resultado con más cifrassignificativas que las que corresponden al error de las mediciones que condujeron a él. Cuando sehacen cálculos de alguna manera hay que ir trasladando ese error de los datos a través de loscálculos que se deben hacer.Cuando se suma o se resta, no se debe tener en cuenta la cantidad de cifras significativassino los decimales. El resultado debe expresarse con la misma cantidad de decimales del dato quetenga menor cantidad de decimales.Cuando se multiplica o divide el resultado debe expresarse con la misma cantidad de cifrassignificativas del dato que tenga menor cantidad de cifras significativas.Si hacemos un cálculo y debemos expresar ese resultado con una determinada cantidad decifras significativas, tenemos que “cortar” la cantidad de cifras. Eso es lo que se denominaredondeo.1
    • Las reglas para el redondeo son:Cuando la cifra siguiente a la que se va a conservar es menor a 5, la cifra que seconserva queda inalterada.Cuando la cifra siguiente a la que se va a conservar es 5 o mayor a 5, la cifra que seconserva se debe aumentar en una unidad.En el caso del ejemplo anterior, 0,0067030 kg, si queremos expresarlo con tres cifrassignificativas es 0,00670 kg ó 6,70 . 10–3kg, en cambio si queremos expresarlo con una sola cifrasignificativa es 0,007 kg ó 7 . 10–3kg.Si se quiere expresar una cantidad como 12.574 m con tres cifras significativas la únicamanera de poder hacerlo es utilizando notación científica, y se expresa como 1,26 . 104m.Pero por supuesto, cuando debemos resolver un problema, el mismo tiene varios datos yhay que hacer muchos cálculos. ¿Cómo se debe trabajar en ese caso?Cuando un problema tiene varios datos el resultado final debe expresarse con lamisma cantidad de cifras significativas del dato que tenga menor cantidad de cifrassignificativas.Si se sacan resultados parciales, en los mismos se debe dejar por lo menos una cifrasignificativa más de las que se necesita tener en el resultado final.Es importante que trabajes correctamente al hacer los cálculos, ya que sien los resultados parciales se redondea mucho, o se redondea mal se puedellegar a un resultado final muy diferente del resultado correcto.Ha pasado muchas veces que los alumnos consultan porque un problema no les da larespuesta correcta. Cuando se mira la resolución no existen errores en su desarrollo; y ladiferencia es porque dejaron muy pocas cifras significativas en los resultados parciales que fueroncalculando, o porque redondearon mal, o ambas cosas juntas.En los exámenes no se exige que los resultados estén dados con lacantidad de cifras significativas que corresponden, pero ese resultado no puedesuperar el 3 % de error con respecto al resultado correcto.Lo importante es trabajar dejando algunas cifras más en los resultados parciales yluego redondear en el resultado final.
    • RespuestasEstá expresado con 5 cifras significativas. Observá que si se expresa en notación científicason 6,7030 . 10–3kg, y los ceros que no son significativos desaparecen.1
    • SISTEMAS MATERIALESLic. Lidia IñigoSe denomina MATERIA a todo lo que forma los distintos objetos o cuerpos que nosrodean, ya sean inertes o seres vivos. La materia se caracteriza por ocupar un lugar en el espacio(tiene volumen) y por poseer masa.Denominamos material a las distintas “clases de materia” que podemos encontrar. Por lotanto puede haber un mismo cuerpo formado por distintos materiales, o diversos cuerposformados por un mismo material.¿Qué ejemplos podés dar de un mismo cuerpo formado por distintos materialesy de distintos cuerpos formados por un mismo material?Ya debés conocer que la materia puede presentarse en tres distintos estados deagregación. Dichos estados de agregación son: sólido, líquido y gaseoso.Tenés que conocer los nombres de los distintos cambios de estado, los cuales estánresumidos en el siguiente esquema:Debemos aclarar que algunos autores utilizan el nombre de sublimación tanto para elcambio de estado gaseoso a sólido como de sólido a gaseoso. Además la palabra vaporizacióninvolucra tanto cuando el cambio ocurre a nivel de la superficie (evaporación) como cuando ocurreen todo el seno del líquido (ebullición).El PUNTO DE FUSIÓN es la temperatura a la cual una sustancia funde, a unapresión determinada. Si esa presión es la presión atmosférica normal se denomina puntode fusión normal. Análogamente el PUNTO DE EBULLICIÓN es la temperatura a la cualla sustancia pasa del estado liquido al gaseoso (por el fenómeno de ebullición).Los puntos de fusión y ebullición son propiedades características porque mientras seproduce el cambio de estado de agregación la temperatura no cambia. Toda la energía que sepueda entregar es utilizada para el cambio de estado y no para aumentar la temperatura del1
    • sistema. Por eso cuando se calienta agua a una presión de una atmósfera, la temperatura se elevahasta llegar a 100 ºC, que es el punto de ebullición normal, y cuando el agua hierve esatemperatura se mantiene constante hasta que toda el agua pasó al estado gaseoso.La materia presenta distintas propiedades. Esas propiedades se pueden clasificar enintensivas y extensivas.PROPIEDAD INTENSIVA es la que no depende de la cantidad de materia o masaque se tome. PROPIEDAD EXTENSIVA es la que sí depende de la cantidad de materia.¿Qué ejemplos podés dar de propiedades intensivas y extensivas?La densidad, ¿qué tipo de propiedad es, intensiva o extensiva?Denominamos SISTEMA MATERIAL a la parte del Universo que es objeto de nuestroestudio. Dicho sistema material se separa del resto del universo para su estudio, ya sea en formareal o imaginaria.Los sistemas materiales se pueden clasificar de diferentes formas. Si se clasifican según suspropiedades pueden ser homogéneos o heterogéneos.¿Qué significan las palabras homogéneo y heterogéneo?Un SISTEMA HOMOGÉNEO se define como un sistema en el cual los valores desus propiedades intensivas son iguales en cualquier punto del sistema en el que se midan.En un SISTEMA HETEROGÉNEO el valor que tiene una propiedad intensivavaría según sea la porción del sistema en el que se esté midiendo.Las partes de un sistema heterogéneo en las cuales una propiedad intensiva presenta elmismo valor se denominan fases. Por lo tanto un sistema heterogéneo presenta más de unafase y un sistema homogéneo presenta una única fase. En un sistema heterogéneo existeun cambio abrupto entre una fase y otra, con un límite bien definido. Ese límite entre las distintasfases es lo que se denomina interfase.Por supuesto, el que un sistema pueda verse como homogéneo depende del límite deapreciación. Un sistema que a simple vista puede parecer homogéneo, como la leche o la sangre,al verlo al microscopio se ve como un sistema heterogéneo. Por eso el límite que se toma paradecidir si un sistema es homogéneo o heterogéneo no es lo que se puede ver a simple vista sino ellímite visible al microscopio. La leche y la sangre son sistemas heterogéneos, por más que asimple vista parezcan homogéneos.Un concepto que suele traer dificultades es que cada interfase no determinanecesariamente una fase. Pueden existir numerosas interfases y solamente dos fases. En un234
    • sistema formado por aceite y agua, el aceite puede formar muchas gotas, cada una de las cualesdetermina una interfase, pero existen solamente dos fases, porque los valores para laspropiedades intensivas en cada una de las gotas son los mismos, y todas las gotas de aceiteforman una única fase. La segunda fase está formada por el agua.¿Cómo podemos saber si un sistema material está formado por un únicocomponente o por más? La forma de poder saberlo es tratar de separar esos componentes pormétodos de separación. Los métodos de separación son métodos físicos.No entraremos en detalle en cuanto a los métodos de separación, pero los más comunesdeben resultarte conocidos. Entre ellos podemos citar: filtración, decantación, tamización,disolución. Otros métodos más refinados pueden ser destilación, cristalización y cromatografía.Si intentamos separar los componentes de un sistema y logramos una separación,podemos asegurar que dicho sistema tiene más de un componente. Si por muchos métodosposibles no logramos una separación, podemos suponer razonablemente (pero no asegurar) queese sistema tiene un único componente. Para asegurar que existe un único componente se debenutilizar además otros métodos de análisis.Una SUSTANCIA PURA es un sistema material formado por un único componente.Por lo tanto una sustancia pura no se puede separar por métodos físicos y su composiciónes constante, está caracterizada por una fórmula química definida. Una sustancia pura estácaracterizada por sus propiedades intensivas, cuyos valores son constantes si se miden en lasmismas condiciones experimentales.Otra forma de clasificar los sistemas materiales es según el número de sus componentes: siel sistema tiene un único componente será una sustancia pura, y si tiene más de un componenteserá una mezcla.Resumiendo la clasificación de los sistemas materiales:Homogéneos sustancias purasSegún sus propiedades según el nº deo según el nº de fases: componentesHeterogéneos mezclasUna de las dificultades que aparecen es interpretar que estas dos clasificaciones sonindependientes. No porque un sistema esté formado por un único componente necesariamentedebe ser homogéneo. Y la inversa, no porque un sistema esté formado por más de uncomponente (o sea por más de una sustancia pura) necesariamente debe ser heterogéneo.¿Podés dar ejemplos de un sistema formado por un único componente y que sinembargo sea heterogéneo?¿Y de un sistema homogéneo formado por más de un componente?5
    • Los sistemas homogéneos formados por más de un componente se denominanSOLUCIONES.Las soluciones son mezclas, pero son sistemas homogéneos. Es un tipo especial de mezcla,cuyas propiedades pueden ser muy diferentes a las de sus componentes. Como en cualquiermezcla su composición es variable, y para tener correctamente determinado el sistema se debeconocer dicha composición.La forma más común de expresar la composición de una mezcla es la composicióncentesimal. Ésta es el porcentaje en masa de cada componente de la mezcla, o sea la cantidadde gramos de cada componente por cada 100 g de mezcla.Las sustancias puras pueden clasificarse en simples o compuestas. Las sustanciascompuestas pueden descomponerse por transformaciones químicas en otras sustancias mássencillas. Las sustancias simples no pueden descomponerse por ningún método químico.Sustancias simplesSustancias purasSustancias compuestas o compuestosDebés tener claro que una sustancia compuesta no es una mezcla, un compuesto es unasustancia pura, no puede separarse por métodos físicos y tiene una fórmula química definida yestá caracterizada por sus propiedades intensivas. Una mezcla está formada por más de unasustancia pura y tiene composición variable. Por ejemplo, el agua no es una mezcla formada por elgas oxígeno y el gas hidrógeno, es una sustancia totalmente diferente, con propiedadestotalmente diferentes. En una mezcla de gas oxígeno y gas hidrógeno cada uno de ellos, que sondos sustancias diferentes siguen conservando sus propiedades características.Tanto las sustancias simples como las compuestas están constituidas por los elementosquímicos. Las sustancias simples están formadas por un solo elemento, y las sustanciascompuestas o compuestos están formadas por más de un elemento.Pensá ejemplos de sustancias simples y de sustancias compuestas.Pero entonces: ¿a qué llamamos elemento? Los textos definen a los elementosquímicos como los constituyentes de todas las sustancias, tanto simples como compuestas. Porejemplo el elemento oxígeno es lo que es común a la sustancia oxígeno (el gas componente delaire), al ozono, al agua, al óxido de calcio, al ácido sulfúrico y a todos los compuestos que pordescomposición puedan dar las sustancias simples oxígeno u ozono.Esta definición es muy antigua, antes de que se conociera la estructura atómica. Hoy endía aún un niño de escuela primaria conoce lo que es un átomo y su composición.Un ÁTOMO es la mínima porción de materia.6
    • En un principio se creía que los átomos eran indivisibles e indestructibles. Hoy en día sesabe que están formados por partículas más pequeñas (protones, neutrones y electrones) y quepueden ser destruidos (en reacciones nucleares). Pero la destrucción de un átomo implica ladestrucción de la materia, y la liberación de una inmensa cantidad de energía.Podemos dar una definición de elemento más intuitiva y moderna: Elementos son las“distintas clases de átomos” que se encuentran en la naturaleza. Cada tipo o clasediferente de átomo tiene su nombre y su símbolo, y eso es lo que llamamos elemento. El oxígeno,el ozono, el agua etc. están formados por átomos que tienen 8 protones y 8 electrones, y esosátomos corresponden al elemento que denominamos oxígeno.Existe una complicación adicional con la definición de elemento. También se denominaelemento a la sustancia simple. Se dice que el gas oxígeno es un elemento, o que el hierrometálico es un elemento. Esta definición también es válida y en los textos o en el uso corriente vasa encontrar la palabra elemento con cualquiera de las dos definiciones. Según la primera definiciónde elemento el grafito (lo que forma la mina de los lápices) y el diamante son dos sustanciassimples diferentes formadas por el mismo elemento (carbono). Si se define elemento comosustancia simple el grafito y el diamante son lo que se denominan variedades alotrópicas delelemento carbono.Cuando decimos: el cloruro de sodio está formado por los elementos cloro y sodio ¿quédefinición de elemento estamos utilizando?Y si decimos: por reacción química entre los elementos cloro y sodio se obtiene clorurode sodio ¿cuál es la definición en este último caso?Dijimos que una sustancia pura está caracterizada por una fórmula química definida. Yadebés estar familiarizado con la definición de molécula.Una MOLÉCULA es la mínima partícula de una sustancia que sigue conservandosus características y propiedades particulares.Cuando decimos que la fórmula química del agua es H2O estamos diciendo que unamolécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno que se encuentranunidos. Por lo tanto esa es su fórmula molecular.La FÓRMULA MOLECULAR es la fórmula de una molécula, es decir, cuantosátomos de cada elemento están unidos formando una molécula de una determinadasustancia.Pero no todas las sustancias están formadas por moléculas. Esto se verá más adelantecuando se trate el tema Uniones Químicas. En las sustancias que no están formadas pormoléculas su formula química corresponde a la mínima relación entre los elementos que lacomponen. Esta fórmula es la que se llama fórmula mínima o fórmula empírica.7
    • La FÓRMULA MÍNIMA O EMPÍRICA corresponde a la mínima relación entre loselementos que forman una sustancia.En las sustancias que no están formadas por moléculas la única fórmula queexiste es la fórmula empírica o mínima. Este es el caso de: CaCl2, Na2SO4, Fe ó Cu.En las sustancias formadas por moléculas la fórmula molecular y la fórmula mínima puedencoincidir. Esto sucede cuando la fórmula molecular corresponde también a la mínima relación entrelos elementos (no se puede simplificar). Es el caso de H2O, HNO3 ó Br2O5.En otras sustancias moleculares la fórmula mínima y la molecular no coinciden. En estecaso, la fórmula molecular siempre es un múltiplo de la fórmula mínima y al simplificarlapara obtener la mínima relación, se llega a la fórmula mínima. Es el caso de C2H6 , C6H6, Cl2, P4 óH2O2, cuyas fórmulas mínimas son respectivamente: CH3, CH, Cl, P, y HO. En este caso lafórmula mínima no es la fórmula real, simplemente indica la mínima relación entre loselementos y es un instrumento para llegar a la fórmula molecular; la fórmula real de lasustancia es la molecular.
    • RespuestasUn mismo cuerpo formado por distintos materiales puede ser, por ejemplo, una silla demadera, una silla de hierro o una silla de plástico. Distintos cuerpos formados por un mismomaterial pueden ser, por ejemplo, un vaso de vidrio, una jarra de vidrio y una fuente de vidrio.Propiedades extensivas son: masa, peso, volumen, longitud, etc. Propiedades intensivasson: color, olor, sabor, puntos de fusión y ebullición, dureza, etc.La densidad es una propiedad intensiva. La densidad es la masa sobre el volumen. Tanto lamasa como el volumen son propiedades extensivas, pero al hacer el cociente se está tomando lamasa que ocupa una unidad de volumen y esto es independiente de la cantidad de materia que setome. La densidad del hierro metálico será la misma así se tome un pequeño clavo o una enormeviga, porque si se expresa en g/cm3se está dando la masa que tiene un centímetro cúbico dehierro, sin importar si tenemos el clavo o la viga.La palabra homogéneo significa que no presenta diferencias, que es uniforme y tiene igualaspecto y propiedades en todas sus partes. Por el contrario algo heterogéneo no es uniforme ypresenta diferente aspecto y propiedades en sus distintas partes.1234
    • El ejemplo de un sistema con un único componente pero que es heterogéneo es unamisma sustancia en dos distintos estados de agregación, por ejemplo si se coloca yodo en unrecipiente cerrado en él coexisten yodo sólido y en estado gaseoso. Otro ejemplo sería agua yhielo. Un sistema con más de un componente que sea homogéneo puede ser sal disuelta en agua;la nafta, que es una mezcla de hidrocarburos; o el aire, que es una mezcla de gases.Ejemplos de sustancias simples pueden ser: cloro, nitrógeno, hierro, aluminio, azufre,fósforo, etc.Ejemplos de sustancias compuestas pueden ser: agua, dióxido de carbono, bicarbonato desodio, cloruro de sodio (sal de mesa), sacarosa (azúcar de mesa), etanol (alcohol) etc.Al decir el cloruro de sodio está formado por los elementos cloro y sodio estamos utilizandola definición de elemento como “distintas clases de átomos”, porque el cloruro de sodio no estáformado por el gas cloro (Cl2) o la sustancia simple cloro y el sodio metálico o la sustancia simplesodio, sino que está formado por átomos del elemento cloro y átomos del elemento sodio que seencuentran unidos de una manera determinada (que se verá posteriormente en UnionesQuímicas). Si decimos por reacción química entre los elementos cloro y sodio se obtiene cloruro desodio estamos utilizando la palabra elemento como sinónimo de sustancia simple, porque los quereaccionan son el gas cloro (Cl2) y el sodio metálico, no los átomos de cloro y los átomos de sodio,que no se encuentran aislados en la naturaleza.567
    • COMPOSICIÓN ATÓMICALic. Lidia IñigoEsta primera parte de estructura atómica se encuentra en el libro Temas de QuímicaGeneral - Angelini, M. y otros, (versión ampliada). Buenos Aires, EUDEBA, 1993 (o edicionesposteriores), capítulo 3: Constitución del núcleo, Neutrón, Isótopos. También se encuentra en ellibro Química Básica - Di Risio, C. y otros, Buenos Aires, Editorial CCC Educando, 2006 (o edicionesposteriores). capítulo 2, parte 5: La composición de los átomos.Debés asegurarte de conocer qué es un átomo, cuales son las distintas partículas que locomponen (protones, neutrones y electrones), su carga eléctrica, la relación entre sus masas ycómo están distribuidas. Esto se encuentra resumido en el siguiente cuadro:PARTÍCULA CARGA MASA (umas)Núcleoneutrones (nº) 0 ≈ 1protones (p+) + ≈ 1Parteexternaelectrones (e–) − 1/1840El detalle de la distribución electrónica se estudiará mas adelante. Actualmente los físicosnucleares han encontrado otras partículas, pero el modelo de protones, neutrones y electronessigue siendo válido. Es bueno que tengas idea del tamaño del núcleo con respecto al tamaño queocupa todo el átomo, para eso está el problema 1 del tema Composición Atómica de la guía deejercitación.Si quisiéramos hacer la representación de un átomo en una maqueta y tomáramospara representar al núcleo una bolita de 2 cm de diámetro, ¿cuánto mediría eldiámetro de todo el átomo? Pensalo y da una respuesta, aunque sea lo que te pareceintuitivamente, antes de ver la respuesta correcta.Debés saber también cómo se representa un átomo y qué son el número atómico (Z) y elnúmero másico (A).El NÚMERO ATÓMICO (Z) es el número de protones.El NÚMERO MÁSICO (A) es el número de protones más el número de neutrones.Con estos dos números puede representarse un átomo y saber que cantidad de cada unade las distintas partículas se encuentran en él.1
    • Un NUCLEIDO es todo átomo caracterizado por valores determinados de númeroatómico (Z) y número másico (A).Es importante que entiendas que la forma de representación que se utiliza para simbolizara cualquier nucleido:es una convención y por lo tanto debe respetarse, y debés conocerla.¿Por qué se llamará número másico?Pensá que en el núcleo, tan extremadamente pequeño, está concentrada prácticamentetoda la masa del átomo. Entonces:¿qué es lo que ocupa la inmensa mayoría del átomo?Debés conocer también qué es un isótopo, qué es un ión y cómo se denominan los ionespositivos y negativos.ISÓTOPOS son átomos del mismo elemento que tienen distinta cantidad deneutrones, y por lo tanto tienen distinta masa, y también distinto número másico.Un IÓN es un átomo o conjunto de átomos con carga eléctrica. Por ahora veremossólo los iones formados por un solo átomo con carga eléctrica.Los iones pueden ser positivos o negativos, según sea el signo de su carga eléctrica.Los iones positivos se denominan CATIONES y los iones negativos se denominanANIONES.¿Qué es un anión trivalente o un ión trinegativo?¿Qué significa la palabra isoelectrónico?Un átomo puede perder o ganar electrones cuando se une a otros átomos al producirseuna reacción química. Este tema se verá cuando se trate uniones químicas. Lo importante ahoraes que en una reacción química intervienen los electrones más externos, y se pueden ganar perder2345
    • o compartir dichos electrones, pero el núcleo de los átomos permanece inalterado. Para que semodifique el núcleo de un átomo deben ocurrir fenómenos de radioactividad o reaccionesnucleares, que están fuera del alcance de este curso. Esto es muy importante para que interpretesque:Un ión positivo se forma porque se perdieron electrones, y no porque se ganaronprotones. De manera similar un anión se forma por la ganancia de electrones, y no por lapérdida de protones.Es decir que un catión tendrá menos electrones que el correspondiente átomo neutro, y unanión tendrá más electrones que el correspondiente átomo neutro. Esto se puede simbolizar conlas siguientes ecuaciones:Ca Ca 2++ 2 e −Cl + 1 e −Cl −Donde el Ca tiene 20 e−pero el Ca2+tiene 18 e−, porque perdió dos electrones. Y el Cl tiene17 e−pero el Cl−tiene 18 e−, porque ganó un electrón.¿Cuál es la relación entre los iones Ca 2+y Cl –?Sabemos que un átomo puede perder o ganar electrones (cuando se une a otros átomos),puede tener distinta cantidad de neutrones y, sin embargo, sigue siendo el mismo elemento.¿Tenés claro el concepto de elemento? ¿Entonces, quién es el que determina de quéelemento se trata?La inmensa mayoría de los elementos tienen isótopos, y también en la mayoría existe unisótopo que es mucho más abundante que los demás. La abundancia de cada isótopo de undeterminado elemento en la naturaleza, al menos aquí en la Tierra, es constante.67
    • RespuestasEs aproximadamente 100.000 veces mayor, mediría 200.000 cm = 2000 m = 2 km¡Mediría 20 cuadras!Se llama número másico porque es el número entero más cercano a la masa de ese átomoen unidades atómicas de masa (uma) (conocerás esta nueva unidad de masa en el temaMagnitudes Atómico – Moleculares). La masa, tanto de un protón como de un neutrón, esaproximadamente igual a una unidad atómica de masa, y la masa de los electrones esdespreciable, por ser casi 1840 veces menor que la uma, por lo tanto sumando protones yneutrones da el número entero más cercano a la masa de ese átomo en umas.La inmensa mayoría del átomo es vacío, en el que se encuentran girando los electrones.Un anión trivalente o un ión trinegativo es un átomo o conjunto de átomos con 3 cargasnegativas. Al tener carga eléctrica ya no se denomina átomo, sino ión, o en forma más genéricapartícula o especie.1234
    • Significa que tiene igual cantidad de electrones.Su relación es que son iones isoelectrónicosPodemos definir elemento en una forma más moderna que en el libro Temas de QuímicaGeneral como las distintas “clases” de átomos que existen. Cuando decimos que el agua estáformada por los elementos hidrógeno y oxígeno, nos referimos a esta definición. De acuerdo conesta definición, el grafito y el diamante serían dos sustancias simples diferentes formadas por elmismo elemento (carbono).Pero también existe otra definición de elemento y es llamar elemento a la sustancia simple.De acuerdo con esta definición, el grafito y el diamante serían variedades alotrópicas del elementocarbono.El que determina el elemento es el número de protones, que es el número atómico (Z).Mientras tenga el mismo Z, sigue siendo el mismo elemento; si cambia el Z, cambia el elementode que se trata.567
    • MAGNITUDES ATÓMICO − MOLECULARESLic. Lidia IñigoVerás que el texto Temas de Química General comienza por donde históricamente comenzóla Química, o sea, por las leyes gravimétricas. Hoy en día con los conocimientos de estructuraatómica ya adquiridos y de teoría atómica molecular, esas leyes se pueden deducir lógicamente.No es necesario el estudio detallado de cómo surgieron, simplemente es necesario que sepas suenunciado interpretando y comprendiendo lo que significa. Fundamentalmente de las dos leyesprincipales, la ley de conservación de la masa y la ley de las proporciones constantes.En la parte de magnitudes atómico-moleculares son fundamentales cuatro conceptosbásicos que debes asegurarte de tener claros antes de intentar resolver los problemas: masaatómica, masa molecular, mol y masa molar.Masa atómica: La masa atómica es lo que antes se llamaba peso atómico. Es lamasa (en promedio) de un átomo de un elemento determinado. La unidad en quecomúnmente se mide es la unidad de masa atómica, que veremos a continuación.¿Conocés la diferencia entre peso y masa? ¿Por qué es más correcto hablar de masaatómica y no de peso atómico?En el tema Composición Atómica, se vio que no todos los átomos del mismo elementotienen la misma masa (isótopos). La masa de un átomo o de una molécula, al ser extremadamentepequeñas no conviene medirlas en las unidades de masa que estamos acostumbrados a manejar(habitualmente el gramo) y por eso se creó una unidad de masa que se denomina unidad demasa atómica o, abreviando, uma. Su símbolo es u, y su relación con el gramo es:1 u = 1,661 10 −24g.Históricamente lo primero que pensaron los antiguos filósofos griegos era que los átomosde los distintos elementos tenían diferente peso, y que todos los átomos del mismo elementotenían el mismo peso. Por lo tanto, lo primero que se intentó es tener una tabla de pesosatómicos. Pero lógicamente, una molécula o un átomo no pueden pesarse en una balanza. Losprimeros químicos fueron sacando relaciones, primero entre los pesos de las distintas moléculas yluego llevando esas relaciones a los pesos atómicos. Ellos pudieron darse cuenta de que un átomode cloro era tantas veces más pesado que un átomo de oxígeno, que éste era tantas veces máspesado que uno de carbono, etc. Como encontraron que el elemento más liviano era el hidrógeno,le asignaron valor 1. Al hacer esto estaban tomando el peso de un átomo de hidrógeno comounidad patrón de medida para medir el peso de los demás átomos. Medir algo es compararlo conun patrón, tomado arbitrariamente, que se denomina unidad. Por ejemplo, la unidad patrón parala medición de longitudes es el metro. Esos valores de pesos atómicos eran relativos porque launidad, en ese momento el peso del átomo de hidrógeno, era desconocida. Esa unidad con eltiempo fue cambiando, luego se tomó como patrón el oxígeno, porque se combinaba con mayorcantidad de elementos. Pero al descubrirse los isótopos, los físicos tomaron la masa del isótopomás estable, el 16O dividido 16, como unidad; en cambio, los químicos tomaron el promedio de lasmasas de los distintos isótopos que se encuentran en la naturaleza, siempre dividido 16. Fue asícomo durante muchos años existieron dos escalas de masas atómicas con una pequeña diferencia.1
    • Esto pasó hasta que en el año 1961, para unificar, se tomó como patrón la masa de un átomo de12C dividido 12, y se creó la unidad de masa atómica. Esta unidad difiere muy poco de la masa deun átomo de hidrógeno.En realidad, lo que aparece como masa atómica relativa o simplemente como masaatómica y que se encuentra en todas las Tablas Periódicas es la masa atómica en umas; lo quesucede es que la creación de la unidad es muy posterior. Antes de la creación de la unidad eraverdaderamente relativa y no tenía unidades. Por una cuestión de costumbre en muchos textos sesigue nombrando como masa atómica relativa, o como peso atómico. Además, debemos aclararque en realidad no es la masa de un átomo en particular, sino que es un promedio de la masa delos distintos isótopos que se encuentran en la naturaleza, que tienen una abundancia determinada.Es importante que sepas que la masa atómica que aparece en las Tablas Periódicasestá en umas; aunque, como cualquier masa, puede expresarse en otras unidades.La masa atómica en umas y número másico de un átomo son diferentes.¿Cómo se define cada uno? ¿Cuál se encuentra en la Tabla Periódica?La masa atómica es un número fraccionario, ¿cuál es la razón?¿El número másico puede ser fraccionario?Ese promedio que se hace para determinar la masa atómica de un elemento es unpromedio pesado o ponderado (dando mayor importancia cuanto mayor es la abundancia de eseisótopo).¿A la masa de cuál de los isótopos estará más cercano ese promedio?Masa molecular: Lo mismo que en el caso de la masa atómica es la masapromedio de una molécula (o fórmula empírica); y la unidad en que resulta más prácticomedirla es en la unidad de masa atómica.Si conocemos la fórmula química de una sustancia y tomando como datos conocidos lasmasas atómicas, podemos calcular la masa de una molécula o de su fórmula empírica muyfácilmente, y así obtenemos la masa molecular.¿Tenés claro el concepto de fórmula molecular y de fórmula empírica?Conociendo que 1 u = 1,661 10 −24g y que la uma se define como la masa de un isótopode carbono doce dividido doce, 1 u = C12/12, o sea que un átomo de carbono doce tiene unamasa de exactamente doce umas, podemos calcular cuántos átomos de C12hay en una masa deexactamente 12 g de C12.2345
    • 1 u ................ 1,661 10 −24g 1,993 10 −23g ............ 1 át. C 1212,000000 u ................ 1,993 10 −23g 12,00000 g ............ 6,02 10 23át. C 12Ese número de átomos debe resultarte conocido, es el número o constante deAvogadro. Y no solamente será el número de átomos de C12que hay en exactamente 12 g de C12,sino que, para cualquier elemento, cuando se tome una masa que expresada en gramos coincidanuméricamente con su masa atómica en umas, tendremos la misma cantidad de átomos de eseelemento. Podemos verlo matemáticamente (m = masa).m de 1 át. O / m de 1 át. C 12= 16 / 12 m de n át. O / m de n át. C 12= 16 /12Esto es válido cualquiera sea ese número n. Si se toman 16 g de oxígeno en esa masadeberá haber el mismo número de átomos de O que átomos de C12hay en 12 g de carbono doce,y ese número es la constante de Avogadro. Repitiendo el mismo razonamiento pero ahoratomando una masa que en gramos coincida con la masa molecular en umas, por ejemplo para elagua 18 g, veremos que en 18 g de agua deberá haber la misma cantidad, pero ahora demoléculas de agua, que átomos de C12hay en 12 g de C12y ese número es 6,02 10 23moléculas deagua.Para que tengas idea de lo inmensamente grande que es el número de Avogadro: si sehace la cuenta de cuántos segundos pasaron desde la creación del universo, el famoso big-bang,hace quince mil millones de años ( 1,5.1010años), hasta el día de hoy solo pasó una pequeñafracción de mol de segundos.A ese número (constante de Avogadro) de partículas (moléculas, unidades de fórmulamínima, átomos, iones, etc.) se lo denomina un mol.Mol: Es la unidad de cantidad de sustancia y es una cantidad tal de sustancia quecontiene un número de Avogadro de partículas elementales de las que estemos hablando.En química la cantidad de sustancia no se mide en masa sino en moles, estamos contandomoléculas o unidades de fórmula mínima, con la diferencia de que en lugar de contarlas de una enuna, lo cual sería tener números tremendamente grandes y complicados para manejar, lasmedimos tomando como unidad la constante de Avogadro. En definitiva, no es más que unnúmero y es lo mismo que cuando contamos por docenas. Todos saben que una docena son doceunidades, ahora deberán saber que un mol son 6,02 10 23unidades de lo que estemos hablando. Ylo mismo que cuando hablamos de una docena debemos decir una docena de que, cuandohablemos de un mol deberemos decir si es un mol de moléculas, de átomos, etc.Masa Molar (M): teniendo claro lo anterior es evidente que la masa molar es lamasa de un mol.La masa molar del agua será, por lo tanto, la masa de un mol de moléculas de agua, o sea18 g, o la masa de un mol de cloruro de sodio (NaCl) es la masa de un mol de unidades de
    • fórmula mínima, o sea, 58,5 g. Observá que en este último caso no aclaramos un mol de qué, essimplemente porque en el caso de una sustancia que no forma moléculas sería demasiado largo, yse da por obvio. Debemos aclarar que cuando nos referimos a átomos es más claro decir masa deun mol de átomos. Por ejemplo, la masa de un mol de átomos de oxígeno es 16 g, pero la M deloxígeno es 32 g, porque es la masa de un mol de moléculas de oxígeno.La masa molecular y la masa molar son conceptos totalmente diferentes; aunque,para la misma sustancia, cuando la primera se expresa en umas y la segunda engramos tienen el mismo número. ¿Podés aclarar estos conceptos?Si se toman 100 g de H2O (1 moléc. m = 18 u) y 100 g de CO2 (1 moléc. m = 44 u)¿Se tienen la misma cantidad de moléculas de H2O que de CO2?¿De cual sustancia hay más moléculas?Si no pudiste encontrar una respuesta pensalo con el siguiente ejemplo:Si se toman 500 g de aceitunas (de 5 g c/u) y 500 g de manzanas (de 100 g c/u),¿se tienen la misma cantidad de aceitunas que de manzanas? ¿De cuál hay más?Teniendo claros estos conceptos, y con un poco de práctica para saber encontrar lasrelaciones que se necesitan, se puede resolver cualquier problema de magnitudes atómico-moleculares.Una relación que muchas veces les cuesta encontrar a los alumnos es la relación entreátomos y moléculas. Por ejemplo: la fórmula del trióxido de azufre es SO3, eso significa que unamolécula de SO3 tiene un átomo de azufre y tres de oxígeno que se encuentran unidos. Si sepregunta cuántos átomos de oxígeno, o cuántos moles de átomos de oxígeno hay en 25 g de SO3;se necesita conocer esa relación, y está dada por la fórmula:Si en 1 molécula de SO3 ………….hay…………………. 3 átomos de Oen 5 moléculas de SO3 …..……..hay……………… 3 x 5 átomos de OSiempre habrá tres veces más átomos de oxígeno que moléculas, cualquiera sea el númerode moléculas que tomemos. Si tomamos un número de Avogadro de moléculas:en 6,02 . 10 23moléculas de SO3 .………..hay……………. 3 x 6,02 . 10 23átomos de OPero 6,02 . 1023moléculas de SO3 es un mol de moléculas, y 6,02 . 1023átomos de O es unmol de átomos de oxígeno, entonces:en un mol de moléculas de SO3 …………..hay………………. 3 moles de átomos de O67
    • La relación es la misma, porque se está multiplicando por el mismo número, y está dadapor la fórmula. Si en una molécula hay 3 átomos, en un mol de moléculas hay tres moles deátomos.Calculá ahora cuántos moles de átomos de oxígeno y cuántos átomos de oxígeno hayen 25,0 g de SO3 .8
    • RespuestasLa masa es una magnitud escalar, queda determinada por su valor y su unidad, en cambioel peso es una magnitud vectorial, es una fuerza, tiene módulo dirección y sentido. Según la ley deNewton F = m a (fuerza igual a masa por aceleración). Por lo tanto el peso es la masa por laaceleración de la gravedad.Es más correcto hablar de masa porque la masa es constante en cualquier parte deluniverso, en cambio el peso varía de acuerdo con la gravedad. Un átomo o molécula que seencuentren aquí o en la Luna tienen la misma masa pero no el mismo peso, porque la aceleraciónde la gravedad en la Luna es diferente de la que existe aquí en la Tierra.El número másico es la suma de protones más neutrones, no es la masa de undeterminado átomo (o isótopo), pero es el número entero más cercano a dicha masa. En la Tablase encuentra la masa atómica, que tampoco es la masa de un determinado isótopo sino elpromedio de la masa de los distintos isótopos que se encuentran en la naturaleza. Pero como en lagran mayoría de los casos existe un isótopo mucho más abundante que los demás, cuando seredondea la masa atómica en umas hasta llegar a un número entero, se llega al número másicodel isótopo más abundante.La masa atómica es fraccionaria entre otras razones porque es un promedio de la masa delos distintos isótopos que se encuentran en la naturaleza y porque la masa de un protón y de unneutrón no son exactamente 1 uma. El número másico no puede ser fraccionario, ya que se tratade una cantidad de partículas.123
    • Ese promedio estará más cercano a la masa del isótopo que se encuentre en mayorabundancia.No todas las sustancias están formadas por moléculas. La fórmula mínima o empírica es lamínima relación entre los elementos que componen una sustancia. La fórmula molecular es lafórmula de una molécula, es decir cuántos átomos de cada elemento están formando unamolécula de una sustancia. En las sustancias formadas por moléculas la fórmula mínima y lamolecular pueden coincidir, como en el caso del H2O, HNO3 ó Br2O5. En otras sustanciasmoleculares la fórmula mínima y la molecular no coinciden. En este caso, la fórmula molecularsiempre es un múltiplo de la fórmula mínima y al simplificarla para obtener la mínima relación, sellega a la fórmula mínima (que no es la fórmula real en este caso). Es el caso de: C2H6 , C6H6, Cl2ó H2O2. En las sustancias que no están formadas por moléculas la única fórmula que existe es lafórmula empírica o mínima. Este es el caso de: CaCl2, Na2SO4, Fe ó Cu.La masa molecular en umas es la masa (en promedio) de una sola molécula o de unafórmula mínima. La masa molar en gramos es la masa de un mol de moléculas (o fórmulasmínimas) o sea de 6,02 10 23moléculas. ¡Pequeña diferencia....!De la misma manera que en 500 g de aceitunas hay muchas más aceitunas (100), quemanzanas hay en 500 g de manzanas (5); en 100 g de agua hay más moléculas de agua (demenor masa), que moléculas de dióxido de carbono hay en 100 g del mismo. No hay la mismacantidad, hay más moléculas de H2O.4567
    • Debemos primero saber la masa molar del SO3, y para ello calculamos su masa molecularen umas.m (SO3) = m (S) + 3 . m (O) = 32,1 u + 3 . 16,0 u = 80,1 u M (SO3) = 80,1 g/molSabiendo que en un mol de moléculas hay tres moles de átomos de oxígeno y que un molde moléculas tiene una masa de 80,1 g:80,1 g de SO3 …………………….. 3 mol de át. de O25,0 g de SO3 …………………….. 0,936 mol de át. de O80,1 g de SO3 …………………….. 3 x 6,02 . 1023át. de O25,0 g de SO3 …………………….. 5,64 . 1023át. de OEsta no es la única forma de resolver el problema, pero es la más directa. En losproblemas, sobre todo cuando se complican, no existe un único camino para resolverlos. Cuandose está aprendiendo es más difícil hallar el camino más corto, pero siempre que el razonamientosea correcto el problema estará bien resuelto.8
    • ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOSLic. Lidia IñigoEn el texto Temas de Química General encontrarás explicados los experimentos quellevaron a determinar la estructura atómica y los principales modelos atómicos que hubo a lo largode la historia. No se te preguntará sobre esto, pero es bueno que lo leas para poder entendercómo se llegó a los distintos modelos atómicos y por qué fueron cambiando con el tiempo. Debésinterpretar el modelo inmediatamente anterior al actual que es el modelo de Bohr, porque tepermitirá entender el modelo atómico actual.¿Qué significa modelo en ciencia? ¿Por qué fueron cambiando los distintos modelosatómicos a lo largo del tiempo?El primer modelo atómico fue el de Joseph j. Thomson (1856 – 1940), que surgió a partirdel conocimiento de la naturaleza eléctrica de la materia. Thomson postuló un modelo en el cual elátomo se describía como una nube esférica de carga positiva en la cual estaban insertos loselectrones. Como si fuera un “budín” en el cual los electrones fueran las “pasas de uvas”. Añosmás tarde, Ernest Rutherford (1871 – 1937) probó mediante su experimento que la carga positivadel átomo estaba concentrada en un muy pequeño espacio, y propuso un nuevo modelo en elcual la carga positiva estaba concentrada en un núcleo muy pequeño y los electrones giraban enórbitas circulares alrededor de él.Modelo de RutherfordEl modelo de Rutherford tenía una falla, y era que contradecía la física clásica por el hechode que si el electrón se mueve en una órbita circular, está sometido a la aceleración centrípeta. Deacuerdo con la física clásica, toda carga sometida a una aceleración pierde energía, lo cual haríaque el electrón se fuera acercando cada vez más al núcleo describiendo una trayectoria espiral yterminaría pegándose al núcleo.Hacia fines del siglo XIX Max E. L. Planck (1858 – 1947), estudiando la radiación de uncuerpo negro, vio que los resultados experimentales no podían explicarse si se consideraba a la luzemitida como una onda, y formuló su teoría cuántica de la radiación. Esta teoría expresa que lamateria no absorbe o emite energía en cualquier valor, sino en ciertos y determinados valores, osea, en forma de “cuantos” de energía. La relación entre la energía y la frecuencia o la longitud de1
    • onda de la luz emitida está dada por la ecuación de Planck; ΔE = h ν ó ΔE = h C/λ Donde hes la constante de Planck, ν es la frecuencia, C es la velocidad de la luz y λ es la longitud de onda.Es importante que veas que la energía de una radiación electromagnética es inversamenteproporcional a la longitud de onda y directamente proporcional a la frecuencia, cuanto mayorlongitud de onda, menor es la energía de esa radiación.¿Por qué las ondas de radio no son nocivas para la salud y sí en cambio lo son losrayos x que se utilizan en las radiografías o los rayos ultravioleta?Basado en la teoría de cuantificación de la energía de Planck, Niels Bohr (1885 – 1962)propuso un nuevo modelo atómico, según el cual el electrón solo puede moverse en determinadasórbitas, y mientras el electrón se encuentre en ellas, no puede absorber ni emitir energía.Modelo de Bohr - SommerfeldEn el modelo atómico de Bohr; cuando el electrón se encuentra en sus órbitas no puedeabsorber o emitir energía.¿Cómo varía la energía de un electrón con respecto a ladistancia al núcleo?¿Cómo absorbe o emite energía el átomo? ¿Por qué estácuantificada la energía? ¿Se mantiene esto en el modelo atómico actual?El ESTADO FUNDAMENTAL es el estado de menor energía. Cuando el átomoabsorbe energía pasa a lo que se denomina un ESTADO EXITADO.Cuando se entrega energía al átomo, éste la absorbe pasando a un estado excitado, yluego regresa a su estado fundamental devolviendo esa energía en forma de luz. Si se obtiene unregistro de las distintas longitudes de onda a las que el átomo absorbe o emite, ese registro es loque se llama un espectro de absorción o emisión respectivamente. Debido a la cuantificación de laenergía, en los espectros no se obtiene un continuo, sino líneas a determinadas longitudes deonda que corresponden a los distintos “saltos” de los electrones. Esos espectros sonabsolutamente particulares para cada elemento, tan particulares, que analizando la luz emitida porlas estrellas puede llegar a saberse qué elementos se encuentran en su composición. Un ejemploque podés ver a diario es lo que pasa al caer un poco de agua en una llama. La llama se torna decolor anaranjado intenso y es debido a una de las líneas de emisión del sodio (el agua contienesales de sodio), que cae en la región visible del espectro electromagnético. Esto se utiliza para laidentificación del sodio.23
    • Espectros de emisiónEl modelo de Bohr explicaba las líneas encontradas para el átomo de hidrógeno, pero nopodía explicar los espectros de átomos con muchos electrones. Cuando los aparatos se fueronperfeccionando, se vio que cada línea que predecía el modelo de Bohr en realidad aparecíadesdoblada en más líneas, como si en cada nivel de energía predicho por Bohr, existieran distintossubniveles.Determinados experimentos sólo pueden explicarse si la luz es considerada como unaonda, y otros experimentos, como la radiación de un cuerpo negro, sólo pueden explicarse si la luzes considerada como partículas. Esto es lo que se llama la dualidad onda partícula.Louis V. De Broglie (1892 – 1987) supuso que la dualidad onda partícula que se daba en laluz podía darse también en el electrón, que hasta ese momento se consideraba como partícula. Enrealidad la dualidad onda partícula se da en todas las partículas muy pequeñas y que se mueven avelocidades muy grandes.Modelo Atómico ActualDe la cuantificación de la energía, que llevó a toda una nueva mecánica, denominadamecánica cuántica, y de considerar al electrón como una onda, surge el modelo atómico actual.Este modelo propone una ecuación matemática (que nace de la mecánica cuántica) propuesta porErwin Schröedinger (1887 – 1961) y que se denomina “Ecuación de Onda de Schröedinger”.Esta ecuación no tiene un significado concreto, pero cuando se la eleva al cuadrado, da laprobabilidad matemática de encontrar al electrón dentro de un determinado espacio.La probabilidad matemática de encontrar al electrón dentro de un determinadoespacio es lo que se denomina ORBITAL.En el modelo actual no existen órbitas, porque no se puede determinar una trayectoria orecorrido para el electrón. Para poder determinar el movimiento de cualquier partícula se necesita
    • conocer la expresión de su velocidad y su posición en un momento dado. Para el electrón esto esimposible de determinar, si se conoce su posición no se puede conocer su velocidad y viceversa.Esto es lo que se conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg. Werner Heisenberg(1901 – 1976).Lo único que se puede conocer es esa probabilidad matemática que denominamos orbital.La representación gráfica de esa probabilidad en el espacio es el “dibujo” que permite apreciar laforma del orbital; por ejemplo cuando hablamos de un orbital s, estamos hablando de un orbitalque tiene forma esférica, dentro de esa esfera hay una gran probabilidad de encontrar al electrón.A su vez, dentro de esa esfera la probabilidad no es toda igual, cerca del núcleo es muy baja y hayuna “cáscara” donde la probabilidad es máxima.ProbabilidadDistancia al núcleoOrbitales pLo que antes eran las órbitas del modelo de Bohr (K, L, M, N, etc.) ahora en el modeloactual pasan a ser los niveles de energía (1, 2, 3, 4, etc.). Dentro de esos niveles encontramosdistintos subniveles y dentro de los distintos subniveles, los distintos orbitales. Tanto lossubniveles como los orbitales se nombran con las letras s, p, d, y f. Esas letras provienen de laforma en que se veían las líneas de los espectros, en inglés; s es de sharp (nítida), p de principal,d de difuse (difusa), y f de fundamental. El nivel 1 tiene un solo subnivel que es el s, con un soloorbital que es el s. En el nivel 2 aparecen el subnivel s y el subnivel p. En el nivel 3 tenemos tressubniveles: s, p, y d. A partir del nivel 4 aparecen 4 subniveles: s, p, d y f. En los subniveles p haytres orbitales distintos (de igual energía); en los subniveles d hay 5 orbitales y en los f hay 7orbitales, siempre de igual energía. A medida que va aumentando el nivel de energía, se van“abriendo” cada vez más subniveles, y cada vez con más orbitales, que se van repitiendo en cadanivel.El orden de energía dentro de los subniveles de un mismo nivel es: s < p < d < f .
    • ¿Que diferencia hay, por ejemplo entre un orbital s del nivel 1 y un orbital s del nivel 2?Teniendo en cuenta que el estado fundamental del átomo es el estado de menor energía.Podríamos pensar que todos esos distintos niveles, subniveles y orbitales se encuentran vacíos y“armar” nuestro átomo acomodando los electrones en ellos.La CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA (CE) es la distribución de los electronesen los distintos niveles y subniveles.Pero falta saber cuántos electrones pueden ponerse en cada orbital.¿Cuántos electrones hay como máximo en cada orbital? ¿Por qué?¿Cuántos electrones podrán ponerse como máximo en los subniveles s, p, d y f ?A partir de que se completa el subnivel 3p, el orden de llenado de los orbitales no coincidecon el orden de energía. Luego del subnivel 3p se completa el subnivel 4s y después el 3d. Lasiguiente regla mnemotécnica sirve para saber el orden de llenado de los orbitales; es la regla delas diagonales.456
    • Debés asegurarte de memorizar a qué se denomina estado fundamental y estado excitadode un átomo. Debés conocer también el significado de niveles y subniveles de energía, qué es unorbital, cuántos orbitales hay en cada subnivel, cuántos subniveles hay en cada nivel y cuántoselectrones hay como máximo en cada orbital.Nivel nº Subniveles Subniveles Subnivel nº Orbitales1 1 1s s 12 2 2s 2p p 33 3 3s 3p 3d d 54 4 4s 4p 4d 4f f 75 y sig. 4 ídemEsto te permitirá “armar” una configuración electrónica. Por ejemplo si z = 23 laconfiguración electrónica es: CE = 1s22s22p63s23p64s23d3.La regla de las diagonales es una regla mnemotécnica para escribir laconfiguración electrónica, pero como toda regla tiene sus excepciones. Si te fijásen la Tabla vas a encontrar unas cuantas excepciones, pero a nivel de este cursono es necesario conocerlas, si se les pide una CE, no se les va a pedir ningunaexcepción.Debés saber escribir también las CE de iones. La CE de un ión, al menos en la mayoría delos elementos representativos, coincide con la configuración electrónica de un gas noble. Esto noes una casualidad, cuando veamos el tema Uniones Químicas veremos que los elementos, cuandose unen, pierden, ganan o comparten electrones pero no en cualquier cantidad, sino que pierdenganan o comparten electrones para llegar precisamente a una configuración electrónica másestable. En la mayoría de los elementos representativos esa configuración es la de un gas noble,que es muy estable porque tiene su nivel de energía completo.Lo que se denomina CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA EXTERNA (CEE) es laconfiguración electrónica del último nivel de energía.Para determinar la CEE a partir de la CE se debe buscar el mayor nivel de energía, a partirde la primera vez que se lo encuentra y de ahí en adelante comenzar a fijarse. Cuando aparecensubniveles d ó f incompletos, ó completos pero la CE termina, forman parte de la CEE; pero siestá completo y hay por lo menos un electrón en el subnivel siguiente, ya no forman parte de laCEE. Intentá practicarlo respondiendo la pregunta 7. La notación que se encuentra en dichapregunta es una forma abreviada de la configuración electrónica, [Kr] significa la CE del Kriptón(hasta el 4º nivel de energía completo) y luego se continúa. Se puede abreviar con la CE decualquier gas noble, es como comúnmente aparece en las tablas.
    • ¿Cuáles serían las CEE correspondientes a las siguientes CE?a) 1s22s22p63s23p64s23d10b) [Kr] 5s24d105p4c) [Kr] 5s24d105p66s24f145d3d) [Kr] 5s24d105p66s24f145d106p37
    • RespuestasUn modelo es una teoría que se postula para explicar un hecho, en este caso la estructurade un átomo. Mientras esa teoría esté de acuerdo con los datos experimentales y logrepredecirlos, es válida, pero cuando no puede explicar los hechos experimentales, hay quemodificarla o reemplazarla; por eso ha habido distintos modelos atómicos a lo largo del tiempo.Porque los rayos x y los rayos ultravioleta son de longitudes de onda muy pequeñas, delorden de los nm (nanometro, 1 nm = 10−9m) y frecuencias muy grandes, por lo tanto tienen unaenergía muy grande. En cambio, las ondas de radio tienen longitudes de onda muy grandes (delorden de los m) y muy baja energía.El electrón tiene mayor energía cuanto más lejos del núcleo se encuentre. Un átomoabsorbe energía cuando el electrón pasa de una órbita más interna a una más externa y emiteenergía cuando el electrón pasa de una orbita más externa a una más interna. La energía quepuede absorber o emitir está cuantificada porque sólo puede ser el valor de la diferencia deenergía que existe entre las órbitas entre las cuales el electrón “salta”. Esto es válido en el modeloactual, salvo que en lugar de órbitas tenemos niveles y subniveles de energía.La diferencia, además de la energía, es el tamaño. Los dos tienen forma esférica pero el 2s es mayor, porque se encuentra a mayor distancia del núcleo.1234
    • En cada orbital van como máximo dos electrones. Esto es consecuencia del principio deexclusión de Pauli. Wolfgang Pauli (1900 – 1958). De la Ecuación de Onda de Schröedinger surgencuatro parámetros que son los números cuánticos, el primero de ellos está indicando en qué nivelse encuentra el electrón, el segundo en qué subnivel, el tercero en qué orbital y el cuarto, que esel número cuántico de spin puede tener solamente dos valores. Como el principio de Pauli dice queen un mismo átomo no puede haber dos electrones que tengan sus cuatro números cuánticosiguales (es como si fueran la identificación de cada electrón), si los tres primeros son igualessignifica que están en el mismo nivel, en el mismo subnivel y en el mismo orbital, por lo tanto sóloqueda para diferenciarlos el número cuántico de spin, que sólo toma dos valores, y comoconsecuencia sólo puede haber dos electrones por cada orbital.En el subnivel s 2, en el p 6, en el d 10 y en el f 14.a) 4s23d10b) 5s25p4c) 6s25d3d) 6s26p3567
    • TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOSLic. Lidia IñigoYa desde que se conocieron los primeros elementos, los estudiosos de la ciencia se dieroncuenta de que había grupos de elementos que tenían características similares y quisieronagruparlos y clasificarlos. Pero fue recién en el siglo XIX, después de la teoría atómica de JhonDalton (1766 – 1844), cuando se dieron los primeros pasos que llevarían a una clasificaciónperiódica. En ese tiempo se pensaba que todos los átomos de un elemento eran iguales y tenían lamisma masa o peso atómico (hoy sabemos que no, debido a la existencia de isótopos). Se vio quehabía cierta regularidad entre las propiedades de los elementos y su peso atómico, y que éstas serepetían a intervalos regulares de ocho elementos. El primero en enunciar la llamada “leyperiódica” y en hacer una Tabla Periódica de los elementos fue Dimitri Mendeléev (1834 – 1907).Dicha ley periódica decía que las propiedades de los elementos se encontraban en dependenciaperiódica de sus pesos atómicos.En la tabla propuesta por Mendeléev había algunos elementos que no quedabancorrectamente ubicados de acuerdo con su peso atómico, y él sacrificó su orden pensando que elpeso atómico estaba mal determinado. Tan importante fue el trabajo de Mendeléev quequedaban lugares vacíos en esta clasificación y él dedujo que tendría que haber elementos queocuparan dichos lugares, y predijo sus propiedades. Muchos años después, cuando sedescubrieron dichos elementos, como el galio, el germanio y el escandio, se vio que laspropiedades predichas por él eran asombrosamente correctas.No fue hasta después del descubrimiento de los isótopos, en 1913, que se vio que enrealidad las propiedades de los elementos no dependían de su masa atómica sino de la cantidadde electrones del átomo y, por lo tanto, de su número atómico. Esto explicó porqué en algunoselementos había que invertir el orden con respecto a su masa atómica.Hoy podemos enunciar la ley periódica como:“Las propiedades físicas y químicas de los elementos son una función periódica desu número atómico”.Es habitual que a los alumnos les cueste interpretar el significado de esta frase. Parahacerlo se necesita en principio conocer el significado de las palabras.¿Qué es una función?¿Qué significa la palabra periódica?¿Qué es lo que significa el enunciado de esta ley?¿Cuál es la importancia de la clasificación periódica? ¿Para qué sirve?Los períodos que aparecen en la clasificación periódica no son regulares, es decir, no sontodos iguales.12
    • Aparecen dos períodos de 8 elementos, luego dos períodos de 18 elementos y, por último,dos períodos de 32 elementos de los cuales el último está incompleto.Con el conocimiento que tenemos hoy en día de estructura atómica y del modelo atómicoactual, vemos que si vamos colocando los elementos en el orden en que se van llenando losdistintos niveles y subniveles de energía (el de la regla de las diagonales), comenzando cada líneahorizontal al comenzar a “llenar” un nuevo nivel, queda formada la Tabla Periódica.Seguí el siguiente razonamiento teniendo a la vista una Tabla Periódica.El primer nivel (1s) tiene un solo subnivel con un solo orbital y, por lo tanto, pueden irsolamente dos electrones, lo que da lugar para solamente dos elementos, el que tiene un soloelectrón que es el hidrógeno y el que tiene dos, que es el helio. Luego comenzamos a llenar elnivel 2, llenamos el subnivel 2s, con lugar para dos electrones, y luego se llena el 2p, con lugarpara seis electrones. Esto da lugar al primer período de ocho elementos. El siguiente nivel es el 3,donde se llenan 3s y 3p, lo que da lugar al segundo período de ocho elementos. Pero después delsubnivel 3p se comienza a llenar el 4s, con lo cual debemos ir a una nueva línea horizontal, lo querepresenta un nuevo período. Se completa el 4s, y luego el 3d, que da lugar a 10 elementos más ypor último el 4p. Aquí aparece el primer período de 18 elementos. Luego comenzamos a llenar elnivel 5, que es igual que el cuatro (aparece el subnivel 4d) y se completa el segundo período de18 elementos. El sexto nivel comienza con 6s, pero aquí, una vez completado se comienza a llenarel subnivel 4f, lo que da lugar a 14 elementos más y aparece el primer período de 32 elementos.Puede verse que los subniveles d comienzan a llenarse un nivel “atrasado” y por lo tanto quedanen el período siguiente. Los subniveles f se comienzan a llenar dos niveles “atrasados”, entonces elsubnivel 4f queda en el período seis y el 5f queda en el período siete.Por lo que acabamos de ver, las líneas horizontales de la Tabla Periódica son losPERÍODOS.¿Cómo quedan agrupados en la tabla los elementos que tienen característicaso propiedades similares?Las columnas verticales de la Tabla Periódica son los GRUPOS O FAMILIAS.Podrás observar que en la tabla quedan determinados distintos bloques según se vanllenando los distintos subniveles. En las dos primeras columnas se llena el subnivel s, en las seisúltimas columnas se llena el subnivel p y en las columnas del medio, que comienzan en el período3, se completa el subnivel d. El subnivel f, cuyos elementos son muy similares entre sí, en lamayoría de las tablas aparece abajo para evitar una distribución tan larga en el sentido horizontal.3
    • Los elementos cuya CE termina en orbitales s ó p se denominan ELEMENTOSREPRESENTATIVOS, los elementos cuya CE termina en orbitales d se denominanELEMENTOS DE TRANSICIÓN y los elementos cuya CE termina en orbitales f sedenominan ELEMENTOS DE TRANSICIÓN INTERNA.Debés notar que los elementos de transición interna no pertenecen a ningún grupo. Losque terminan en el subnivel 4p (período 6) se denominan lantánidos y los que terminan en elsubnivel 5p (período 7) se denominan actínidos.¿Por qué los elementos que pertenecen a un mismo grupo tienen propiedadesquímicas similares?Existen dos nomenclaturas para nombrar a los grupos o familias. La más moderna, dadapor la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), numera de corrido con númerosarábigos a todos los grupos del 1 al 18.La nomenclatura más antigua o tradicional numera con números romanos y distingue entrelos grupos de los elementos representativos y los de los elementos de transición con los subíndicesA y B respectivamente. En la nomenclatura tradicional, el número del grupo coincide con elnúmero de electrones de la CEE; salvo para las cuatro últimas columnas de los elementos detransición, ya que hay tres columnas que son grupo VIIIB y quedan como últimos los grupos IB yIIB con 11 y 12 electrones en su CEE respectivamente. Si tenemos que dar una expresión generalpara la CEE de la primera columna de la Tabla Periódica sería ns1. La denominación para esteprimer grupo sería IA por ser el primer grupo de los elementos representativos.¿Podrías dar la CEE y la denominación de todos los grupos de los elementosrepresentativos?Nosotros usamos generalmente la nomenclatura tradicional para los grupos. Podés usarcualquiera de las dos nomenclaturas, siempre que las utilices correctamente.Es muy común encontrar entre las respuestas de los alumnos, por ejemplo, que eloxigeno pertenece al grupo 6. ¿Por qué es incorrecto de esta manera?Dentro de los grupos de los elementos representativos, donde algunos tienen nombresparticulares, hay cuatro cuyos nombres debés conocer.El grupo IA es el grupo de los METALES ALCALINOS, el grupo IIA es el grupo delos METALES ALCALINO TÉRREOS, el grupo VIIA es el grupo de los HALÓGENOS(formadores de sales) y el grupo VIIIA es el grupo de los GASES NOBLES, gases inertes ogases raros.456
    • Además en todas las tablas aparece una línea divisoria que forma una “escalerita” quecomienza debajo del boro. Esta es la división entre metales y no metales.El carácter metálico es la tendencia a ceder electrones.Los elementos que se encuentran arriba y a la derecha de esta división (más el hidrógeno)son los no metales; y los que se encuentran abajo y a la izquierda son los metales. Esto significaque todos los elementos de transición y los de transición interna son metales. Esta división no estajante, los elementos que se encuentran cerca del límite tienen características ambivalentes; secomportan como metales frente a un elemento con fuerte carácter no metálico y como no metalesfrente a un elemento de fuerte carácter metálico. Estos elementos, como el aluminio, el estaño oel plomo se denominan anfóteros.Es importante notar que la clasificación periódica propiamente dicha comienza en elsegundo período y que los elementos del primer período, hidrógeno y helio quedan fuera de estaclasificación.¿Por qué el hidrógeno y el helio quedan fuera de la clasificación periódica?Es importante notar que hay una relación directa entre la CEE de un elemento y suEs importante notar que hay una relación directa entre la CEE de un elemento y suubicación en la tabla periódica. El número que denomina al grupo es el número deubicación en la tabla periódica. El número que denomina al grupo es el número deelectrones de la CEE y el período es el máximo nivel de energía de la CEE. Esto permiteelectrones de la CEE y el período es el máximo nivel de energía de la CEE. Esto permiteque simplemente conociendo el número atómico de un elemento se pueda deducir suque simplemente conociendo el número atómico de un elemento se pueda deducir suubicación en la tabla sin necesidad de tener una tabla periódica. Con el z, sabiendo que seubicación en la tabla sin necesidad de tener una tabla periódica. Con el z, sabiendo que setrata de un elemento neutro, sabemos que el número de electrones es el mismo que el z.trata de un elemento neutro, sabemos que el número de electrones es el mismo que el z.Con el número de electrones podemos escribir su CE, con la CE determinamos su CEE yCon el número de electrones podemos escribir su CE, con la CE determinamos su CEE ycon ésta el grupo y período a que pertenece el elemento.con ésta el grupo y período a que pertenece el elemento.Este razonamiento o el inverso, dada la CEE llegar al z del elemento, es elEste razonamiento o el inverso, dada la CEE llegar al z del elemento, es elque se pide en los problemas de Tabla. Esto se pedirá solamente para losque se pide en los problemas de Tabla. Esto se pedirá solamente para loselementos representativos, no para los de transición. Los problemas de tablaelementos representativos, no para los de transición. Los problemas de tablaestán pensados para resolverse sin la tabla, no tiene sentido resolverlos con laestán pensados para resolverse sin la tabla, no tiene sentido resolverlos con latabla delante.tabla delante.Una de las preguntas frecuentes de los alumnos es si van a poder tener unaUna de las preguntas frecuentes de los alumnos es si van a poder tener unaTabla en el parcial; y la respuesta es que sí. La pregunta inmediata es que si seTabla en el parcial; y la respuesta es que sí. La pregunta inmediata es que si setiene la Tabla para qué se necesita saber resolver estos problemas. La respuestatiene la Tabla para qué se necesita saber resolver estos problemas. La respuestaes que en muchos de los problemas, incluyendo los de los parciales aparecenes que en muchos de los problemas, incluyendo los de los parciales aparecenelementos que se tienen que identificar, por ejemplo A, R ó T. En la Tabla noelementos que se tienen que identificar, por ejemplo A, R ó T. En la Tabla noaparecen dichos símbolos y si no saben resolver el problema, la Tabla no sirveaparecen dichos símbolos y si no saben resolver el problema, la Tabla no sirvepara nada. En la guía de ejercitación hay algunos problemas que son ejemplo depara nada. En la guía de ejercitación hay algunos problemas que son ejemplo delo que se acaba de exponer.lo que se acaba de exponer.7
    • PROPIEDADES PERIODICASExisten propiedades que varían en forma predecible a lo largo de un grupo o un período dela Tabla Periódica. Siempre hablamos en forma general y sin detenernos en algunasirregularidades excepcionales. Dichas propiedades son las denominadas propiedades periódicas.Entre ellas veremos el radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad. Estaspropiedades y su variación general en la tabla periódica nos permitirán analizar el comportamientode los elementos al unirse entre sí, para llegar a los distintos tipos de uniones químicas.EL RADIO ATÓMICO es la mitad de la distancia que existe entre los núcleos dedos átomos del mismo elemento que se encuentran unidos.LA ENERGÍA DE PRIMERA IONIZACIÓN es la energía que hay que entregar aun átomo, en su estado fundamental y en estado gaseoso, para separar el electrón másdébilmente unido y formar un catión monovalente.LA ELECTRONEGATIVIDAD es la tendencia que tiene un determinado elementode atraer hacia sí los electrones de un enlace.Notarás que no se define el radio atómico como la distancia desde el núcleo al últimoelectrón. La definición dada en los textos de química, es lo que se llama una definiciónoperacional, es decir, se define en la forma en que se puede medir. Además ésta es la definiciónpara lo que llamamos radio covalente, cuando los elementos están unidos por unión covalente. Noes la única definición de radio atómico, pero es la que utilizaremos en este curso.¿Por qué no se puede definir el radio atómico como la distancia entre el núcleo y elúltimo electrón ?Es importante que entiendas la siguiente justificación o explicación acercade estas variaciones, porque te va a ayudar a memorizar cómo varían estaspropiedades en la tabla periódica.El radio atómico aumenta hacia abajo en un grupo y disminuye hacia la derecha en unperíodo.Si se razona un poco, es evidente por qué el radio atómico aumenta al ir hacia abajoen un grupo, ¿podrías explicarlo?La variación en un período no es tan simple de explicar. Debemos definir lo que sedenomina efecto de pantalla o apantallamiento. Los electrones de los niveles inferiores seinterponen y “tapan” la carga del núcleo, disminuyendo la atracción entre el núcleo (positivo) y loselectrones del último nivel (negativos). Actúan como si fuera una pantalla, de ahí su nombre. Esteefecto se produce de nivel a nivel (los electrones del nivel 1 ejercen efecto de pantalla para todoslos niveles siguientes, los del nivel 1 y 2 para los electrones del nivel 3 en adelante, etc.) pero no89
    • entre los electrones de un mismo nivel. Si vamos hacia la derecha en un período, vemos que loselectrones que hay de diferencia entre un elemento y los demás quedan todos dentro de unmismo nivel. Los electrones que ejercen efecto de pantalla son los de los niveles inferiores. Poresta razón en un período el efecto de pantalla es prácticamente constante, pero va aumentando lacarga nuclear (hay cada vez más protones). Eso hace que predomine el efecto de aumento de lacarga nuclear, los electrones del último nivel estén cada vez más atraídos por el núcleo y el radioatómico se achique.Si volvemos sobre la variación en un grupo, vemos que al ir hacia abajo también aumentala carga nuclear, pero los electrones que hay de diferencia entre un elemento y los que seencuentran abajo quedaron todos, o por lo menos la gran mayoría, en los niveles inferiores y porlo tanto aumenta mucho el efecto de pantalla. Ese aumento del efecto de pantalla predominasobre el aumento de la carga nuclear (es mayor) y, por lo tanto, los electrones del último nivelestán cada vez menos atraídos por el núcleo y el radio aumenta.La variación de la energía de ionización puede relacionarse con el radio atómico.¿En qué caso será más fácil poder “arrancar” ese electrón al átomo? ¿Cómo variarála EI en la tabla?La última propiedad periódica que vamos a ver es la electronegatividad. Fijate que por laforma en que está definida, la electronegatividad se define para un elemento que se encuentraunido.¿Cuándo tendrá un elemento mayor tendencia a atraer los electrones de una unión?Relacionalo con el radio atómico ¿Cómo varía la electronegatividad en la tabla?En los problemas también aparecen el carácter metálico y la tendencia a formar cationes oaniones:¿podés relacionarlos con la EI y decir cómo varían en la tabla?101112
    • RespuestasUna función es una relación (que puede ser matemática o no) tal que a cada elemento lecorresponde un único elemento como resultado de esa relación. Por ejemplo, y = 2 x + 4 ó “tienecomo madre a...” son funciones.Algo periódico es algo que se repite a intervalos regulares, ese intervalo es lo que sedenomina período. Por ejemplo, una revista semanal es una publicación periódica y el períodosería una semana.Por lo tanto, el enunciado de esta ley significa que las propiedades de los elementosvuelven a repetirse después de una determinada cantidad de números atómicos. Y esa cantidad denúmeros atómicos es precisamente el período.La importancia de la clasificación periódica es que al agrupar a los elementos que tienencaracterísticas similares, facilita el estudio de sus propiedades y comportamiento, ya que alconocer las características del grupo, se conoce las características de todos los elementos que locomponen. Esto fue lo que le permitió a Mendeléev predecir las propiedades de elementos quetodavía no habían sido descubiertos.En las columnas verticales denominadas precisamente grupos o familias.123
    • Si tomamos una columna o grupo cualquiera de la tabla periódica, por ejemplo, la primera:Elemento y Z CEH 1 1s1Li 3 1s22s1Na 11 1s22s22p63s1K 19 1s22s22p63s23p64s1Vemos que lo que tienen de igual es el número de electrones de la configuraciónelectrónica externa. No es exactamente la configuración electrónica externa porque cambia el nivelde energía. Precisamente esos electrones del último nivel son los electrones que se denominan devalencia, y son los que van a intervenir en las reacciones químicas. Como tienen el mismo númerode electrones en su CEE, esos elementos van a tener un comportamiento químico y propiedadessimilares.ns1…………………………..………...IAns2……………………………..……...IIAns2np1……………………………....IIIAns2np2………………………………. IVAns2np3………………………………. VAns2np4…………………………...….VIAns2np5…………………….........….VIIAns2np6………………………….….…VIIIA45
    • Porque se está utilizando la numeración arábiga, que corresponde a la nomenclaturamoderna y en esta nomenclatura el oxígeno pertenece al grupo 16 y no al grupo 6 (que sería elVIB en la tradicional). La convención en la escritura debe respetarse porque si no el que leeinterpreta que el oxígeno se encuentra en el sexto grupo de los elementos de transición.El oxígeno pertenece al grupo VIA ó 16, esa es la forma correcta de expresarlo.En el caso del hidrógeno, éste se encuentra en la primera columna simplemente porque suCEE coincide con la general para dicha columna; pero no pertenece al grupo, no es un metalalcalino; de hecho ni siquiera es un metal, el hidrógeno es un no metal (notá que en las tablasdebajo del hidrógeno aparece la línea de división entre metales y no metales). En realidad elhidrógeno no pertenece a ninguno de los grupos de la clasificación periódica.En cuanto al helio, tiene CEE 1s2, si nos guiamos por ella tendría que estar en el grupo IIA,sin embargo se encuentra en el grupo de los gases nobles. Está en este grupo porque pertenece almismo, y tiene todas las características de los gases nobles, no tiene la CEE propia del gruposimplemente porque en el nivel 1 no existe el subnivel p, pero tiene su último nivel de energíacompleto como todos los gases nobles y por eso tiene características similares y es un gas noble.Porque, según el modelo atómico actual, no podemos determinar exactamente latrayectoria de los electrones y, por lo tanto, no se puede determinar con exactitud la distanciahasta donde puede llegar el último electrón.Porque al ir hacia abajo en un grupo estamos pasando a un mayor nivel de energía, ycomo habrás aprendido en el tema Estructura Electrónica de los Átomos un mayor nivel de energíaimplica una mayor distancia al núcleo.6789
    • Es evidente que será más fácil “arrancar” un electrón al átomo cuando ese electrón seencuentre menos atraído por el núcleo. Y cuanto mayor es el radio del átomo, los electrones elúltimo nivel están menos atraídos por el núcleo. Por lo tanto la EI varía en forma inversa al radioatómico, aumenta hacia la derecha en un período y disminuye hacia abajo en un grupo. Notá quela explicación para la variación de las dos propiedades es la misma.Cuanto más retenidos se encuentren los electrones del último nivel, y menor sea el radioatómico, tanto mayor será la electronegatividad de ese elemento. Por eso la electronegatividadaumenta hacia la derecha en un período y disminuye hacia abajo en un grupo, igual que la EI y enforma inversa al radio.Ya definimos el carácter metálico de un elemento como la tendencia a ceder electrones.Cuanto menor sea la EI, más fácil será que ese elemento ceda electrones. Por lo tanto, el caráctermetálico disminuye hacia la derecha en un período y aumenta hacia abajo en un grupo.Cuanto menor sea la EI, y mayor el carácter metálico, mayor será la tendencia a formarcationes. Por eso los metales tienen mucha tendencia a formar cationes.Por el contrario cuanto mayor sea la EI, menor será el carácter metálico (mayor el carácterno metálico) y mayor será la tendencia de ese elemento a formar aniones.101112
    • UNIONES QUÍMICAS - FÓRMULAS DE LEWIS -Lic. Lidia IñigoUna vez conocida la ubicación en la Tabla y las tendencias de los elementos a ceder o acaptar electrones, podemos explicarnos cómo y por qué los elementos se unen de determinadamanera.¿Cuáles son los elementos que tienen tendencia a ceder electrones y cómo se hallanubicados en la Tabla Periódica?¿Cuáles son los elementos que tienen tendencia a captar electrones y cómo se hallanubicados en la Tabla Periódica?En el tema Estructura Electrónica de los Átomos vimos, al ver la configuración electrónicade iones, que los elementos, cuando se unen, pierden, ganan o comparten electrones, pero no encualquier cantidad, sino que lo hacen para llegar a una estructura más estable. Esa estructura másestable en la mayoría de los elementos representativos es la correspondiente a un gas noble.¿Por qué son tan estables los gases nobles?Como todos los gases nobles, excepto el Helio, tienen 8 electrones en su último nivel deenergía (en su CEE); esto llevó a la denominada regla del octeto, o sea que los elementos tiendena completar sus 8 electrones en el último nivel. Como toda regla, tiene sus excepciones (algunasde las cuales veremos como ejemplo).El Hidrógeno al unirse no completa 8 electrones, sino 2. Pero el Hidrógeno no es unaexcepción a la regla.¿Por qué el hidrógeno no es excepción a la regla del octeto?Tenemos entonces tres posibilidades de unión entre los distintos elementos. Si se unen unelemento con tendencia a ceder electrones (metálico) y un elemento con tendencia a captarelectrones (no metal, con alta electronegatividad) con una gran diferencia de electronegatividadentre sí; el metal cederá sus electrones al no metal y se formarán iones, quedando el metal comocatión y el no metal como anión. La atracción electrostática entre los iones de signo contrarioforma la UNIÓN IÓNICA.LA UNIÓN IÓNICA se produce cuando se unen un metal y un no metal consuficiente diferencia de electronegatividad entre sí. Se forman iones con cargas eléctricascontrarias y la atracción electrostática entre ellos forma la unión.1342
    • El ejemplo de unión iónica es el cloruro de sodio. El sodio que se encuentra en el grupo IA,tiene mucha tendencia a ceder ese último electrón porque al hacerlo se queda con la CE del gasnoble anterior. El cloro necesita ganar un electrón para llegar a la CE de gas noble. El sodio cedesu electrón al cloro y los dos completan su octeto. La representación de esto en una estructura ofórmula es lo que se llama fórmula o estructura de Lewis.Si se unen dos elementos metálicos (o átomos del mismo elemento, que es el caso másusual), con tendencia a ceder electrones y baja electronegatividad; como esos últimos electronesestán muy débilmente unidos lo que se produce es una red tridimensional de cationes entre loscuales pueden moverse libremente los electrones. Esa es la UNIÓN METÁLICA, que tienecaracterísticas particulares que luego veremos.LA UNIÓN METÁLICA se produce en general entre los átomos de un mismo elementometálico, que tiene baja electronegatividad, como en el hierro, el cobre o el aluminio.La unión metálica no tiene representación en una estructura de Lewis.Por último, si se unen dos elementos con tendencia a captar electrones (de altaelectronegatividad y poca diferencia de electronegatividad entre sí), como los dos “quierenquedarse” con los electrones, ya que necesitan captar electrones para completar su octeto,terminan compartiéndolos. Ésta es la UNIÓN COVALENTE.LA UNIÓN COVALENTE se produce entre no metales, elementos con altaelectronegatividad y poca diferencia de electronegatividad entre sí.Es covalente la unión existente en la molécula de cloro, donde como ambos átomosnecesitan un electrón más para completar su octeto, comparten un par de electrones, eso es loque se denomina una unión covalente simple.
    • En el caso del cloro, los dos átomos que se unen son del mismo elemento, y por lo tantotendrán la misma electronegatividad. El par electrónico que se comparte está igualmentecompartido, eso es lo que se denomina una unión covalente pura o no polar.Pero la unión covalente también puede darse entre elementos que tengan diferenteelectronegatividad, como por ejemplo el cloruro de hidrógeno.δ−δ+En este caso el cloro es más electronegativo y el par electrónico que se comparte no estáigualmente compartido, sino que se encontrará (en promedio) más cerca del cloro que delhidrógeno. Esto es lo que se denomina una unión covalente polar. En estos casos hay unaseparación de carga, pero no la suficiente como para que la unión sea iónica. Se dice que hay unafracción o densidad de carga negativa del lado del cloro y una fracción o densidad de cargapositiva del lado del hidrógeno y se forma lo que se denomina un dipolo.LA UNIÓN COVALENTE ES PURA O NO POLAR cuando no hay diferencia deelectronegatividad entre los átomos unidos. LA UNIÓN COVALENTE ES POLAR cuando existeuna diferencia de electronegatividad entre los átomos unidos.Si tenemos en cuenta esto, desde un extremo, que es la unión covalente pura, si vamosaumentando la diferencia de electronegatividad entre los elementos que se unen podremos llegarhasta el otro extremo que es la unión iónica. Entonces surge la pregunta: ¿dónde está el límite?¿hasta dónde seguimos diciendo que la unión es covalente y dónde comenzamos a decir que launión es iónica? La respuesta es que ese límite no está rígidamente definido. De hecho haydiferencias de apreciación entre diferentes autores. Pero la diferencia de electronegatividad es unparámetro que ayuda mucho a determinar si una unión es covalente o iónica y, por lo tanto, si uncompuesto es covalente o iónico. Nosotros vamos a tomar como límite una diferencia deelectronegatividad de 2, si es menor diremos que es covalente; y si es 2 o mayor, que es iónica.¿Por qué necesitamos saber si una unión es iónica o covalente?Hablamos de la diferencia de electronegatividad. Muchas Tablas Periódicas traen el dato deelectronegatividad. Las electronegatividades que aparecen en la Tabla Periódica de la guía deejercitación corresponden a Linus Pauling (1901 – 1994). Esos valores son empíricos, son valoresrelativos obtenidos dando un valor arbitrario al elemento más electronegativo que es el flúor.¿Por qué quedan fuera de la tabla de electronegatividades los gases nobles?Uno de los errores comunes entre los alumnos es creer que las cosas son de una manera uotra, y que no existen matices intermedios. Entonces memorizan “entre metal y no metal la uniónes iónica”. Esto no es siempre verdadero. La unión iónica siempre se va a dar entre un metal y unno metal, pero entre un metal y un no metal que tengan suficiente diferencia de56
    • electronegatividad entre sí. Vamos a ver ejemplos de uniones entre metal y no metal que soncovalentes.Es importante que tengas en cuenta que ese límite de diferencia de electronegatividad noes una cosa tajante, y además que la diferencia de electronegatividad no es lo único que hace queun compuesto sea iónico o covalente. Por eso cuando esa diferencia está cerca del límite hay quetener cierto cuidado. Por ejemplo entre el berilio, un metal del grupo IIA, y el cloro, un halógeno,uno diría a priori que la unión es iónica. Si uno mira la diferencia de electronegatividad en la Tabla,es 1,5 y se trata de un compuesto covalente. Si tomamos el azufre y el sodio, su diferencia deelectronegatividad es 1,6, sin embargo es un compuesto iónico a pesar de que la diferencia deelectronegatividad es casi la misma. Si nos fijamos en los radios atómicos podemos encontrar unaexplicación: para el cloro el radio es 100 pm (picometros, 1pm = 10−12m), para el berilio 112 pm,para el azufre 103 pm y para el sodio 186 pm.¿Podrías dar esa explicación?Existen distintos tipos de uniones covalentes:UNIÓN COVALENTE SIMPLE cuando se comparte un solo par de electrones (cadaátomo aporta un electrón). Es el caso visto en el cloro o en el cloruro de hidrógeno.UNIÓN COVALENTE DOBLE cuando se comparten dos pares de electrones entre losmismos átomos, es el caso del dióxido de carbono.UNIÓN COVALENTE TRIPLE cuando se comparten tres pares de electrones entre losmismos átomos, es el caso del nitrógeno.UNIÓN COVALENTE DATIVA O COORDINADA cuando el par que se comparte esaportado por uno solo de los átomos que se unen, es el caso del dióxido de azufre.Tendrás que poder escribir las fórmulas de Lewis de muy diversos compuestos. Debésnotar que en las estructuras de Lewis los electrones que se representan son los electrones devalencia, los del último nivel, o sea, los de la CEE.7
    • ¿Quién nos dice cuántos electrones se deben poner a un elemento determinado enuna estructura de Lewis?Tenés que notar también que en las fórmulas de Lewis representamos de manera diferentea los electrones de los distintos átomos (círculos, cruces, etc.). Esto no significa que los electronessean diferentes, todos los electrones son iguales e indistinguibles. Simplemente es un recursodidáctico para comprender cómo es la unión. Otra cosa importante es que en las fórmulas deLewis los electrones siempre se colocan en pares, y los electrones que no forman uniones siempreestán formando pares, por eso hablamos de pares de electrones compartidos (cuando formanuna unión) y pares de electrones sin compartir o libres (cuando no están formando unión).Para armar las fórmulas de Lewis de compuestos sencillos tenés que tener en cuenta queen la gran mayoría de los compuestos se cumple la regla del octeto. Un elemento entoncesperderá, ganará o compartirá los electrones que le falten para completar su nivel de energía yllegar a la CE de gas noble. El grupo IA siempre se unirá perdiendo un electrón (unión iónica), oformará una unión metálica, pero no forman uniones covalentes. El grupo IIIA en uniones iónicaspierde tres electrones y en uniones covalentes (B y Al) comparte tres pares de electrones, siendouna excepción a la regla del octeto. El grupo IVA , el caso del carbono por ejemplo, deberácompartir cuatro pares de electrones, que pueden ser cuatro uniones simples, dos simples y unadoble, dos dobles o una simple y una triple. El carbono no forma uniones iónicas, sí lo hacen losmetales del grupo como el estaño y el plomo.¿Podés completar este razonamiento para los demás grupos de los elementosrepresentativos?Si consideramos cuántos pares de electrones debe compartir cada elemento y la regla delocteto, se pueden “armar” muchas fórmulas de Lewis de compuestos sencillos, aunque cuandoaumenta el número de átomos ya no hay una sola posibilidad de unión respetando la regla delocteto. Volviendo al ejemplo del dióxido de azufre, sabiendo que la molécula no es cíclica, quedantres posibilidades de unión y las tres respetan la regla del octeto.¿Podrías hacer las tres posibles fórmulas de Lewis para el SO2 ?Pero la fórmula correcta es una sola, y la razón está en la naturaleza de la unióncovalente dativa. ¿Podés explicarlo?Practicá ahora escribiendo las fórmulas de Lewis de los siguientes compuestos,determinando primero si son iónicos o covalentes. Tené en cuenta que la diferencia deelectronegatividad es simplemente la diferencia entre los elementos, siempre positiva (mayormenos menor). Por ejemplo en el Cl2O, no porque tenga dos átomos de cloro tengo que multiplicarla electronegatividad del cloro por dos, es el valor para el oxígeno menos el valor para el cloro.SrF281091112
    • Cl2OBeCl2K2OCa3N2PbCl4Todos los compuestos que siguen están formados por elementos no metálicos. En estoscasos no es necesario fijarse la diferencia de electronegatividad, siempre las uniones seráncovalentes.Además, en todos los casos se cumple la regla del octeto y hay una única manera de unirlos átomos respetándola. Escribí sus fórmulas de Lewis:H2O2N2H4C2H4N2H2SO3C2H2CH2Cl2H2COHCNPodemos pasar ahora a estructuras de Lewis de compuestos más complicados. En estoscasos ya no hay una sola forma de unir los átomos respetando la regla del octeto, y se debeconocer en qué forma se deben unir. Comenzaremos por los óxidos ácidos en los que el no metaltiene número de oxidación impar distinto de uno (si no conocés los nombres consultá el tema1314151617181920222123242526
    • Número de Oxidación y Nomenclatura). Es estos casos, cuya fórmula general es X2On en la que Xes el no metal, siempre hay un oxígeno en el centro formando “puente” entre los dos átomos de Xy unido a ellos por uniones covalentes simples. Se debe comenzar a hacer la estructura haciendoeste paso y luego hay que fijarse si el no metal completó sus ocho electrones. Si no lo hizo, sedeben agregar los oxígenos que faltan completando las uniones faltantes, y una vez que el nometal completó su octeto, la única manera de seguir uniendo los oxígenos que faltan es poruniones dativas. Siempre los oxígenos se disponen en forma simétrica.Ejemplo: N2O5primer pasoComo los nitrógenos no completaron sus ocho electrones y les falta compartir dos pares deelectrones, y además faltan unir cuatro oxígenos, debemos unir dos oxígenos a cada nitrógeno,pero si hacemos uniones simples los oxígenos no completarían su octeto. Por lo tanto, hacemosuna unión doble con un oxígeno a cada nitrógeno y de esa forma todos completan su octeto. Losotros dos oxígenos se unen por uniones dativas uno a cada nitrógeno.En el caso de los oxoácidos, su fórmula general es HaNoMet.Ob. A pesar de la forma en quese escribe la fórmula, hay que recordar que él, o los hidrógenos, nunca están unidos al no metal(que en general tiene atomicidad uno), sino a los oxígenos. El no metal queda en el centro, unidoa los oxígenos y algunos de esos oxígenos tendrán unidos hidrógenos. Nuevamente debemoscomenzar la estructura de Lewis colocando el no metal, uniendo los oxígenos que estén unidos ahidrógenos por uniones covalentes simples y luego fijarnos si el no metal completó sus ochoelectrones; en el caso de no haber completado uniremos los oxígenos hasta completar, y luego sifaltan unir más oxígenos, se unirán por uniones dativas.Ejemplo: H2CO3primer pasoEl carbono no completó el octeto y le falta compartir dos pares de electrones al igual que eloxígeno que falta unir. Entonces dicho oxígeno se debe unir por una unión covalente doble.Los ácidos se denominan de esa manera precisamente porque en solución acuosa pierdensus hidrógenos como protón (el hidrógeno deja su electrón) y forman los anionesO N OOO NOO NNH CO O HOH CO O H
    • correspondientes. Si lo que se quiere hacer es la estructura de Lewis del anión, se deben seguirlos mismos pasos, simplemente que en lugar de tener unidos hidrógenos, los oxígenos tendrán unelectrón de más, esos electrones darán las cargas negativas correspondientes.¿Podrías hacer la estructura de Lewis de los aniones correspondientes al ácidocarbónico 1) CO32–y 2) HCO3–?Las oxosales provienen de la neutralización de un hidróxido y un oxoácido (si no conocéslos nombres consultá el tema Número de Oxidación y Nomenclatura), el hidróxido deja el catióndel metal y el oxoácido el oxoanión. La unión entre el catión metálico y el anión es iónica. Por lotanto, cuando se pide la estructura de Lewis de una oxosal se deben disociar (separar) el anión yel catión teniendo en cuenta que la sal es neutra y por lo tanto tiene la misma cantidad de cargaspositivas que negativas. Por ejemplo: Fe2(CO3)3 se disocia en dos iones Fe3+y tres iones CO32–(site cuesta saber como disociar consultá el tema Electrolitos y Disociación Iónica, que forma partedel tema Soluciones Acuosas de Compuestos Iónicos, en la unidad Soluciones; porque esnecesario para escribir correctamente la fórmula de Lewis). Luego lo que falta es desarrollar laestructura de Lewis del anión. Por lo tanto la estructura de Lewis completa de la sal sería:CO OO( )2_Fe2 33+27
    • RespuestasLos elementos con tendencia a ceder electrones son los metales, y se hallan ubicados haciala izquierda y hacia abajo en la Tabla. Cuanto más a la izquierda y más abajo se ubique unelemento, mayor será su tendencia a ceder electrones.Los elementos con tendencia a captar electrones son los no metales, y se hallan ubicadoshacia la derecha y hacia arriba en la Tabla. Cuanto más a la derecha y más arriba se ubique unelemento, mayor será su tendencia a captar electrones.Los gases nobles son tan estables porque tienen su último nivel de energía completo, y poreso son tan poco reactivos y prácticamente no se unen con ningún otro elemento, ni consigomismos. La molécula de los gases nobles es monoatómica.El Hidrógeno tiene un solo electrón, que se encuentra en el nivel 1. Como el nivel 1 secompleta con 2 electrones, al llegar a ese valor llega a la CE del Helio, que es el primer gas noble.1342
    • Necesitamos saberlo para saber si un compuesto va a ser iónico o covalente, pero ademáspara representar en forma correcta su fórmula de Lewis. Notá que la representación en fórmula deLewis es distinta para una unión iónica y para una covalente, por lo tanto, antes de representarlase debe conocer si la unión es iónica o covalente.Porque la electronegatividad está definida para elementos que se encuentran unidos, y losgases nobles son prácticamente inertes y sus átomos no se unen. Por lo tanto, no se puede definirelectronegatividad para los gases nobles.Los radios de los átomos de cloro y de berilio son mucho más parecidos, el átomo de berilioes mucho más chico que el de sodio, por lo tanto, es menos polarizable y será más difícil que cedasu electrón. En cambio los radios del átomo de azufre y el de sodio tienen mucha más diferencia apesar de la electronegatividad similar. El átomo de sodio es más grande, es más polarizable ycederá su electrón más fácilmente.El grupo o familia a la que pertenece el elemento, ya que el número del grupo en lanomenclatura tradicional coincide con el número de electrones de la CEE para los elementosrepresentativos.5678
    • Grupo IIA se une siempre perdiendo dos electrones (iónica), o por unión metálica. El grupoVA en uniones iónicas gana tres electrones y en uniones covalentes comparte 3 pares deelectrones. El grupo VIA en uniones iónicas gana dos electrones y en uniones covalentes comparte2 pares de electrones. El grupo VIIA en uniones iónicas gana un electrón y en covalentes comparteun solo par de electrones.En la unión covalente dativa, en la cual los electrones que se comparten pertenecen a unsolo átomo, el elemento que cede el par compartido es siempre menos electronegativo que el quelo acepta. Esto en general se cumple, salvo en casos excepcionales que no estudiaremos en estecurso. En los compuestos más comunes que veremos en este curso, la unión coordinada siemprese da de otro elemento hacia el oxígeno, ya que el único elemento más electronegativo que eloxígeno es el flúor.9111210
    • 13141516
    • 17181920
    • 21222324
    • 1) Ión carbonato 2) Ión carbonato ácido252627
    • NÚMERO DE OXIDACIÓNLic. Lidia IñigoLas reglas para los números de oxidación pueden deducirse si se tiene en cuenta lo dichocon respecto a que los elementos, al unirse, pierden, ganan o comparten electrones para llegar auna estructura más estable. Los números de oxidación son consecuencia de esto.En los compuestos iónicos, si el ión es monoatómico, el número de oxidación coincide consu carga eléctrica, esto se da en los metales (Na+, Ca2+, Fe3+, etc.) o en los aniones no oxigenados(Cl–, S2–, etc.). Pero no se debe confundir número de oxidación con carga eléctrica, en los ionespoliatómicos la carga del ión es una cosa y los números de oxidación de cada elemento en el ión,otra. Por ejemplo, en el ión NO3–el número de oxidación del nitrógeno es +5, el del oxígeno es −2y la carga eléctrica es −1.En un compuesto covalente el número de oxidación se define como la carga quele quedaría a ese elemento si los electrones de esa unión covalente se asignaran almás electronegativo de los elementos. Teniendo en cuenta esto el elemento máselectronegativo tendrá el número de oxidación negativo y el menos electronegativo el número deoxidación positivo.¿Por qué las sustancias simples tendrán número de oxidación cero?¿Por qué el hidrógeno tiene número de oxidación +1 cuando se combina con nometales y −1 cuando se une a metales en compuestos binarios (hidruros)?¿Por qué el oxígeno es siempre −2 salvo en las excepciones?¿Por qué el grupo IA tiene como único número de oxidación el +1 y el grupo IIA comoúnico número de oxidación +2?¿Por qué el flúor tiene cómo único número de oxidación el −1?En el caso de los halógenos, cuando se unen con un elemento menos electronegativotendrán como número de oxidación el –1, como en el caso del flúor.Pero, excepto el flúor, cuando se unen con el oxígeno, como éste es más electronegativotendrán números de oxidación positivos.Si recordás las fórmulas de Lewis en el caso de óxidos, oxoácidos y oxosales, recordarásque al hacer una unión covalente, los halógenos ya completan su octeto y la única manera deseguir uniéndolos a más átomos de oxígeno es por uniones dativas. Luego de hacer una unión12345
    • Ácido clóricoÁcido perclóricocovalente simple, les quedan tres pares de electrones que pueden utilizar en uniones dativas conoxígenos. Si hacen sólo la unión covalente simple (por ejemplo HClO):tienen como número de oxidación +1, porque los electrones de dicha unión se asignan al oxígeno.Si utilizan un par electrónico en una unión dativa (por ejemplo HClO2):los electrones de dicha unión también se asignan al oxígeno, pero como los “puso” los dos elhalógeno porque es una unión dativa, pierde los dos y tienen como número de oxidación +3. De lamisma forma si utiliza dos pares en uniones dativas (por ejemplo HClO3):tendrán número de oxidación +5 y si utiliza los tres (por ej. HClO4):tendrán número de oxidación +7. Por lo tanto, los números de oxidación más comunes del grupoVIIA son –1, +1, +3, +5 y +7.¿Podrías deducir los números de oxidación más comunes de los grupos VIA y VA?6Ácido hipoclorosoÁcido cloroso
    • Debés tener cuidado con estos tres grupos (VA, VIA y VIIA) porque en lastablas aparecen estos números de oxidación que son los más comunes y son losque vamos a usar en los compuestos que veamos en nomenclatura; pero tambiénaparecen otros menos frecuentes. Si no conocés cuáles tenés que usar, sobretodo para las terminaciones en la nomenclatura tradicional, podés confundirte.En el grupo VA, +3 corresponde a la terminación OSO y +5 a la ICO. Y en el grupo VIA +4corresponde a la terminación OSO y +6 a la ICO.Existen dos reglas que permiten sacar por diferencia el número de oxidación que tiene undeterminado elemento en un compuesto dado, cuando ese elemento tiene más de un número deoxidación posible:La suma algebraica de los números de oxidación de los elementos involucrados,multiplicados por sus respectivas atomicidades, debe ser igual a cero si se trata de uncompuesto neutro y si se trata de un ión debe ser igual a su carga neta.Con estas reglas pueden asignarse los números de oxidación en cualquier especie, tantosea una sustancia neutra como un ión.
    • NOMENCLATURALa nomenclatura tradicional se basa en distinguir los compuestos por terminaciones queindican el estado de oxidación del elemento correspondiente. Si el elemento tiene un solo estadode oxidación no se utiliza ninguna terminación y queda el nombre del elemento sin alterar. Cuandoel elemento posee solamente dos estados de oxidación, se utiliza el sufijo OSO para el menornúmero de oxidación y el sufijo ICO para el mayor. En el caso de los halógenos que poseen cuatroestados de oxidación positivos (+1, +3, +5 y +7) se utilizan los prefijos HIPO y PER paradistinguir el menor y el mayor respectivamente:La nomenclatura moderna o IUPAC (sigla en inglés para la Unión internacional de QuímicaPura y Aplicada) distingue los distintos compuestos colocando en el nombre el estado de oxidacióndel elemento correspondiente en números romanos, este número se denomina numeral de Stock(Nº Stk). Si el elemento posee un solo estado de oxidación, no es necesario utilizar dicho numeral.Al escribir las fórmulas, es una convención general que el elemento menos electronegativose escribe a la izquierda.hipo ----- oso para el +1----- oso para el +3----- ico para el +5per ----- ico para el +7
    • COMPUESTOS BINARIOSHIDRUROSSe denomina genéricamente hidruros a los compuestos formados por el elementohidrógeno y otro elemento que sea un metal.Los hidruros se nombran de la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACCaH2 hidruro de calcio hidruro de calcioFeH2 hidruro ferroso hidruro de hierro (II)FeH3 hidruro férrico hidruro de hierro (III)HIDRÁCIDOSSe denomina genéricamente hidrácidos a los compuestos formados por el elementohidrógeno y un no-metal de los grupos VIIA ó VIA. Se nombran de la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACH2S ácido sulfhídrico sulfuro de hidrógenoHCl ácido clorhídrico cloruro de hidrógenoTRADICIONAL: hidruro metal OSOICOIUPAC: hidruro de metal (Nº Stk)TRADICIONAL: ácido no metal HÍDRICOIUPAC: no metal URO de hidrógeno
    • En el caso de la nomenclatura tradicional es costumbre nombrarlos como ácido cuando seencuentran en solución acuosa, porque tienen carácter ácido, pero cuando se encuentran enestado gaseoso el nombre coincide con la nomenclatura IUPAC.Se mantiene el nombre vulgar del agua (H2O) por tradición, y porque no tiene carácterácido y no se podría nombrar como ácido. Los compuestos formados con los no metales del grupoVA no tienen carácter ácido y se siguen manteniendo los nombres tradicionales: amoníaco paraNH3, fosfano o fosfina para PH3, y arsano o arsina para AsH3.En el grupo IVA el compuesto de hidrógeno con carbono, CH4, se considera un compuestoorgánico y se denomina metano; por analogía, el SiH4 se nombra como silano. En el grupo IIIA elcompuesto de boro con hidrógeno es B2H6 y se llama diborano.ÓXIDOSLos compuestos formados por oxígeno y otro elemento se denominan en general óxidos,si el segundo elemento es un metal será un óxido básico y si se trata de un no-metal será unóxido ácido.ÓXIDOS BÁSICOSEJEMPLO TRADICIONAL IUPACNa2O óxido de sodio óxido de sodioPbO óxido plumboso óxido de plomo (II)PbO2 óxido plúmbico óxido de plomo (IV)ÓXIDOS ÁCIDOSTRADICIONAL: óxido metal OSOICOIUPAC: óxido de metal (Nº Stk)TRADICIONAL: óxido (hipo) no metal OSO(per) ICOIUPAC: óxido de no metal (Nº Stk)
    • EJEMPLO TRADICIONAL IUPACSO2 óxido sulfuroso óxido de azufre (IV)SO3 óxido sulfúrico óxido de azufre (VI)Cl2O óxido hipocloroso óxido de cloro (I)I2O7 óxido periódico óxido de iodo (VII)En el caso del nitrógeno que forma óxidos con todos los estados de oxidación posibles(1,2,3,4 y 5) es más conveniente la nomenclatura IUPAC, o la de atomicidad.Ejemplo: NO óxido de nitrógeno (II) o monóxido de nitrógenoN2O óxido de nitrógeno (I) u óxido de di nitrógenoSALES BINARIASSon las sales que provienen de los hidrácidos y están formadas por un metal y un no-metaldistinto de oxígeno. Se nombran de la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACKCl cloruro de potasio cloruro de potasioSnI4 ioduro estánnico ioduro de estaño (IV)SnS sulfuro estannoso sulfuro de estaño (II)Para escribir la fórmula de cualquier compuesto binario (AxBy), se intercambian los númerosde oxidación de los elementos poniendo como atomicidad para A (x) el número de oxidación de By como atomicidad para B (y) el número de oxidación de A. Salvo en algunos casos excepcionalescomo H2O2 (agua oxigenada), B2H6 ó Hg2Cl2; si los subíndices se pueden simplificar, hay quesimplificarlos porque las fórmulas corresponden a las fórmulas empíricas.TRADICIONAL: no metal URO metal OSOICOIUPAC: no metal URO de metal (Nº Stk)
    • COMPUESTOS TERNARIOSHIDRÓXIDOSLos hidróxidos son compuestos iónicos donde los cationes provienen de un metal y losaniones son los iones hidróxido (OH−).Responden a la fórmula general Me (OH)n y se nombran de la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACNaOH hidróxido de sodio hidróxido de sodioNi(OH)2 hidróxido niqueloso hidróxido de níquel (II)Ni(OH)3 hidróxido niquélico hidróxido de níquel (III)Escribir la fórmula a partir del nombre es muy sencillo ya que como el ión hidróxido tieneuna sola carga negativa, la fórmula tendrá tantos iones hidróxido como cargas positivas (númerode oxidación) tenga el metal.OXOÁCIDOSSon los ácidos que tienen oxígeno. Se denominan ácidos porque en solución acuosa seionizan perdiendo sus hidrógenos como protones y quedando un anión oxigenado con tantascargas negativas como hidrógenos se disociaron. Responden en general a la fórmula Ha NoMe Ob,en la que el no-metal se encuentra en el centro y salvo excepciones tiene atomicidad uno.TRADICIONAL: hidróxido metal OSOICOIUPAC: hidróxido de metal (Nº Stk)
    • EJEMPLO TRADICIONAL IUPACH2SO3 ácido sulfuroso sulfato (IV) de hidrógenoH2SO4 ácido sulfúrico sulfato (VI) de hidrógenoHBrO ácido hipobromoso bromato (I) de hidrógenoPara escribir la fórmula a partir del nombre, como el oxígeno tiene número de oxidación−2, si el no-metal tiene número de oxidación impar el ácido tendrá un solo hidrógeno, y si tienenúmero de oxidación par el ácido tendrá dos hidrógenos.Si tenemos en cuenta la regla de la suma de los números de oxidación, vemos que el:nro. de oxígenos = nro. de oxidación del no met. + nro. de hidrógenos2En ciertos casos se forma más de un ácido con el mismo número de oxidación del no-metal. Esto es consecuencia de que el óxido ácido reacciona con diferente cantidad de moléculasde agua para formar distintos ácidos. Para poder diferenciarlos se utilizan los prefijos orto, meta ypiro; tanto en la nomenclatura tradicional como en la IUPAC.Esto sucede para el fósforo y el arsénico (números de oxidación 3 y 5); para el silicio (4),aunque en este caso existen sólo las sales y para el boro (3), aunque no existe el ácido pirobórico,pero sí sus sales.EJEMPLO TRADICIONAL IUPACHPO3 ác. metafosfórico metafosfato (V) de hidrógenoH3PO4 ác. ortofosfórico ortofosfato (V) de hidrógenoH4P2O7 ác. pirofosfórico pirofosfato (V) de hidrógenoUn “truquito” para escribir en forma rápida la fórmula de estos ácidos es: la fórmula que seescribe por la regla general para cualquier ácido es el meta Si a esa fórmula se le suman doshidrógenos y un oxígeno (H2O), se obtiene la fórmula del orto y si se suman las dos fórmulasanteriores queda la fórmula del piro.TRADICIONAL: ácido (hipo) no metal OSO(per) ICOIUPAC: no metal ATO (Nº Stk) de hidrógeno
    • OXOSALESLas sales son compuestos iónicos que provienen de la neutralización de un ácido con unabase (hidróxidos y amoníaco o sus derivados orgánicos las aminas).Ácido + hidróxido sal + H2ODel ácido queda el anión y del hidróxido queda el catión del metal correspondiente, por lotanto, su fórmula genérica será Mex (NoMe Oa)y.En la nomenclatura tradicional cuando el nombre del ácido termina en OSO, la salcorrespondiente se nombra como ITO, y cuando el nombre del ácido termina en ICO, la salcorrespondiente se nombra como ATO. Una reglita mnemotécnica para acordarse es “pico de patoy oso chiquito”.EJEMPLO TRADICIONAL IUPACCuSO4 sulfato cúprico sulfato (VI) de cobre (II)Ba(ClO4)2 perclorato de bario clorato (VII) de barioCo(NO2)2 nitrito cobaltoso nitratro (III) de cobalto (II)Fe2(SO4)3 sulfato férrico sulfato (VI) de hierro (III)Para escribir la fórmula a partir del nombre conviene recordar que el anión tendrá tantascargas negativas como hidrógenos tenía el ácido del cual proviene, y que las cargas positivas delcatión están dadas por su número de oxidación. Una vez reconocidos los iones correspondientes,como todos los compuestos deben ser neutros, deberán tener la misma cantidad de cargaspositivas que negativas por, lo tanto, se intercambian las cargas de los iones y se simplifica en elcaso que sea necesario.Ejemplo: sulfato plúmbicoLa terminación ato indica que el azufre posee el mayor número de oxidación (+6) y laterminación ico indica lo mismo para el plomo (+4). Recordando que el anión vendrá del ácidosulfúrico, que tiene dos hidrógenos, tendrá, por lo tanto dos cargas negativas. Los iones queforman la sal serán por lo tanto SO4=y Pb4+. Si intercambiamos las cargas, quedaría Pb2(SO4)4,pero se debe simplificar y la fórmula del sulfato plúmbico es Pb(SO4)2 porque corresponde,como en todo compuesto iónico, a la fórmula empírica.TRADICIONAL: (hipo) no metal ITO metal OSO(per) ATO ICOIUPAC: no metal ATO (Nº Stk) de metal (Nº Stk)
    • SALES ÁCIDASEn los ácidos con más de un hidrógeno, éstos se disocian en forma secuencial, por lo tanto,se pueden formar iones en los cuales quedan uno o más hidrógenos. Las sales formadas por estosiones se denominan sales ácidas. Por ejemplo, del ácido sulfhídrico se forman:S2−el ión sulfuro si se disocian los dos hidrógenosH2SHS−el ión sulfuro ácido si se disocia un solo hidrógenoSALES ÁCIDAS DE HIDRÁCIDOSSólo se dan en el caso de hidrácidos de los elementos del grupo VIA (S, Se) y se nombrande la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACNaHS sulfuro ácido de sodio hidrógeno sulfuro de sodioCu(HS)2 sulfuro ácido cúprico hidrógeno sulfuro de cobre (II)TRADICIONAL: no metal URO ácido metal OSOICOIUPAC: hidrógeno no metal URO de metal (Nº Stk)
    • COMPUESTOS CUATERNARIOSSALES ÁCIDAS DE OXOÁCIDOSSe nombran de la siguiente manera:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACNaHCO3 carbonato ácido de sodio hidrógeno carbonato de sodiobicarbonato de sodioCa(HSO4) sulfato ácido de calcio hidrógeno sulfato (VI) de calciobisulfato de calcioKH2PO4 ortofosfato diácido de potasio dihidrógeno ortofosfato (V) depotasioIONES CON NOMBRES NO SISTEMÁTICOSExisten iones cuyos nombres no entran dentro de la sistematización dada, en muchos casosse trata de un metal de transición que está formando parte del anión como si fuera un no-metal.Entre ellos se deben conocer los siguientes:EJEMPLO TRADICIONAL IUPACNH4+amonio amonioHg22+mercurioso mercurio (I)CN−cianuro cianuroMnO42−manganato manganato (VI)MnO4−permanganato manganato (VII)CrO42−cromato cromato (VI)Cr2O72−dicromato dicromato (VI)TRADICIONAL: no metal ITO (di) ácido metal OSOATO ICOó bi no metal ITO metal OSOATO ICOIUPAC: (di) hidrógeno no metal ATO (Nº Stk) de metal (Nº Stk)
    • Estos iones forman sales como cualquiera de los anteriores y para escribir la fórmula seprocede de la misma manera.EJEMPLO TRADICIONAL IUPACNaCN cianuro de sodio cianuro sodioK2Cr2O7 dicromato de potasio dicromato (VI) de potasio(NH4)2SO3 sulfito de amonio sulfato (IV) de amonio
    • ión peróxidoRespuestasPorque los átomos que están unidos son del mismo elemento y, por lo tanto, tienen lamisma electronegatividad, con lo cual los electrones no pueden asignarse a ninguno de dichosátomos.Porque el hidrógeno tiene una electronegatividad intermedia. Es el menos electronegativode todos los no metales, por lo tanto, con ellos tendrá el número de oxidación positivo; pero esmás electronegativo que todos los metales y, por lo tanto, con ellos tendrá el número de oxidaciónnegativo.Porque es muy electronegativo, el único elemento más electronegativo que él es el flúor,cuando se une con el flúor en el óxido de flúor (OF2), es una de las excepciones (+2). Otraexcepción es en los peróxidos como en el caso del agua oxigenada (H2O2):En estos casos existe una unión covalente entre dos átomos de oxígeno, ya sea que esténunidos luego en forma covalente (H2O2) o formen el ión peróxido (O22−) para unirse medianteunión iónica a metales como en el caso de Na2O2.En esa unión no se puede asignar los electrones a ninguno de los dos oxígenos, por lotanto, en los peróxidos el oxígeno tiene número de oxidación –1.123
    • Porque son metales con alto carácter metálico (mucha tendencia a ceder electrones) y, porlo tanto, siempre se van a unir perdiendo electrones. El grupo IA pierde un solo electrón porque deesa manera llega a la configuración electrónica del gas noble anterior, no puede perder másporque no llegaría a una configuración estable. El grupo IIA pierde dos por la misma razón. Sipierde uno, se quedaría con la configuración electrónica de metal alcalino y no de gas noble, poreso pierde los dos.Porque es el elemento más electronegativo, no hay ningún elemento más electronegativo,por lo tanto, no puede tener números de oxidación positivos. Además, como está en el grupo VIIA,para llegar a la estructura de gas noble gana (en caso de unión iónica) o comparte (covalente) unsolo electrón.En el grupo VIA, del azufre para abajo sucede lo mismo que con los halógenos, al unirse aloxígeno tienen número de oxidación positivo. Le quedan dos pares de electrones para utilizar enuniones dativas, si utilizan uno tendrán número de oxidación +4 y si utilizan los dos tendránnúmero de oxidación +6. Por lo tanto, para este grupo los números de oxidación más comunesserán –2, +4 y +6.En el grupo VA, queda un solo par electrónico para uniones dativas. Por lo tanto, losnúmeros de oxidación más comunes serán –3, +3 y +5.456
    • GEOMETRÍA MOLECULARLic. Lidia IñigoHemos dicho al estudiar uniones químicas que un enlace covalente es polar cuando existecierta diferencia de electronegatividad entre los átomos que se unen. La magnitud que mide lapolaridad de un enlace o de una molécula como un todo es el momento dipolar (μ) y la unidad enque se mide es el Debye (D). El momento dipolar es igual a la fracción de carga que se separa porla distancia de separación: μ = q . d; pero es una magnitud vectorial, o sea que es un vector quetiene módulo, dirección y sentido.Si una molécula es diatómica y por lo tanto tiene un solo enlace, su polaridad esdirectamente la polaridad de dicho enlace.Si el enlace es no polar como en el cloro la molécula es no polar:Si el enlace es polar como en el caso del cloruro de hidrógeno la molécula es polar. Cuandoexiste esta polaridad hay una separación de una fracción de carga, y se forma un dipolo:δ−δ+¿Cuál será la geometría de una molécula diatómica?Cuando una molécula tiene más de una unión, el momento dipolar de la molécula es lasuma de los momentos dipolares de todas las uniones. Pero esa suma no es una suma escalar,sino que es una suma vectorial.¿ Recordás como se suman vectores?Cuando se suman vectores el módulo y la dirección del vector suma depende del ánguloque estén formando dichos vectores. Por lo tanto, el momento dipolar total de una molécula conmás de una unión depende de la disposición en el espacio de dichas uniones. Para conocer dichadisposición espacial necesitamos conocer la geometría de la molécula.Existen formas experimentales que permiten determinar la geometría de una molécula, yteorías que permiten predecirla. En este curso veremos una teoría muy sencilla que permitepredecir la geometría tanto de moléculas como de iones poliatómicos. Es la teoría de repulsiónde pares de electrones de valencia (TRePEV). Esta teoría se basa en cuatro postulados:12
    • 1º ) El factor más importante que determina la geometría de una molécula son lospares de electrones de valencia (de la CEE) de los átomos involucrados en las uniones.Como veremos solamente casos en los que existe un átomo central, lo que determinará lageometría son los pares de electrones de valencia de ese átomo central, no los pares deelectrones de valencia de los átomos que lo están rodeando.2º ) Dichos pares de electrones se distribuyen en el espacio de manera tal que ladistancia entre ellos sea la máxima posible (lo más lejos posible) para que la repulsiónentre ellos sea la mínima posible.3º ) Los pares de electrones no compartidos o libres (que no forman uniones)“ocupan” más espacio que los pares compartidos. Esto hace que el ángulo de enlace entrelos pares compartidos se achique.4º ) A los efectos de determinar la geometría, las uniones múltiples (dobles otriples) se deben considerar como si fueran simples (como si se compartiera un solo par deelectrones).Teniendo en cuenta los postulados de TRePEV podemos predecir en general, no en todoslos casos, y de una forma bastante satisfactoria la geometría de diversas moléculas.Veamos primero los ejemplos en los que todos los pares de electrones del átomo centralestán compartidos.Los electrones de valencia son precisamente los que se ponen en las fórmulas de Lewis,por eso debemos partir de la misma.(Te proponemos en los ejemplos siguientes intentar escribir la fórmula de Lewis antes de ver suresolución)Ejemplo 1: cloruro de berilio BeCl2Escribir la fórmula de Lewis del BeCl2Hay dos cosas que deben llamarte la atención sobre esta fórmula de Lewis,¿cuáles son?34
    • El berilio, átomo central, posee dos pares de electrones compartidos. Según el segundopostulado lo más lejos que pueden disponerse en el espacio es en forma lineal, o sea formando unángulo de 180º.Su geometría, tanto la electrónica (GE) como la molecular (GM), es LINEAL. Podrásapreciar mejor la diferencia entre GE y GM cuando veamos los casos en que quedan pares deelectrones sin compartir.¿Qué podés decir con respecto a la polaridad de la molécula de BeCl2?Ejemplo 2: trifluoruro de boro BF3Escribir la fórmula de Lewis del BF3Nuevamente estamos ante una excepción a la regla del octeto. El boro tiene 3 pares deelectrones compartidos. La forma de disponer esos tres pares de electrones lo más lejos posible eshacia los vértices de un triángulo equilátero. Las tres uniones quedan en un plano. Esa geometríase denomina PLANA TRIANGULAR y los ángulos entre los enlaces son de 120º. Nuevamente GE yGM son iguales.Los tres momentos dipolares de las uniones boro – flúor son iguales en módulo, pero alestar dispuestos en el espacio en forma simétrica (existe un centro de simetría), su suma es iguala cero. Es una molécula NO POLAR. Si no estás convencido, tomá un transportador y sumá tresvectores, de igual módulo con el mismo punto de aplicación y que formen entre sí ángulos de120º, utilizando la regla del paralelogramo.56Ver animaciónVer animación
    • ¿Qué pasaría si en lugar de BF3 tenemos BF2Cl?Notá que podemos llegar a una molécula no polar teniendo uniones polares. Para estodeben cumplirse dos condiciones, ¿cuáles son?Ejemplo 3: metano CH4Escribir la fórmula de Lewis del CH4El carbono, átomo central, tiene cuatro pares de electrones compartidos. La máximaseparación en el espacio de cuatro puntos respecto de uno central son los vértices de un tetraedroregular, con un ángulo de 109,5º. Notá que esta separación es mayor que si los cuatro puntosestuvieran en un plano, donde el ángulo sería de 90º.¿Qué es un tetraedro regular?Para el metano entonces GE = GM = tetraédrica y los ángulos entre las uniones son de109,5º.¿Cómo será la polaridad de la molécula de metano?Muchas veces en los ejercicios se pide la justificación de una geometría. ¿Cómojustificarías la geometría de los tres casos que vimos como ejemplo:BeCl2 , BF3 y CH4 ?También es habitual que en los ejercicios se solicite la justificación de la polaridad, y latenés dada en las explicaciones y respuestas anteriores.7891011Ver animación12
    • No veremos casos en los que hay más de cuatro átomos rodeando al átomo central.Veremos ahora los casos en que quedan pares de electrones sin compartir.Ejemplo 4: cloruro plumboso ClPb2Escribir la fórmula de Lewis del PbCl2Existen tres pares de electrones sobre el átomo central, de los cuales dos estáncompartidos y uno libre. En este caso podemos apreciar la diferencia entre lo que denominamosgeometría electrónica (GE) y geometría molecular (GM). La GE es la disposición espacial queadoptan todos los pares de electrones que rodean al átomo central, estén compartidos o libres.Tené en cuenta que la GE no es la geometría real de la molécula, sino que es uninstrumento para llegar a la GM. El cloruro plumboso tendrá GE plana triangular. Pero uno delos tres pares de electrones no forma unión con otro átomo. La molécula está constituida porátomos que la componen y sus respectivas uniones. Experimentalmente se puede medir el ánguloentre un cloro, el plomo y el otro cloro. Este es el único ángulo que existe en la molécula ya quetiene solamente dos uniones. La GM será entonces ANGULAR.¿Cuál es el valor del ángulo en la molécula de PbCl2 ?En el PbCl2 tenemos entonces GE = plana triangular, GM = angular y un ángulo menor a120º:¿Cómo será la polaridad de la molécula de PbCl2 ?Ejemplo 5: amoníaco NH3Escribir la fórmula de Lewis del NH3En el amoníaco existen sobre el nitrógeno 4 pares de electrones, de los cuales tres estáncompartidos y uno libre. Su GE = tetraédrica. Al quedar un par de electrones libres, quedan tres131415Ver animación16
    • uniones, que en este caso determinan entre los cuatro átomos una pirámide triangular achatada,su GM = PIRAMIDAL con ángulos menores a 109º. Es una molécula POLAR. Dejamos lajustificación para que la puedas practicar.Hallá con el mismo procedimiento la geometría y polaridad del agua.Fijate que la GM angular puede provenir de una GE plana triangular con un par libre y enese caso el ángulo es < a 120º, o puede provenir de una GE tetraédrica con dos pares libres y enese caso el ángulo es < a 109,5º.Además, siempre que existan pares de electrones sin compartir la molécula será polar,porque de las dos condiciones que se deben cumplir para llegar a una molécula no polar, no secumple la disposición simétrica. Cuando existen pares de electrones sin compartir, son distintas GEy GM, pero en el caso de que todos los pares estén compartidos, coinciden.Ejemplo 6: dióxido de azufre SO2Escribir la fórmula de Lewis del SO2Como existe una unión doble, por el cuarto postulado de TRePEV, debemos contarla comosi fuera un solo par electrónico. Tenemos entonces tres pares de electrones, dos compartidos yuno libre. Eso determina GE = triangular plana y GM = angular con ángulo menor a 120º. Es unamolécula POLAR.1718Ver animación
    • De la misma manera que se puede determinar la geometría de una molécula, se puededeterminar también la geometría de iones poliatómicos.Ejemplo 7: ión amonio NH4+Escribir la fórmula de Lewis del NH4+Hay sobre el nitrógeno cuatro pares de electrones, todos compartidos, lo que determinaque su GE sea tetraédrica. En el caso de iones no podemos hablar de GM, error frecuente en losalumnos. No es una molécula, por eso no podemos decir GM, es la G del ión o G del catión eneste caso. La G del ión amonio es tetraédrica, con ángulos iguales a 109,5º.Otra cosa importante, y que es un error muy común, es que en los iones no tiene sentidodeterminar polaridad, porque los iones ya tienen una carga eléctrica neta. No es la separación deuna fracción de la carga de un electrón como en el caso de las moléculas, en las cuales determinala formación de un dipolo. Notá que si uno quisiera determinar la polaridad del ión amonio de lamisma forma que lo hace para una molécula llegaría al absurdo de decir que es no polar, cuandotiene una carga eléctrica neta.19
    • RespuestasAl tener un único enlace, la molécula es lineal (la línea la determina el enlace), pero no sepuede determinar ningún ángulo. Para determinar un ángulo se necesitan dos rectas (dosenlaces). Es común encontrar que los alumnos cometan el error de decir que una moléculadiatómica tiene un ángulo de 180º.La forma más sencilla es la gráfica, por la llamada regla del paralelogramo. Donde el vectorsuma (en color) se obtiene trazando las paralelas a las direcciones de los vectores que se estánsumando, que pasan por sus vértices. Como verás, el módulo del vector suma no es igual a lasuma de los módulos.123
    • Primero; las uniones son covalentes, lo vimos como ejemplo en el tema Uniones Químicas.Segundo; es una excepción a la regla del octeto.Cada unión entre el berilio y el cloro es polar, pero los momentos dipolares serán igualesen módulo, por ser entre átomos iguales. Por la disposición en el espacio, determinada por lageometría, los momentos dipolares tienen igual dirección y sentido contrario. Como tienen igualmódulo, igual dirección y sentido contrario su suma dará cero. Es una molécula NO POLAR.456
    • La fórmula de Lewis es similar porque F y Cl pertenecen al mismo grupo (VIIA). Lageometría es la misma, plana triangular, pero ahora dos de los momentos dipolares son iguales enmódulo y uno es distinto; por más que estén dispuestos en forma simétrica su suma es distinta decero. Es una molécula POLAR.Todos los átomos que están rodeando al átomo central deben ser iguales, para que todoslos momentos dipolares de todas las uniones sean iguales en módulo. Además, esas unionesdeben estar dispuestas en el espacio en forma simétrica para que la suma se anule. Si se cumplenestas dos condiciones, tendremos una molécula no polar a pesar de tener uniones polares; sialguna de las dos no se cumple, la molécula será polar.879
    • Un tetraedro regular es una pirámide triangular con todos sus lados y caras iguales, estotalmente simétrico, tiene un centro de simetría.Los cuatro momentos dipolares de las cuatro uniones son iguales en módulo y estándispuestos en el espacio en forma simétrica por tener geometría tetraédrica. Por lo tanto, su sumaserá igual a cero y la molécula de metano es NO POLAR.Para realizar la justificación de una geometría debés considerar los postulados de TRePEV,pero sólo los postulados que se utilizan en cada caso. No tiene sentido escribir los cuatropostulados si no se están utilizando, eso significa que no se entiende lo que se está haciendo. Enestos tres casos se han utilizado solamente el primer y segundo postulados.101112
    • Se debe tener en cuenta el tercer Postulado de TRePEV, el par electrónico sin compartirachicará el ángulo y éste será menor al que presenta la geometría triangular plana, que es la GE.Por lo dicho el ángulo es menor a 120º.Los dos momentos dipolares de las dos uniones Pb – Cl son iguales en módulo, pero ahoraestán formando un ángulo (no están dispuestos en forma simétrica) por lo tanto su suma serádistinta de cero. Además existe un par electrónico sin compartir sobre el plomo, que tambiénafecta la polaridad de la molécula. Por estas dos razones el PbCl2 es una molécula POLAR.131415
    • El oxígeno tiene 4 pares de electrones, dos compartidos y dos libres. Su GE = tetraédrica.De las cuatro direcciones hacia los vértices del tetraedro hay solo dos que son uniones con loshidrógenos, su GM = angular con ángulo < a 109,5º.El agua es una molécula muy polar porque a pesar de que los dos momentos dipolares delas dos uniones son iguales en módulo al estar formando un ángulo, su suma da distinta de cero yademás hay dos pares de electrones sin compartir sobre el oxígeno que, en este caso, aumentanla polaridad.1617Ver animación
    • 1819
    • FUERZAS INTERMOLECULARESLic. Lidia IñigoLas fuerzas intermoleculares, como su nombre lo indica, son las fuerzas que unenmoléculas. Ya deberías saber que no todas las sustancias forman moléculas. Existen tres tipos desustancias, iónicas, covalentes o metálicas según sea el tipo de unión que presentan.De acuerdo a lo visto en Uniones Químicas ¿Qué tipo de sustancias están formadas pormoléculas?Las sustancias iónicas no están formadas por moléculas, sino por una red cristalina endonde se van alternando iones positivos y negativos. Existen diversos tipos de redes cristalinas,cuyo estudio abarca la cristalografía. La más sencilla es la red del cloruro de sodio:En la red de cloruro de sodio cada ión está rodeado en el espacio por seis iones de signocontrario. Cuando se ve un cristal de una sustancia iónica, por ejemplo un granito de sal gruesa,todo ese cristal es una inmensa unidad.Las sustancias metálicas tampoco están formadas por moléculas. La interpretación de launión metálica se estudió en Uniones Químicas.1
    • Lo mismo que en el caso de una red cristalina, cuando vemos por ejemplo una viga dehierro todo es una inmensa unidad.Las fuerzas intermoleculares existen solamente en las sustancias formadas por moléculas yse pueden clasificar en tres tipos: fuerzas dipolo – dipolo, fuerzas de London y uniones puentehidrógeno.Fuerzas dipolo – dipolo o Fuerzas de dipolo permanente.Cuando una molécula es un dipolo permanente se produce una atracción electrostáticaentre el extremo positivo de una molécula y el extremo negativo de la molécula vecina. Esta es lafuerza dipolo – dipolo.¿Cuándo una molécula es un dipolo permanente?Las fuerzas dipolo–dipolo se encontrarán solamente entre moléculas polares.Fuerzas de London o dipolo temporario o dipolo transitorio o dipolo inducido ofuerzas de dispersión.Cuando una molécula es no polar, no existe un dipolo, su nube electrónica es simétrica.Pero como los electrones están en continuo movimiento, puede suceder que momentáneamentese deforme y se produzca un dipolo. Esto puede suceder por choques entre moléculas o con lasparedes del recipiente. Se dice que la molécula se polariza, y cuando esto sucede en unamolécula, inmediatamente induce a la molécula vecina a que también se polarice. Continuamenteentonces se están formando y destruyendo estos dipolos temporarios. Cuanto mayor es esa nubeelectrónica es más fácilmente polarizable y mayor es la fuerza de London. Esto también puedeverse por la definición de momento dipolar μ = q . d. Cuanto mayor es la distancia que puedesepararse esa fracción de carga, mayor es el momento dipolar de ese dipolo temporario de lafuerza de London y mayor es la fuerza de London. El tamaño generalmente (pero no siempre) estáasociado a una mayor masa molecular.Esos corrimientos momentáneos de la nube electrónica se van a producir también en lasmoléculas polares.Las fuerzas de London existen en todas las moléculas, sean polares o no. En lasmoléculas no polares son las únicas fuerzas intermoleculares que existen.2
    • Uniones puente hidrógeno.No debés confundir la palabra “unión” que suele utilizarse para nombrar esta fuerzaintermolecular. No se trata de una unión química sino una fuerza intermolecular.Para que exista unión puente hidrógeno la molécula debe cumplir una condición:que exista un átomo de hidrógeno unido directamente a un átomo muy electronegativo (F,O ó N).En realidad la unión puente hidrógeno es un caso particular de la fuerza dipolopermanente, en el cual al ser mayor la fracción de carga que se separa, es más intensa. Lasmoléculas que presentan la posibilidad de unión puente hidrógeno presentarán entonces las tresfuerzas intermoleculares (London, dip–dip y pte. Hidrógeno). Es el caso del agua. Es importanteque notes que la unión puente Hidrógeno es la que se produce entre el átomo electronegativo deuna molécula y el hidrógeno de otra molécula, porque se trata de una fuerza intermolecular(aunque existen también uniones puente hidrógeno intramoleculares).No es la unión entre el átomo electronegativo y el hidrógeno dentro de la molécula, comomuchas veces suelen confundir los alumnos. Las uniones puente hidrógeno son las responsablesde que exista el agua líquida a temperatura ambiente, y con ello de que exista la vida tal cual laconocemos. Además son muy importantes a nivel biológico.Las fuerzas puente hidrógeno son 10 veces más intensas que las dipolo permanente yéstas son 10 veces más intensas que las fuerzas de London. Pero hay que tener en cuenta unfactor que puede hacer aumentar mucho las fuerzas de London y es el tamaño. Cualquiera deestas tres fuerzas intermoleculares es mucho menos intensa que cualquier unión química, seaiónica, metálica o covalente. En realidad se trata en todos los casos de interacciones de tipoelectrostático y lo que diferencia una unión química de las fuerzas intermoleculares esprecisamente la intensidad de la fuerza que mantiene unidas a las partículas (átomos, iones omoléculas).Además de estas interacciones que son las que pueden darse en sustancias puras, existeninteracciones entre partículas diferentes; pueden ser entre ión y dipolo permanente, como en elcaso de la solubilidad de un compuesto iónico en agua; o entre dipolo permanente y dipolo
    • inducido, como en el caso de la solubilidad de un compuesto no polar como cloro o dióxido decarbono en agua.Las fuerzas intermoleculares son las responsables de mantener unidas a las moléculascuando una sustancia molecular se encuentra en el estado líquido o sólido.Las fuerzas intermoleculares están directamente relacionadas con el punto de fusióno ebullición de las sustancias. ¿De qué manera? ¿Qué son el punto de fusión yebullición de una sustancia?¿Existen fuerzas intermoleculares en una sustancia iónica? ¿Qué fuerzas hay quevencer para fundir y eventualmente llevar al estado gaseoso los cristales de unasustancia iónica?Podemos ahora relacionar todo y llegar a comparar propiedades como los puntos de fusióno ebullición de distintas sustancias simplemente conociendo su fórmula química. Fijate que el tipode fuerza intermolecular depende de la polaridad de la molécula, para saber si una molécula espolar o no necesitamos conocer su geometría y para determinar su geometría tenemos que partirde su fórmula de Lewis.Recorriendo el camino:Lewis geometría polaridad fuerzas intermolecularespodemos llegar a decir en muchos casos si una determinada sustancia tendrá mayor o menorpunto de ebullición que otra, u ordenar varias sustancias con respecto a su punto de fusión oebullición.Es importante que comprendas que al analizar se deben tener en cuenta todos los factores,y que no siempre es posible predecir, pero si es posible, teniendo los datos, dar una explicación.Es posible predecir en los casos en que tengo masa molecular (o tamaño) similar, en los cuales ladiferencia estará dada por las fuerzas intermoleculares. O en el caso de tener las mismas fuerzasintermoleculares, en el cual la diferencia estará dada por la masa molecular (o tamaño), que haráaumentar las fuerzas de London. También en los casos en que las diferencias seanexageradamente grandes.¿Podrías explicar ahora por que el amoníaco (NH3) tiene un punto de ebulliciónde −33 ºC mientras que el tetracloruro de carbono (CCl4) tiene un punto de ebulliciónde 77 ºC?345
    • De la misma manera que se pueden analizar puntos de fusión o ebullición también sepuede analizar la solubilidad.Para que dos sustancias A y B sean solubles entre sí, las fuerzas intermolecularesque unen a las moléculas de cada sustancia por separado deben ser similares.Si las fuerzas son similares podríamos decir que: “a una molécula de A le dará mas omenos lo mismo unirse con con otra de A que con una de B, y a una molécula de B le dará mas omenos lo mismo unirse con otra de B que con una de A”.Por eso se dice que lo similar disuelve lo similar, las sustancias polares se disuelven ensolventes polares y las no polares se disuelven en solventes no polares. Las sustancias iónicas sedisolverán en solventes muy polares, como el agua. La atracción entre los dipolos y los ionesexternos de la red cristalina es tan importante que logra “arrancarlos” y solubilizarlos.¿Podrías explicar ahora porqué el formaldehído (H2CO) es soluble en agua mientrasque el metano (CH4 ) no lo es?Podemos ahora ver las propiedades de los distintos tipos de sustancias.Sustancias covalentes:1) Están formadas por moléculas, salvoexcepciones.2) Tienen puntos de fusión y ebulliciónrelativamente bajos. A temperaturaambiente pueden ser gaseosas, líquidas osólidas dependiendo de la intensidad desus fuerzas intermoleculares.3) Serán solubles en solventes polares si sonpolares y en solventes no polares si sonno polares4) No conducen la corriente eléctrica, yaque no existen cargas eléctricas quepuedan moverse.6
    • El agua es una sustancia covalente. Es bien conocido que conduce la corriente y que unose puede electrocutar:¿cómo se explica esto?Sustancias iónicas:1) No están formadas por moléculas sinopor redes cristalinas donde se alternancationes y aniones.2) Tienen puntos de fusión y ebullición muyaltos. A temperatura ambiente son sólidoscristalinos.3) Son solubles en solventes muy polares,principalmente en agua.4) No conducen la corriente eléctrica enestado sólido, pero sí lo hacen en estadolíquido (fundidos) o en solución. Alconducir la corriente en solución sedescomponen, se denominan electrolitosde segunda especie.¿Por qué las sustancias iónicas no conducen la corriente en estado sólido?78
    • Sustancias metálicas:1) No están formadas por moléculas sino por una redde cationes dentro de la cual pueden moverselibremente los electrones.2) Sus puntos de fusión son en general altos, peroexisten metales de bajo punto de fusión. Atemperatura ambiente son sólidos, excepto elmercurio. No se puede decir que una sustanciametálica siempre tendrá mayor o menor punto defusión o ebullición que una iónica o una covalente.No se puede generalizar.3) Son insolubles en todo tipo de solventes, tantopolares como no polares. En ciertos casos seproducen reacciones químicas.4) Conducen la corriente eléctrica tanto en estadosólido como líquido. Son los mejores conductores dela electricidad, denominados electrolitos de primeraespecie porque no se descomponen al conducirla.5) Son dúctiles y maleables, o sea, pueden deformarsepara hacer hilos o láminas.6) Tienen brillo. Todos los metales son plateados,excepto el oro que es dorado, y el cobre que esrojizo.¿Quiénes serán los encargados de conducir la corriente eléctrica en las sustanciasmetálicas?El que los metales puedan deformarse sin que se rompan es consecuencia de laparticularidad de la unión metálica:¿podrías explicar por qué?El denominado brillo metálico también es consecuencia del tipo de unión, y por lo tanto dela movilidad de los electrones. Teniendo en cuenta lo que se estudió en el modelo atómico actualen cuanto a absorción y emisión de energía:¿Podrías explicarlo?91011
    • RespuestasLas sustancias que están formadas por moléculas son las sustancias covalentes, en suinmensa mayoría y salvo casos excepcionales como el diamante.Cuando la molécula es polar y tiene un momento dipolar distinto de cero. Por esonecesitábamos conocer si una molécula era polar o no, para poder saber qué tipo de fuerzasintermoleculares van a actuar entre dichas moléculas.Cuanto más intensas sean las fuerzas intermoleculares, mayor será el punto de fusión y elpunto de ebullición de una sustancia. El punto de fusión es la temperatura a la cual una sustanciapasa del estado sólido al líquido a una presión determinada. Si esa presión es la presiónatmosférica normal se denomina punto de fusión normal. Análogamente el punto de ebullición esla temperatura a la cual la sustancia pasa del estado liquido al gaseoso.123
    • En una sustancia iónica no existen fuerzas intermoleculares, ya que no existen moléculas.Para fundir los cristales es necesario vencer las fuerzas que mantienen unidos a los iones en la redcristalina, o sea que estamos rompiendo la unión iónica, y se necesita entregar mucha energíapara esto. Por eso las sustancias iónicas tienen muy elevados puntos de fusión o ebullición, muchomás altos que cualquier sustancia molecular, en la que sólo necesitamos vencer las fuerzasintermoleculares.Tomamos el amoníaco como ejemplo en el tema Geometría Molecular, tiene GE =tetraédrica y GM = piramidal con ángulos < a 109º. Es una molécula POLAR porque a pesar deque los tres momentos dipolares de las uniones con los hidrógenos son iguales en módulo, noestán dispuestos en forma simétrica y su suma es distinta de cero. Además el nitrógeno tiene unpar de electrones sin compartir que también afecta la polaridad. Por ser polares existirán entre susmoléculas fuerzas de London y fuerzas dipolo permanente. Pero además el amoníaco puedeformar uniones puente hidrógeno entre sus moléculas. Posee los tres tipos de fuerzasintermoleculares.El CCl4Tiene GE = GM = tetraédrica con ángulos = 109º. Es una molécula NO POLAR, ya que loscuatro momentos dipolares de las uniones C–Cl son iguales en módulo y como están dispuestos enforma simétrica su suma da cero. Entre sus moléculas sólo existirán fuerzas de London.45
    • A pesar de que el CCl4 presenta solamente fuerzas de London, que son las más débiles delas fuerzas intermoleculares, es una molécula de gran tamaño, mucho mayor que el amoníaco. Alpoder separar una distancia mucho mayor la fracción de carga que se separa en el dipolotemporario de la fuerza de London, el momento dipolar aumenta mucho y la fuerza de London esmuy intensa. Ésta logra superar a las tres fuerzas presentes en el amoníaco dando una enormediferencia en los puntos de ebullición.En el formaldehído Por el 4to. postulado de TRePEV se deben contar 3 pares de electronescompartidos, lo que da GE = GM = plana triangular con ángulos = 120º.Los tres momentos dipolares de las uniones, por más que están dispuestos en formasimétrica, no son iguales en módulo; su suma es distinta de cero y es una molécula POLAR.Presenta entre sus moléculas fuerzas de London y de dipolo permanente.El metano también fue visto como ejemplo en Geometría Molecular. Presenta GE = GM =tetraédrica con ángulos = 109º y es NO POLAR. Presenta entre sus moléculas solamente Fuerzasde London.El agua, que también fue vista, presenta GE = tetraédrica GM = angular con ángulo < a109º. Es una molécula POLAR. Presenta entre sus moléculas Fuerzas de London, de dipolopermanente y uniones puente hidrógeno.La fuerzas intermoleculares que unen a las moléculas de formaldehído son más semejantesa las que unen a las moléculas de agua, ya que es una molécula polar. Esto ya determinaría quefuera más soluble que el metano. Pero además el formaldehído puede formar uniones puentehidrógeno con el agua, entre el oxígeno del formaldehído y el hidrógeno del agua, lo que lo hacemás soluble todavía.6
    • Es agua que se encuentra en la naturaleza o la que bebemos no es agua pura. Tienedisueltas sales, que son sustancias iónicas, al disolverse los iones se separan y tienen movilidadpudiendo conducir la corriente. A pesar de que las concentraciones de sales son muy bajas si elvoltaje de la corriente es alto se produce la conducción.Se debe a que en estado sólido los iones se encuentran fijos en la red cristalina,“aprisionados” por los iones de signo contrario y no tienen movilidad para conducir la corrienteeléctrica. Esa movilidad la adquieren al fundir el sólido o al solubilizarse. Los que conducen lacorriente en este caso son los iones.Los electrones son los encargados de conducir la corriente ya que presentan una granmovilidad.789
    • Esa red de cationes puede deformarse, porque como los electrones tienen movilidadsiempre siguen manteniendo la unión. No sucede lo mismo con una sustancia iónica. Al tratarde deformar una red iónica se enfrentarán iones de igual signo de carga eléctrica, que serepelen, y eso llevará a que el cristal se quiebre.Los electrones pueden pasar a niveles y subniveles de energía muy superiores, habiendouna infinidad de posibilidades de “saltos” de energía. Cuando regresan y emiten esa energía enforma de luz, existen prácticamente todas las posibilidades de longitudes de onda en elespectro visible, por eso emiten luz blanca y se ven plateados.1011
    • COMPUESTOS DE CARBONONOMENCLATURA E ISOMERÍA ESTRUCTURALLic. Lidia IñigoLa química orgánica se define hoy como la química de los compuestos de carbono. Ladenominación de química orgánica se debió a que originalmente estudiaba los compuestosencontrados en los seres vivos. Hoy existen muchos compuestos orgánicos sintetizados por elhombre que no se encuentran en los seres vivos, el ejemplo más concreto son todos los polímerossintéticos (comúnmente llamados plásticos). Se debe puntualizar que rigen las mismas leyes tantopara los compuestos inorgánicos como para los orgánicos.A diferencia de los compuestos inorgánicos, que son relativamente pocos pero en ellosintervienen todos los elementos de la tabla periódica, existen millones de compuestos orgánicos,pero están formados por muy pocos elementos. Los compuestos orgánicos están formadosesencialmente por cuatro elementos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se encuentran enmenor cantidad los halógenos, fósforo y azufre y en mucha menor cantidad algunos metales.La razón para exista esta gran diversidad de compuestos se encuentra en la característicaque tiene el carbono, de formar uniones covalentes consigo mismo, creando cadenas tantoabiertas (lineales o ramificadas) como cerradas (formando ciclos). Como consecuencia de esto unamisma fórmula molecular puede corresponder a muchos compuestos distintos. Los compuestosque siendo distintos tienen una misma fórmula molecular se denominan isómeros.Debido a la gran cantidad de compuestos orgánicos existente, la IUPAC propone unanomenclatura sistemática, con reglas estrictas para poder nombrar correctamente un compuesto.De no seguir estas reglas se corre el riesgo de que el nombre pueda corresponder a más de unaestructura, con lo cual la persona que escucha dicho nombre o lo ve escrito no sabe a cualcorresponde.Un compuesto puede tener más de un nombre, y de hecho vas a ver que así es enmuchos casos, pero un nombre no puede corresponder a más de un compuesto.No tiene sentido que repitamos aquí todas las reglas de la IUPAC, los distintos gruposfuncionales, y como se nombran, se encuentran en los textos recomendados. Nos enfocaremos enlas cuestiones que pueden traer dificultades y en la forma en que se debe estudiar.La recomendación es:Primero estudiá y asegurate de saber las reglas de nomenclatura de la IUPAC.Nomenclatura, sobre todo en química orgánica, no se estudia memorizandoejemplos. Recordá que existen millones de compuestos, y por eso debe ser tan estricta lasistematización. Nomenclatura se estudia conociendo las reglas, así podrásnombrar cualquier compuesto, aunque no lo conozcas.Los compuestos formados solamente por carbono e hidrógeno se denominanHidrocarburos, éstos, a su vez, los podemos clasificar en Alcanos, si tienen solamente enlacessimples, Alquenos, si tienen algún doble enlace y Alquinos, si poseen al menos un enlace triple.
    • Recordando lo estudiado en Geometría Molecular: ¿Qué geometría se observa cuandoun átomo de carbono posee sólo uniones covalentes simples? ¿Y cuando presenta unaunión doble? ¿Y si forma una unión triple?En los alcanos lineales la cadena está formada por una sucesión de carbonos tetraédricosunidos entre sí. Por ejemplo el butano.En química orgánica existen distintos tipos de fórmulas:La fórmula molecular, que para el butano es C4H10.La fórmula desarrollada, donde se explicitan todas las uniones con los hidrógenos (u otrosátomos).Las fórmulas semidesarrolladas, cuando se omiten algunas de las uniones (comúnmente con loshidrógenos). Aunque no se escriban todas las uniones, en estas fórmulas queda claro cual es laestructura de la molécula (de que manera están unidos los átomos). Por ejemplo:CH3−(CH2)2−CH3 CH3−CH2−CH2−CH3a b c dLas fórmulas c y d son fórmulas esquemáticas, donde se representan solamente lasuniones entre los carbonos.Cuando existen hasta tres átomos de carbono la única posibilidad es que la cadena sealineal. Pero con cuatro átomos de carbono, existe la posibilidad de una ramificación. Es el primercaso en el que aparece la isomería en los alcanos. Los compuestos butano y metilpropano sonisómeros porque poseen la misma fórmula molecular, C4H10, pero distinta fórmula desarrollada. Lafórmula del metilpropano es:HHHHHHHHHHCH3CH3CCCCHHHHHHHHHH1Ver animación
    • a CH3−CH(CH3)−CH3bcNotá que las fórmulas con las que se representa un compuesto, no tienen relación con lageometría y la disposición espacial de la molécula.Es importante que te familiarices con las fórmulas que están expresadascomo la ¨a¨ en ambos casos (con los paréntesis) ya que así las vas a encontrarmuchas veces en la guía de ejercitación y en los textos.La interpretación del paréntesis es diferente en las fórmulas del butano y demetil propano. ¿Qué significa en cada caso?Cuando escribas una fórmula asegurate de que cada carbono compartacuatro pares de electrones, debe tener cuatro uniones simples, o una doble y dossimples, o dos dobles, o una triple y una simple. De lo contrario podés poner mal el númerode átomos que se unen al carbono (usualmente sucede con los hidrógenos) y la fórmulaestá mal.Existen dos tipos de isomería, la isomería estructural o plana y la isomería espacial oestereoisomería.Los isómeros estructurales son compuestos que tienen la misma formula molecularpero distinta fórmula desarrollada. Es decir, tienen la misma cantidad de átomos de cadaelemento pero esos átomos están unidos entre sí de manera diferente.La isomería estructural se puede clasificar en tres tipos: de cadena, de posición y defunción.de cadenaIsomería Estructural de posiciónde funciónCH3 CH3CH3CH3CH3CH3CH2Ver animación
    • Los isómeros de cadena se diferencian en las ramificaciones (o estructura) de lacadena hidrocarbonada.El butano y el metilpropano son isómeros de cadena. En los alcanos solamente puedenexistir isómeros de cadena. Luego veremos la isomería de posición y de función.La primera regla de la IUPAC es que se debe buscar la cadena más larga, la cual se tomacomo cadena principal. Las ramificaciones se nombran con la raíz correspondiente al número decarbonos pero cambiando la terminación por il en el nombre. Cuando se nombra una cadenahidrocarbonada con enlaces simples que está unida a otra cadena o grupo, se utiliza laterminación ilo. Esto es lo que se denomina un radical, en general se denomina radical alquilo y sesimboliza con la letra R. Observá que cuando se llega a tres átomos de carbono ya hay dosposibilidades, que se una por el carbono de la punta (cadena lineal) o que se una por el carbonodel centro, en cuyo caso se denomina isopropilo.Alcano Ramificación En el nombre Como radicalCH4 Metano CH3− metil metiloCH3−CH3 etano CH3−CH2− etil etiloCH3−CH2−CH3 propanoCH3−CH2−CH2− propil propiloCH3−CH(CH3)− isopropil isopropiloGenéricamente R− alquil alquiloLa dificultad aparece en la correlación entre la representación de la fórmula y lo que es lamolécula en la realidad. La fórmula no dice nada sobre la disposición espacial, por eso el que unacadena se escriba para la derecha, para la izquierda, para arriba, para abajo o retorcida es lomismo y la sustancia no es diferente. Por lo tanto se debe buscar la cadena más larga, no importade qué manera esté escrita. En el siguiente ejemplo la cadena más larga no es la que está escritaen forma horizontal, sino cualquiera de las dos que están marcadas con color.CH3 CH3 CH3 CH3CH3−CH2−C−CH2−CH−CH3 CH3−CH2−C−CH2−CH−CH3CH2−CH2−CH3 CH2−CH2−CH3Una vez encontrada la cadena principal, se debe dar número a la posición de lasramificaciones, comenzando por el extremo que dé los números más bajos. En este caso es elextremo de arriba y como la cadena más larga es de 7 carbonos se nombra como:4-etil-2,4-dimetilheptano.En estructuras complicadas a veces es difícil poder decir si se trata del mismo compuesto,si se trata de isómeros o si son compuestos diferentes, y en ese caso ayuda mucho el nombrarcorrectamente el compuesto.
    • Dadas las siguientes fórmulas decidí si se trata de un mismo compuesto, de isómeroso de compuestos diferentes. Escribí su/sus nombres.Se denomina grupo funcional al átomo o grupo de átomos que caracterizan unaclase de compuestos orgánicos y determinan sus propiedades. Generalmente los gruposfuncionales están constituidos por átomos distintos de carbono e hidrógeno, pero los dobles otriples enlaces también se consideran grupos funcionales.Las reglas de nomenclatura que deben seguirse son las mismas, solo que se debe buscar lacadena más larga pero que contenga al grupo funcional (aunque puede haber alguna de mayorlongitud que no lo contenga) y se debe dar el número más bajo a la posición grupo funcional(aunque pueda haber ramificaciones de la cadena que den números más bajos).Primero debés aprender a reconocer los distintos grupos funcionales ycomo se nombran los compuestos que los poseen. Y después seguir las reglas denomenclatura.CHCHCH CH2CH2CH3CH3CH3CH3CH2 CH3CHCHCH2CH3CH3CH2 CH3CHCH3CH2 CH33
    • A manera de resumen te presentamos el siguiente cuadro:* Cuando existe un grupo funcional con mayor prioridad** En el caso que el doble o triple enlace forme parte de la cadena principal. En el caso de que elmismo esté en una ramificación, no entra dentro del alcance de este curso.*** Se nombran como derivados del alcano (el halógeno como sustituyente)1 No entra dentro del alcance de este curso.Los halogenuros de alquilo y los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios yterciarios. Pero debés notar que esta clasificación es distinta en el caso de las aminas o amidas,donde según la cantidad de grupos alquilo unidos al nitrógeno se denominan primarias,secundarias o terciarias. Los halogenuros de alquilo y alcoholes se nombran como primarios,
    • secundarios o terciarios si el grupo funcional está unido respectivamente a un carbono primario,secundario o terciario.Un carbono primario es un átomo de carbono que está unido a un solo carbono, si a él estáunido un grupo funcional tendrá además unidos dos átomos de hidrógeno. Es también el caso deun metilo, cuando el átomo de carbono sólo está unido al grupo funcional y a tres átomos dehidrógeno. Un carbono secundario es un átomo de carbono que está unido a dos átomos decarbono. Un carbono terciario es un átomo de carbono que está unido a tres átomos de carbono.Un carbono cuaternario está unido a cuatro átomos de carbono y no puede tener un grupofuncional unido al mismo.El benceno es el más importante de una familia de hidrocarburos denominadahidrocarburos aromáticos. Estos se caracterizan por ser compuestos de estructura cíclica de granestabilidad química.Durante mucho tiempo la estructura del benceno fue un problema insoluble, hasta que en1865 el químico alemán August Kekulé von Stradonitz (1829 – 1896) sugirió una estructura cíclicacon tres dobles enlaces, o sea un cilcohexatrieno. Pero no se explicaba que el benceno no tuvieralas propiedades químicas de los alquenos, y tampoco que existieran solamente tres isómeros condos sustituyentes.Hoy sabemos que esos dobles enlaces están deslocalizados y que no se puede representaral benceno ni por la estructura 1 ni por la 2 de la siguiente figura, sino que es “una mezclaintermedia” entre las dos. Todos los enlaces del benceno son iguales (su longitud es intermediaentre un enlace simple y uno doble), por eso se representa como la estructura 3.1 2 3Los compuestos derivados del benceno tienen nombres comunes aceptados por la IUPAC:clorobenceno fenol o hidroxibenceno anilina o aminobencenoácido benzoico benzaldehído benzamidaNH2Cl OHCOHOHCONH2CO
    • Al ser el benceno totalmente plano, cuando hay dos sustituyentes sólo existen tresposibilidades de isómeros: 1,2 u orto; 1,3 o meta y 1,4 o para. La que sería 1,5 es en realidad la1,3 o meta con la molécula girada 180º y la que sería 1,6 es en realidad 1,2 u orto.1,2 u orto 1,3 o meta 1,4 o paraTe habrás dado cuenta que al ser la nomenclatura orgánica tan sistemática esmucho más fácil escribir la fórmula a partir de su nombre que escribir el nombre a partirde la fórmula.Cuando un compuesto posee el máximo número de hidrógenos posible se dice que essaturado. Si hay menor número de hidrógenos debido a dobles enlaces, triples enlaces o ciclos sedice que es insaturado. Los alcanos de cadena abierta son saturados, pero un ciclo representauna instauración, por ejemplo el ciclopentano tiene una instauración (hay dos hidrógenos menos).Un doble enlace también es una instauración, pero un enlace triple son dos instauraciones (hay 4hidrógenos menos). El benceno posee cuatro insaturaciones, tres de los dobles enlaces y una delcilclo.En el alqueno de menor número de átomos de carbono, que es el eteno (IUPAC) o etileno(vulgar), y en el propeno hay una única posibilidad para la posición del doble enlace. Cuando haycuatro átomos de carbono tenemos dos posibilidades CH2=CH−CH2−CH3 y CH3−CH=CH−CH3Los dos son butenos, porque tienen cuatro átomos de carbono, pero no se pueden nombrarsimplemente como buteno porque quedaría indeterminado de cual se trata. Se debe dar entoncesla posición del grupo funcional y el primer compuesto se nombra como 1-buteno y el segundocomo 2-buteno. Son isómeros de posición.En los isómeros de posición la diferencia está en la posición de un grupo funcional.¿Por qué CH3−CH2−CH=CH2 no es el 3-buteno?Observá que aldehídos ácidos y nitrilos son grupos funcionales terminales, por lo tanto elátomo de carbono del grupo funcional es siempre el carbono 1 de la cadena principal (formaparte de la misma) y no tienen isómeros de posición. Lo mismo sucede en los ésteres y en lasamidas donde el carbono 1 es el átomo de carbono que posee el grupo funcional.A veces suele utilizarse la letra n minúscula para significar que se trata de la cadena lineal,ya sea en un compuesto en el que un grupo funcional está en posición uno, o como ramificaciónen una cadena de mayor longitud (para que no quede duda de que se trata de la cadena lineal).Por ejemplo decir n-butanol en lugar de 1-butanol, n-pentilamina en lugar de pentilamina, cloruro4
    • de n-butilo ó 5-n-butil nonano. Esto no se utiliza en 1-alquenos, 1-alquinos o en gruposfuncionales terminales.Los isómeros de función se diferencian en que tienen un grupo funcional diferente,por lo tanto pertenecen a una familia de compuestos distinta.Pueden ser isómeros de función, por ej.: un cicloalcano con un alquenoun cicloalqueno con un dieno o con un alquinoun alcohol con un éterun aldehído con una cetonaun ácido con un ésterEn un mismo compuesto puede existir simultáneamente más de un tipo de isomería,aunque en el caso de existir isomería de función, como ésta es mucho más importante porquedetermina la familia de compuestos y sus propiedades, muchas veces se pasa por alto otro tipo deisomería. Por ejemplo el pentanal y la metilbutanona son isómeros de función, aunque también loson de cadena y esto último muchas veces no se menciona.En otros casos, como éteres, ésteres y aminas, no se puede distinguir de que tipo deisomería se trata, porque no se puede decir que sea de cadena o de posición, y se nombransimplemente como isómeros estructurales. Por ejemplo entre metil-propiléter y dietiléter o entreetil-metilamina y trimetilamima.Practicá escribiendo las fórmulas semidesarrolladas de los compuestos nombrados:a) pentanal b) metilbutanona c) metil-propiléter d) dietiléter e) etil-metilaminaf) trimetilamima.Escribí la fórmula semidesarrollada y el nombre de los 7 isómeros de fórmula C4H10O.Indicá que tipo de isomería existe entre cada uno de ellos.56
    • Nombrá los siguientes compuestos:1) 2) 3)4) 5) 6)7) 8) 9)En los compuestos polifuncionales, donde existe más de un grupo funcional, se debe teneren cuenta el orden de prioridad de los grupos funcionales. Por lo tanto debés conocer este orden.El orden de prioridad de mayor a menor es: ácido – éster – amida – nitrilo – aldehídocetona – alcohol – amina – éter – alqueno – alquino – halógeno – alquilo (ramificación)El grupo funcional con mayor prioridad es el grupo funcional principal y es el que va adeterminar el nombre, los demás grupos funcionales se nombrarán como sustituyentes (vercuadro). La cadena principal será la cadena más larga que contenga al grupo funcional principal yse debe numerar de manera de dar el número más bajo al mismo. En caso de igual longitud sedebe elegir la cadena que contenga el mayor número de grupos funcionales.Practicá ahora nombrando los siguientes compuestos:1) Br−CH2−CH2−C≡CH 2) CH3−CH(OH)−CH(CH3)−CH2−COOH3) CH3−CH2−CH(Cl)−CH2−CH(NH2)−CHO4) CH3−CH=C(CH3)−CH(OH)−CH2−Cl5) CH3−CH2−CH(CH2−CH3)−CO− CH2−COO−CH3Escribir la fórmula y nombrar un isómero de cadena, uno de posición y uno defunción de los siguientes compuestos:a) 3–hexanona b) 1–pentino c) metil–1–propanol.COCH3CH2OCC CH3CH3CH3CH3 CH2 CCH3CH3CHCH3CH2CH2CH2 CONHCHCHCH3CH3 CH2CH2CH3CH2BrNHCH3 CHCH3CH3OHNHCOCH3CH3CH2789CHCH3 CH3CH3CH2CO
    • Escribir la fórmula y nombrar un isómero de cada uno de los siguientes compuestosque tenga un solo grupo funcional. a) 4–amino–2–pentanonab) 4–hidroxihexanal c) 3–buten–1–ol o 3-en-1-butanol10
    • RespuestasUn átomo de carbono que sólo forma uniones simples forma cuatro enlaces orientadoshacia los vértices de un tetraedro regular, con ángulos de 109,5 º, esa geometría se denominatetraédrica. Si el átomo de carbono forma un doble enlace y dos enlaces simples la geometría estriangular plana, con ángulos de 120 º. Si tiene un enlace triple y uno simple la geometría eslineal, con un ángulo de 180 º.En el caso del butano el paréntesis indica que se repite dos veces el metileno (−CH2−), encambio en el caso del metilpropano significa que hay una ramificación en el átomo de carbonoanterior, observá que el mismo está unido a un átomo de hidrógeno, a los dos metilos de laspuntas (−CH3) y al metilo que está entre paréntesis.Lo primero que se debe hacer es contar carbonos e hidrógenos y ver su fórmula molecular.Como la fórmula molecular es C11H24 para los dos, no se trata de compuestos distintos. Pueden serisómeros o puede tratarse del mismo compuesto. Para saberlo ayuda mucho el nombrarlocorrectamente. Si se nombran siguiendo las reglas de la IUPAC vemos que los dos responden almismo nombre, 4-etil-2,5-dimetilheptano. No se trata de isómeros sino del mismo compuesto, loúnico que se hizo es escribir su fórmula de manera diferente en el papel. Este compuesto esisómero del ejemplo anterior, el 4-etil-2,4-dimetilheptano.123
    • No existe el 3-buteno, sino que es el 1-buteno. Fijate que la numeración debe hacerse demanera de dar el número menor al grupo funcional (doble enlace).a) CH3−CH2−CH2−CH2−CHO b) CH3−CH(CH3)−CO−CH3 c) CH3−O−CH2−CH2−CH3d) CH3−CH2−O−CH2−CH3 e) CH3−CH2−NH−CH3 f) (CH3)3−N1) CH3−(CH2)2− CH2−OH 1-butanol 2) CH3−CH2−CH(OH)−CH3 2-butanol3) CH3−CH(CH3)−CH2−OH metil-1-propanol 4) CH3−C(CH3)2−OH metil-2-propanol5) CH3−CH2−O−CH2−CH3 dietiléter 6) CH3−O−CH2−CH2−CH3 metil-propiléter7) CH3−O−CH(CH3)−CH3 isopropil-metiléter1) con 2) son isómeros de posición 1) con 3) son isómeros de cadena 1) con 4) y 2) con3) son isómeros de posición y de cadena 2) con 4) son isómeros de cadena y 3) con 4) sonisómeros de posición. Los éteres son isómeros estructurales entre sí. 6) y 7) son isómeros decadena. Cualquiera de los éteres son isómeros de función con cualquiera de los alcoholes.1) 5,5-dimetil-2-hexino 2) benzoato de etilo 3) 1-bromo-2-etil-3-metilpentano4) 3-metilciclohexeno 5) N-etil-3-metilbutanoamida6) m-etil-N-metilbenzamida ó 3-etil-N-metilbenzamida 7) 3-metil-2-pentanona8) isopropil-metil-amina 9) ciclopentanol4567
    • 1) 4-bromo-1-butino 2) ácido 4-hidroxi-3-metilpentanoico 3) 2-amino-4-cloro-hexanal4) 1-cloro-3-en-3-metil-2-pentanol ó 1-cloro-3-metil-3-penten-2-ol5) 3-ceto-4-etil-hexanoato de metilo ó 4-etil-3-oxo-hexanoato de metiloa) isómero de cadena CH3−CH2−CO−CH(CH3)−CH3 2-metil-3-pentanonaó metil-3-pentanonaisómero de posición CH3−CO−CH2−CH2−CH2−CH3 2-hexanonaisómeros de función CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CHO hexanal (o cualquier isómero de cadena delmismo: 2, 3, ó 4-metilpentanal, 2-etilbutanal ó 2,2 ó 2,3-dimetilbutanal)b) isómero de cadena H−C≡C−CH(CH3)−CH3 metil-1-butinoisómero de posición CH3−C≡C−CH2−CH3 2-pentinoisómeros de función CH2=CH−CH=CH−CH3 1,3-pentadieno ó Ciclopentenoó CH2=CH−CH2−CH=CH2 1,4 pentadienoc) isómero de cadena CH3−CH2−CH2−CH2−OH 1-butanolisómero de posición CH3−C(CH3)(OH)−CH3 metil-2-propanolisómeros de función CH3−CH2−O−CH2−CH3 dietiléter ó CH3−O−CH2−CH2−CH3 metil-propiléteró CH3−O−CH(CH3)−CH3 isopropil-metilétera) CH3−CH2−CH2−CH2−CO−NH2 pentanoamida o cualquier amida isómera comoN-metil-butanoamida, 2-metil-butanoamida etc.b) CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−COOH ácido hexanoico o cualquier isómero de cadena delmismo. CH3−CH2−CH2−CH2−COO−CH3 pentanoato de metilo o cualquier éster isómero.c) CH3−CH2−CH2−CHO butanal ó CH3−C(CH3)−CHO metilpropanal ó CH3−CO−CH2−CH3butanona.9108
    • COMPUESTOS DE CARBONOISOMERÍA ESPACIAL O ESTEREOISOMERÍALic. Lidia IñigoLa estereoisomería es un tipo de isomería mucho más sutil, ya que la diferencia seencuentra solamente en la disposición en el espacio de los átomos.Los estereoisómeros no solamente tienen la misma fórmula molecular, sino quetambién tienen la misma fórmula desarrollada. Sólo cambia la disposición en el espacio dellos átomos que forman la molécula.La estereoisomería se puede clasificar en conformacional y configuracional. Esta última a suvez puede clasificarse en geométrica y óptica.ConformacionalIsomería espacial o estereoisomería GeométricaConfiguracionalÓpticaEn un enlace simple existe libre rotación, ya que la energía que se necesita para que lamisma ocurra se supera a temperatura ambiente. Podemos ver esta rotación en el etano. Si vemosla molécula en el sentido longitudinal al enlace carbono – carbono podemos concluir que si noexistiera esa libre rotación serían diferentes las dos posiciones que se aprecian en las fotos 2 y 3, yserían isómeros espaciales. Como sí existe la libre rotación, esas dos posiciones son lo que sellaman conformaciones.1 2 3Ver animaciónVer animación
    • En ciertos casos esa libre rotación en un enlace simple está impedida por grupos muyvoluminosos o por ciclos, y entonces aparecen los denominados isómeros conformacionales. Sedenominan así porque provienen de lo que tendría que ser una conformación. En este curso no seentrará en detalle sobre la isomería conformacional. Simplemente se menciona.En los isómeros configuracionales los átomos están unidos de igual manera y la diferenciaestá en su disposición en el espacio, pero no pueden transformarse uno en otro si no se rompenlos enlaces. Por eso se dice que difieren en su configuración, la configuración solo puede sermodificada por ruptura de los enlaces.ISOMERÍA GEOMÉTRICAEn un enlace doble no existe la libre rotación, al rotarlo se rompería. tampoco existe libre rotaciónsi un enlace simple está formando parte de un ciclo.La isomería geométrica se produce por la restricción de la rotación en un dobleenlace o en un ciclo.Si tomamos como ejemplo el 1,2-difluoroeteno, vemos que, al no existir libre rotación en eldoble enlace, los dos átomos de flúor pueden quedar del mismo lado o de lados contrarios al dobleenlace. Estos son isómeros geométricos. Por más que se gire la molécula en cualquier dirección nohay forma de interconvertir uno en el otro si no se rompe algún enlace, lo que equivale a destruirla molécula. Cuando los dos grupos iguales o similares están del mismo lado del doble enlace elisómero se denomina cis y si están de lados contrarios se denomina trans.cis-1,2-difluoroeteno trans-1,2-difluoroetenoVimos que para un alqueno con cuatro átomos de carbono existen dos isómerosestructurales, el 1-buteno y el 2-buteno. Teniendo en cuenta la geometría vemos que en elHC CHF FHC CHFF
    • 2-buteno los metilos pueden estar del mismo lado del doble enlace o de lados contrarios del dobleenlace.cis-2-buteno trans-2-butenoPero en el 1-buteno las siguientes fórmulas no son diferentes, ya que en este caso es lamisma molécula pero dibujada en una posición diferente. Podés apreciarlo al ver la animación.Por lo tanto NO en todos los dobles enlaces existe isomería geométrica o cis – trans.Cuando existen dos grupos iguales unidos al mismo átomo de carbono del doble enlace NOhay isómeros geométricos.Escribí la fórmula del 3-etil-2-penteno y determiná si presenta isomería geométrica.De la misma forma que puede presentarse isomería geométrica en un doble enlace puedepresentarse en un ciclo, en ese caso el isómero cis es el que tiene los sustituyentes del mismo ladodel plano del ciclo y el trans de lados contrarios. Por ej. el 1,2-dimetilciclopentano presenta losisómeros geométricos cis y trans.Isómero cis isómero transCH3C CH C3HH CH3C CH C3 HHCH2HCH3C CHHH CH2 CH3C CHH1Ver animación
    • cis-1,2-dimetilciclopentano trans-1,2-dimetilciclopentano¿Puede existir isomería geométrica en un alquino?ISOMERÍA ÓPTICACuando un objeto no presenta un plano de simetría no es superponible con su imagenespecular y se dice que es quiral. Por ejemplo nuestras manos o nuestros pies son quirales.Todos, de pequeños, cuando quisimos vestirnos solos, intentamos ponernos el zapato derecho enel pié izquierdo o el izquierdo en el pié derecho. Muchas letras del alfabeto también lo son, por esocuando miramos un escrito en el espejo se ve “al revés”. Las llaves y las cerraduras también sonquirales, si nos equivocamos en la posición no se puede abrir. Esto mismo sucede con lasmoléculas que no presentan un plano de simetría, existen dos isómeros ópticos que sonimágenes especulares no superponibles y se denominan enantiómeros.Cuando un carbono tetraédrico tiene dos o más grupos iguales presenta un plano desimetría; el que divide en dos el ángulo formado por esos dos grupos iguales y está determinadopor los enlaces con los grupos distintos. En ese caso es superponible con su imagen especular.Plano de simetría2Ver animación Ver animaciónVer animación
    • Cuando un carbono tetraédrico está unido a cuatro grupos diferentes no presenta unplano de simetría, es asimétrico y no es superponible con su imagen especular. Ese carbonoes lo que se denomina carbono asimétrico o carbono quiral.Cuando una molécula presenta un único carbono asimétrico esa molécula seguro es quiraly la sustancia presentará entonces un par de enantiómeros. Pero cuando existe más de uncarbono asimétrico, la molécula puede presentar un plano de simetría y no ser quiral. Cuandoteniendo carbonos quirales la molécula no es quiral, porque tiene un plano de simetría, eso es loque se denomina una forma meso.Por eso el que una molécula tenga carbonos asimétricos no implica necesariamente quesea quiral. Además el tener carbonos asimétricos tampoco es condición necesaria para que lamolécula sea quiral, existen, aunque son raras, moléculas quirales que no tienen carbonosasimétricos.Si en una molécula existe más de un carbono quiral, además de un par de enantiómeros (omás de uno) hay isómeros ópticos que no son enantiómeros entre sí, en donde cambia laconfiguración de algunos de los carbonos asimétricos pero no de todos. Estos isómeros sedenominan diastereoisómeros o diastereómeros.Los enantiómeros tienen iguales propiedades físicas y químicas. Solo se diferencian en sureacción frente a reactivos quirales y en los procesos biológicos. La única propiedad física quediferencia a dos enantiómeros es que hacen girar el plano de la luz polarizada en igual valor peroen sentido contrario. Uno hará girar el plano de la luz polarizada hacia la derecha o en sentidohorario y por lo tanto se dice que es dextrógiro o dextrorrotatorio y el otro lo hará girar hacia laizquierda o en sentido antihorario y se dice que es levógiro o levorrotatorio.La luz puede interpretarse como una onda electromagnética que vibra en todos lossentidos perpendiculares a la dirección de su propagación. Cuando esa luz pasa a través de unpolarizador queda vibrando en un solo sentido, o sea, queda polarizada en un plano. Se podríapensar como si fuera una “ranura” por la cual pasa un solo plano perpendicular a la dirección depropagación. Las membranas que se colocan para polarizar los vidrios de los autos o de lasventanas de los edificios son polarizadores, de afuera, como solamente pasa una parte de la luz yla mayor parte se refleja, actúan como un espejo, pero de adentro se puede ver para afuera.Si esa luz polarizada en un plano se hace incidir sobre una muestra de una solución de unode los enantiómeros de una sustancia quiral, se desvía el plano de la luz polarizada en undeterminado ángulo. Se dice entonces que la sustancia tiene actividad óptica. Con otropolarizador (analizador) después de la salida el tubo con la muestra se puede medir el ángulo dedesviación haciéndolo girar hasta que la luz pase por el plano que éste determina. Esto es elprincipio de un polarímetro. Podés verlo en el siguiente esquema.Ver animación
    • Si en lugar de uno solo de los enantiómeros hay una mezcla equimolar (en igualescantidades molares) como uno de los enantiómeros hace girar la luz polarizada en un sentido y elotro en igual valor pero en sentido contrario el resultado final es que no se observa desviación.Una mezcla equimolar de un par de enantiómeros es lo que se llama una mezcla racémica.En las reacciones no estereoespecíficas (con reactivos no quirales) se obtiene la mezclaracémica.Lo fundamental que tenés que saber sobre isomería óptica, es saberreconocer un carbono asimétrico y que si existe un solo carbono asimétrico en lamolécula esa molécula presentará dos enantiómeros que serán quirales y por lotanto tendrán actividad óptica. Si se te pide por ejempo, escribir la fórmula deuna sustancia que presente actividad óptica o que sea quiral, lo que tenés quehacer es escribir una fórmula que presente un solo carbono asimétrico.Identificá y marcá con asterisco los carbonos quirales de las siguientes estructuras:a) CH3−CHBr−CH2−CH3 b) CH3−CH(NH2)−COOH c) C6H5−CH(OH)−CHOd) CH3−CH(OH)−CH3 e) CH3−CH(OH)−CH(OH)−CH3f ) CH3−CHCl−CH(OH)−CH3Quizás estés pensando ¿Qué me interesa a mí la disposición espacial de las moléculas si yoquiero estudiar medicina o nutrición? ¿Es una curiosidad académica o produce efectos biológicos?La respuesta es que toda la parte estereoquímica es importantísima a nivel biológico, como vemosa continuación.Las enzimas son los catalizadores biológicos. Un catalizador acelera la velocidad de unareacción. Las enzimas, que son proteínas, actúan uniendo las sustancias que reaccionanacelerando así la reacción. Pero en su inmensa mayoría las enzimas son estereoespecíficas, actúancomo si fuera la cerradura que recibe la llave. Entonces, por ejemplo, uno de los enantiómeros sepega a la enzima pero el otro no, por lo tanto el que puede pegarse reacciona y el otro no.3
    • Para que veas ejemplos de lo importante que puede ser la estereoquímica a nivelbiológico:Actualmente se está hablando mucho sobre las grasas trans, y hay muchos productos queen sus envases colocan “libre de grasas trans”. Las grasas y los aceites son ésteres de la glicerinacon ácidos carboxílicos de cadena larga que se denominan ácidos grasos (podés ver más detalleen el tema Productos de Interés Biológico). Todos los ácidos grasos insaturados (que tienendobles enlaces) naturales tienen sus dobles enlaces en cis, no existen en la naturaleza losisómeros trans. Cuanto mayor cantidad de ácidos grasos insaturados tenga, menor es el punto defusión. Por eso los aceites, que son líquidos a temperatura ambiente, tienen mayor cantidad deácidos grasos insaturados que las grasas, que son sólidas. Para hacer un sustituto de la manteca(margarina) se hidrogenan los dobles enlaces en los aceites para convertir esos ácidos grasos ensaturados y obtener un producto sólido. Pero en el proceso de hidrogenación se producen algunosdobles enlaces en trans. Se ha visto que las grasas que contienen estos ácidos grasos con doblesenlaces en trans son perjudiciales para la salud, entre otras cosas aumentan el colesterol “malo” ydisminuyen el colesterol “bueno”, por eso ahora se están tratando de evitar.Hace ya unos cuantos años hubo un gran problema con un medicamento denominadotalidomida. Se suministró a mujeres embarazadas y nacieron chicos deformes. En esa época noestaba suficientemente desarrollada la síntesis asimétrica (poder obtener uno solo de losenantiómeros). La talidomida es una sustancia quiral, porque tiene un carbono asimétrico, y lo quese daba como medicamento era la mezcla racémica que se obtenía en la síntesis. Cuando seinvestigaron las causas se vió que el que tenía la propiedad curativa era uno solo de losenantiómeros, y el otro era el que tenía el poder teratogénico (de producir las malformaciones enlos niños por nacer). Fijate lo que puede hacer la diferencia en un carbono asimétrico a nivel de unmedicamento y sus efectos biológicos.La fórmula de la talidomida es la siguiente:¿Cuál es el carbono quiral de la talidomida? NOONHOO4
    • RespuestasCH3−CH=C(CH2−CH3)−CH2−CH3 No presenta isomería geométrica porque tiene dos gruposiguales (etilos) unidos al mismo átomo de carbono del doble enlace, en este caso el carbono 3.No, no puede existir isomería geométrica en un alquino ya que un átomo de carbono conun triple enlace determina una geometría lineal. No hay posibilidad de que los grupos queden auno u otro lado del triple enlace, están en la misma línea.a) CH3−CHBr−CH2−CH3 b) CH3−CH(NH2)−COOH c) C6H5−CH(OH)−CHOd) CH3−CH(OH)−CH3 e) CH3−CH(OH)−CH(OH)−CH3 f ) CH3−CHCl−CH(OH)−CH3no tieneNOONHOO1234
    • RELACIÓN ESTRUCTURA – PROPIEDADESEN COMPUESTOS DE CARBONOLic. Lidia IñigoAplicando el mismo razonamiento que se aplicó para compuestos inorgánicos o compuestosorgánicos de pocos átomos, teniendo en cuenta las fuerzas intermoleculares que existen en losdistintos compuestos, se puede relacionar la estructura de un compuesto orgánico conpropiedades macroscópicas como puntos de fusión o ebullición, o solubilidad.Si no te acordás te recomendamos que repases el tema FuerzasIntermoleculares, ya visto para compuestos inorgánicos.Todos los compuestos orgánicos son moleculares, salvo las sales de los ácidos carboxílicoso de las aminas, y algunos pocos compuestos que no veremos en este curso. Eso significa que susmoléculas están unidas por fuerzas intermoleculares. Y las mismas dependen de la polaridad delas moléculas.Los alcanos son compuestos formados solamente por los elementos carbono e hidrógeno.Sus átomos están unidos por uniones simples y los átomos de carbono son tetraédricos. Ladiferencia de electronegatividad entre el carbono y el hidrógeno es muy pequeña. Además, debidoa la disposición que adoptan las cadenas en su forma más estable esas diferencias se compensany los alcanos son compuestos no polares. Esto se puede apreciar en la siguiente foto delmodelo del butano, donde se ve que los momentos dipolares de las uniones con los hidrógenosen un átomo de carbono son de igual dirección y sentido contrario a los del átomo de carbono quesigue en la cadena.En los alquenos existe una muy pequeña polaridad en el doble enlace, en el triple enlacede los alquinos también existe una polaridad, que es mayor que en los alquenos pero sigue siendomuy chica. A los efectos de las comparaciones que necesitamos hacer, con compuestos de mayorpolaridad, podemos considerar que todos los hidrocarburos (alcanos, alquenos yalquinos) son compuestos no polares.¿Qué fuerzas intermoleculares actuarán en los hidrocarburos?1
    • Todos los demás compuestos, que tienen un grupo funcional con átomos distintos decarbono e hidrógeno son polares en mayor o menor medida.¿Qué fuerzas intermoleculares actuarán en los compuestos que tienen gruposfuncionales con átomos distintos de carbono e hidrógeno?De todas las familias de compuestos orgánicos estudiadas, ¿cuáles son las que tienengrupos funcionales capaces de formar enlaces puente hidrógeno entre sus moléculas?¿Qué fuerzas intermoleculares actúan uniendo las moléculas de fluorometano (CH3F)?Es importante recordar que debe analizarse cada caso en particular y hay que tener encuenta todos los factores, como se explicó en Uniones Químicas, en la Unidad 3. Un factorimportante es el tamaño de la molécula o su masa molecular, que hace aumentar mucho lasfuerzas de London. No siempre es posible predecir; pero aún en los casos en que no se puedepredecir, teniendo los datos, se puede dar una explicación.El análisis siempre debe comenzar por ver que fuerzas intermoleculares actúan en cadauno de los compuestos, y luego ver si hay algún factor que pueda hacer diferencia en alguna delas fuerzas intermoleculares presentes.Como te habrás dado cuenta, no hay en este tema conceptos teóricos nuevos.Simplemente es la aplicación de los conceptos aprendidos en Uniones Químicas aplicados acompuestos orgánicos. Te proponemos que trates de analizar cada uno de los siguientes ejemplosy luego verifiques si tu respuesta es correcta.El pentano CH3−CH2−CH2−CH2−CH3 y el dimetilpropano CH3−C(CH3 )2−CH3 sonisómeros por lo tanto tienen la misma masa molecular. ¿Por qué el punto de ebulliciónde uno es mucho mayor que el del otro? ¿Cuál es el de mayor punto de ebullición?Comparando los puntos de ebullición de un alcohol y una amina de cadena y masasmoleculares similares, por ejemplo el n-butanol ( pto. ebull. 118 ºC ) y la n-butilamina( pto. ebull. 78 ºC ), ¿A qué se debe la diferencia en los mismos?Entre un alcohol primario y un ácido de cadena lineal y masa molecular similar, porejemplo entre el ácido butanoico ( pto. ebull. 163 ºC ) y el 1-pentanol (138 ºC ), el ácidotiene mayor punto de ebullición, ¿cuál es la explicación?234567
    • Los ptos. de ebullición de los alcoholes isómeros de fórmula C4H10O son los siguientes:CH3−(CH2)2− CH2−OH 1-butanol 118 ºCCH3−CH(CH3)−CH2−OH metil-1-propanol 108 ºCCH3−CH2−CH(OH)−CH3 2-butanol 99,5 ºCCH3−C(CH3)2−OH metil-2-propanol 82,8 ºCJustificar las diferencias en los mismos según el tipo de cadena y la posición del grupohidroxilo.De la misma forma se puede analizar la solubilidad de los distintos compuestos.Recordemos que dos sustancias serán más solubles entre sí cuanto más similares sean las fuerzasintermoleculares que unen a las moléculas de cada sustancia considerada separadamente.Si se compara la solubilidad en agua de la serie de alcoholes lineales: metanol, etanol,1-propanol, 1-butanol, 1-pentanol, etc., se observa que a medida que aumenta la cadenahidrocartbonada disminuye la solubilidad. Eso sucede en general para todos los gruposfuncionales polares. ¿Cuál es la explicación de esta tendencia?Si se compara el punto de ebullición de un alcohol con el de su eter isómero, el delprimero es mucho mayor debido a que puede formar uniones puente hidrógeno entresus moléculas. Por ejemplo el n-butanol ( 118 ºC ) y el dietileter ( 34,6 ºC ). Sin embargosu solubilidad en agua es prácticamente la misma, ¿cómo se puede explicar esto?Esperamos que estos ejemplos te ayuden a ver los distintos factores que pueden influir y adarte cuenta cuál es el razonamiento a seguir para analizar cada caso en particular.8910
    • RespuestasAl ser moléculas no polares, entre ellas sólo actuarán las fuerzas de London.Al ser moléculas polares, entre ellas actuarán además de las fuerzas de London las fuerzasde dipolo permanente. Y en los que existe la posibilidad de formar uniones puente hidrógeno,también esta última.Alcoholes; ácidos; aminas primarias y secundarias, no las terciarias y amidas primarias osecundarias, no las terciarias.Uniendo las moléculas de fluorometano actúan fuerzas de London y fuerzas de dipolopermanente. No existen uniones puente hidrógeno entre sus moléculas ya que los átomos dehidrógeno están unidos al átomo de carbono y no al átomo de flúor. Esto puede apreciarseclaramente al hacer la fórmula de Lewis.1234
    • Los dos son alcanos y son compuestos no polares. En ambos la única fuerza intermolecularque mantiene unidas a sus moléculas es la fuerza de London. Se concluye entonces que ladiferencia en la intensidad de las fuerzas de London y por ende en el punto de ebullición tiene queestar dada por la forma de la molécula, ya que son isómeros y tienen igual masa molecular. Elpentano es una molécula lineal, de forma alargada. El dimetilpropano es ramificado, de formaredonda. El pentano tiene un pto. de ebullición de 36,2 ºC y el dimetilpropano tiene un pto. deebullición de 9,5 ºC. Existen dos razones por las cuales el pentano tiene mayor punto deebullición:1) Al ser una molécula larga existe la posibilidad de formar dipolos temporarios de mayordistancia, y como μ = q . d el dipolo temporario de la fuerza de London será mayor y la fuerza deLondon será más intensa.2) Las moléculas del pentano, debido a su forma alargada, pueden “acomodarse” a menordistancia entre sí que las moléculas de dimetilpropano. Como las fuerzas de atracciónelectrostática dependen del cuadrado de la distancia, los dipolos temporarios que se forman, alestar más cerca generarán una fuerza de London más intensa.Estas dos razones se pueden apreciar con el siguiente esquema:pentano dimetilpropanoδ+δ−δ−δ+δ+δ−δ−δ+Es por eso que a igualdad en los demás factores, cuanto más ramificada sea unamolécula menos intensas serán las fuerzas de London y menor será su punto de fusión oebullición.5
    • Los dos son compuestos polares y en ambos compuestos existen entre sus moléculas lastres fuerzas intermoleculares, London, dipolo – dipolo y unión puente hidrógeno. Las fuerzas deLondon por ser debidas a dipolos temporarios formados por corrimientos momentáneos de la nubeelectrónica y encontrarse en todas las moléculas. Las fuerzas de dipolo – dipolo por ser moléculaspolares y tener un dipolo permanente. Y las uniones puente hidrógeno porque tienen en susmoléculas por lo menos un átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo,oxígeno en el alcohol y nitrógeno en la amina. Debido a que en ambos la cadena es lineal y sumasa molecular es similar, las fuerzas de London serán similares. El oxígeno es máselectronegativo que el nitrógeno, por lo que el alcohol será algo más polar que la amina y lasfuerzas dipolo – dipolo serán algo mayores en el mismo. Pero la diferencia no es tan grande comopara justificar la gran diferencia en los puntos de ebullición. La mayor diferencia está dada por laintensidad de las uniones puente hidrógeno, porque al ser el oxígeno más electronegativo la uniónpuente hidrógeno O–H - - - - O entre dos moléculas de alcohol es más fuerte que la unión NH - - -- N entre dos moléculas de amina.Los dos son compuestos polares y en ambos compuestos existen entre sus moléculas lastres fuerzas intermoleculares, London, dipolo – dipolo y unión puente hidrógeno. Las fuerzas deLondon por ser debidas a dipolos temporarios formados por corrimientos momentáneos de la nubeelectrónica y encontrarse en todas las moléculas. Las fuerzas de dipolo – dipolo por ser moléculaspolares y tener un dipolo permanente. Y las uniones puente hidrógeno porque tienen en susmoléculas por lo menos un átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo, eloxígeno. Debido a que en ambos la cadena es lineal y su masa molecular es similar, las fuerzas deLondon serán similares. El ácido (debido al doble enlace C – O) es más polar que el alcohol y esohace que las fuerzas dipolo – dipolo sean de mayor intensidad en el mismo. Por la misma razón losácidos, al igual que las amidas forman enlaces puente hidrógenos muy fuertes debido a que eloxígeno carbonílico tiene una densidad de carga negativa mayor que el de un alcohol y a que seforman dímeros por medio de dos enlaces puente hidrógeno.67R COORCOOHHR CO RCONNHHHH
    • Todos son polares y en todos actúan las tres fuerzas intermoleculares, fuerzas de London,dipolo – dipolo y unión puente hidrógeno. Dichas fuerzas se encuentran presentes por las mismasrazones enunciadas en la respuesta 7).Entre el 1-butanol y el metil-1-propanol las fuerzas de dipolo permanente y las unionespuente hidrógeno serán similares, ya que el grupo polar es el mismo. La diferencia está en lacadena hidrocarbonada, en el primero es lineal mientras que en el segundo hay una ramificaciónque hace que las fuerzas de London sean menores. En el 1-butanol, al ser una molécula lineal ycon el grupo polar en su extremo, se pueden formar dipolos temporarios de mayor longitud con locual aumenta el momento dipolar temorario de la fuerza de London. Además al ser lineal hay unmayor acercamiento entre las moléculas y por lo tanto entre los dipolos temporarios lo queaumenta la intensidad de la fuerza de London.Entre el metil-1-propanol y el 2-butanol las fuerzas dipolo – dipolo son similares. Lasfuerzas de London también serán similares ya que en el primero la cadena es ramificada; y en elsegundo es lineal pero el grupo polar no está en un extremo, con lo cual también se dificulta laformación de dipolos temporarios de mayor longitud y el acercamiento entre los mismos. Ladiferencia está en las uniones puente hidrógeno, porque al estar el grupo hidroxilo en medio de lacadena se dificulta más el acercamiento entre las moléculas para poder formar la unión puentehidrógeno. Se dice que hay un impedimento estérico.Entre el 2-butanol y el metil-2-propanol las fuerzas dipolo – dipolo son similares. Lasfuerzas de London serán menores en el segundo por las razones ya expuestas ya que es unamolécula de forma “más redonda”. También serán de menor intensidad las uniones puentehidrógeno en el segundo, ya que al ser un alcohol terciario éstas tendrán un mayor impedimentoestérico que en el secundario.A pesar de ser compuestos polares, el grupo polar es el mismo (hidroxilo en el caso de losalcoholes) pero a medida que aumenta la cadena hidrocarbonada, la parte polar de la moléculasigue siendo igual mientras que aumenta la parte no polar. Al aumentar la cadena aumentan lasfuerzas de London, por las razones explicadas en la respuesta 5). Entonces la molécula cada vezva siendo menos polar, el grupo polar va teniendo “menor peso” en el total de la molécula. Comolas fuerzas de London son cada vez mayores, y son muy diferentes a las fuerzas intermolecularesdel agua, que es muy polar, eso hace que la atracción entre las moléculas del compuesto orgánico(el alcohol en nuestro caso) sea mucho más intensa que entre las moléculas del compuestoorgánico y las moléculas de agua. Al aumentar la cadena hidrocarbonada el compuesto serámenos soluble en agua. En los alcoholes se verifica que metanol, etanol y 1-propanol sontotalmente solubles, el 1-butanol es parcialmente soluble y la solubilidad sigue disminuyendo alaumentar el número de átomos de carbono en el alcohol.89
    • El éter no puede formar uniones puente hidrógeno entre sus moléculas, ya que no tienehidrógeno unido directamente al oxígeno. Pero en la solubilidad en agua, además de la polaridadinfluye mucho el hecho de que el compuesto pueda formar uniones puente hidrógeno con lasmoléculas de agua. El éter no puede formar la unión puente hidrógeno en uno de los sentidos ( Hdel éter con el O del agua) pero sí en el otro (O del éter con el H del agua) Eso hace que susolubilidad sea prácticamente igual que la del alcohol, que puede formar las uniones puentehidrógeno con el agua en los dos sentidos.alcoholéterROR’R OHHHOROHHHOHHO10
    • COMPUESTOS DE INTERÉS BIOLÓGICOLic. Lidia IñigoLÍPIDOSLípidos es una palabra muy general que designa a compuestos biológicos de estructuraquímica y funciones muy diversas. Su característica común es que son insolubles en agua ypueden ser extraídos de tejidos de origen vegetal o animal con solventes no polares o de bajapolaridad. Usualmente suelen clasificarse en lípidos complejos o saponificables (significa quepueden hidrolizarse para formar jabón) y lípidos simples o insaponificables.Dentro de los lípidos simples o insaponificables se encuentran los terpenos, los esteroides ylas prostaglandinas.Son terpenos muchos aceites esenciales como el limoneno (esencia de limón), el mentol(esencia de menta) y el alcanfor; también la vitamina A.mentolLos esteroides tienen como base de su estructura el ciclopentanoperhidrofenantreno, quees una estructura tetracíclica:El esteroide más abundante es el colesterol, también son esteroides las hormonas sexualesestradiol, progesterona y testosterona; las hormonas suprarrenales y los ácidos biliares.OHVer animación
    • Las prostaglandinas poseen actividades de naturaleza hormonal o reguladora.Los lípidos saponificables se caracterizan porque intervienen en la formación de suestructura ácidos carboxílicos de cadena larga, denominados ácidos grasos. Comprenden lostriacilglicéridos, los fosfoglicéridos, los esfingolípidos y las ceras. Los fosfoglicéridos y losesfingolípidos se caracterizan por tener una “cabeza” polar y “colas” no polares.Los fosfoglicéridos o fosfolípidos son los componentes principales característicos de lasmembranas celulares. Los esfingolípidos también son componentes importantes de las membranascelulares y se hallan presentes en gran cantidad en los tejidos nervioso y cerebral. Las ceras sonésteres de ácidos grasos con alcoholes de cadena larga o esteroles (alcoholes con estructura deesteroide), forman cubiertas protectoras en plantas y animales.En este curso sólo estudiaremos los triacilglicéridos, tradicionalmente denominadostriglicéridos y que más vulgarmente se conocen como grasas o aceites. Son los de mayorabundancia dentro de los lípidos y los principales componentes de reserva de las células vegetalesy animales. Son ésteres de la glicerina (1,2,3-propanotriol) con ácidos grasos. Los tres hidroxilosde la glicerina están esterificados con ácidos grasos iguales o diferentes (sus cadenashidrocarbonadas representadas como R puede ser iguales o no).Un triglicérido: 1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicéridoLa gran mayoría de los ácidos grasos poseen número par de átomos de carbono, debido aque se biosintetizan a partir del ácido acético. Los más abundantes tienen cadenas comprendidasentre los 14 y los 22 átomos de carbono. Pueden ser saturados (sólo presentan enlaces simples) oinsaturados, con uno o más dobles enlaces; los más comunes tienen hasta tres dobles enlaces.Casi todos los ácidos grasos naturales insaturados tienen configuración cis en sus dobles enlaces,son muy raros los que tienen configuración trans. Podés volver a leer la acotación que se hizoRCOORCOORCOOCHCHCH22Ver animación
    • sobre las “grasas trans” en la última parte del tema Isomería Espacial o Estereoisomería de estamisma unidad.Lo que llamamos grasas o aceites son mezclas de distintos triacilglicéridos donde aparecenal azar los distintos ácidos grasos. La única diferencia entre las grasas y los aceites es que lasprimeras son sólidas a temperatura ambiente y los segundos son líquidos. Cuanto mayor es elporcentaje de ácidos grasos insaturados menor es el punto de fusión.¿Cuál es la explicación de que al aumentar la cantidad de ácidos grasos insaturadosdisminuya el punto de fusión de la grasa?Los ésteres pueden ser hidrolizados tanto en medio ácido como en medio básico. Lahidrólisis ácida regenera el alcohol y el ácido. La hidrólisis en medio básico regenera el alcohol yforma la sal del ácido. Las sales de los ácidos grasos son los jabones, por eso el proceso dehidrólisis básica de una grasa se denomina saponificación. En la industria se obtiene el jabón pormedio de esta reacción.+ 3 NaOH +La capacidad de los jabones de lavar, o sea de disolver la suciedad (que son sustancias nopolares) se debe a que contiene una parte no polar (hidrófoba) y una parte polar (hidrófila). Comose expuso al comienzo, al igual que ciertos lípidos, tienen una “cabeza” polar y una “cola” nopolar. El jabon o detergente rodea la suciedad hasta incluirla en una envoltura que la hace solubleen agua, formando partículas denominadas micelas.Micela de jabónFormación de micelasRCOORCOORCOOCHCHCH22OOOCHCHCH22HHHOR CONa31
    • Los ácidos grasos ω-3 se denominan de esa manera porque tienen un doble enlace en eltercer carbono contando a partir del último carbono de la cadena (carbono ω). Son ácidos grasospoliinsaturados que se encuentran en mayor cantidad en los pescados grasos como atún, salmón ysardina y en las nueces. Son ácidos grasos esenciales, eso significa que el organismo no puedesintetizarlos y se deben adquirir a través de la dieta. Tienen efectos benéficos ya que ayudan areducir el colesterol “malo” (LDL) y facilitan el aumento del colesterol “bueno” (HDL), reducen lostriglicéridos y la presión arterial; todo lo cual contribuye a la prevención de las enfermedadescardiovasculares.Lista de los ácidos grasos ω-3Nombre común Notación simbólica Nombre químicoÁcido alfa-linolénico (ALA) 18:3 ∆ 9,12,15 octadeca-9,12,15-trienoicoÁcido estearidónico 18:4 ∆ 6,9,12,15 octadeca-6,9,12,15-tetraenoicoÁcido eicosatetraenoico 20:4 ∆ 8,11,14,17 eicosa-8,11,14,17-tetraenoicoÁcido eicosapentaenoico (EPA) 20:5 ∆ 5,8,11,14,17 eicosa-5,8,11,14,17-pentaenoicoÁcido docosapentaenoico 22:5 ∆ 7,10,13,16,19 docosa-7,10,13,16,19-pentaenoicoÁcido docosahexanoico (DHA) 22:6 ∆ 4,7,10,13,16,19 docosa-4,7,10,13,16,19-hexaenoico
    • POLÍMEROS Y BIOPOLÍMEROSUn polímero es una macromolécula (extremadamente grande), formada por reacciónquímica entre moléculas más pequeñas de una sustancia que se denomina monómero. Al ocurrirla reacción se forma en el polímero una unidad repetitiva que no es igual al monómero. Porejemplo en el policloruro de vinilo (PVC) el monómero es cloruro de vinilo o cloroeteno y ocurre lasiguiente reacción:n CH2=CHCl –[–CH2–CHCl−]n– unidad repetitiva del PVCDonde la n indica que esa unidad se repite un número muy grande de veces. En realidadese número no es fijo, ya que las cadenas de los polímeros no tienen la misma longitud y por lotanto los polímeros no tienen una masa molecular fija.También existen polímeros que se forman por reacción de más de un monómero(usualmente dos) denominados copolímeros, como las poliamidas, que se obtienen porpolimerización de un diácido con una diamina; o los poliésteres, que se obtienen porpolimerización de un diácido con un dialcohol.La polimerización puede ocurrir por una reacción de adición de las unidades de monómero,como en el caso del PVC, o por una reacción de condensación de las unidades de monómero y eneste caso se forma alguna otra sustancia sencilla (comúnmente agua).En la industria se fabrican muchísimos polímeros sintéticos, como el polietileno, elpoliestireno, el polipropileno, los poliacrilatos y el teflón; además de los mencionados.Existen también polímeros naturales o biopolímeros como el caucho natural y los quetrataremos a continuación.
    • PROTEÍNASLas proteínas se encuentran en todos los seres vivos. Tienen muy diversas funciones:estructurales, como las que forman los músculos (actina y miosina), o el tejido conectivo(colágeno y elastina); de reserva (ovoalbúmina); transportadoras de oxígeno (hemoglobina ymioglobina); protectoras en el sistema inmunológico (anticuerpos); enzimas (aceleran lasreacciones que ocurren en el organismo); hormonas (insulina) e incluso toxinas (toxina botulínica,veneno de serpiente).Los monómeros que forman las proteínas son los 2-aminoácidos, α-aminoácidos ovulgarmente aminoácidos. Su fórmula general es:NH2–CH−COOHRDonde el grupo R es el grupo que cambia en los distintos aminoácidos.¿Son quirales los aminoácidos?Los aminoácidos que frecuentemente se encuentran en las proteínas son 20, y de ellos hay8 que son esenciales para el ser humano, es decir, no los puede sintetizar y debe adquirirlos através de la dieta. Se encuentran también otros aminoácidos muy poco frecuentes y que sonderivados de los aminoácidos corrientes. La inmensa mayoría de los aminoácidos naturalesaislados de proteínas, y todos los de proteínas humanas son de configuración L, es decir, existeuno solo de los enantiómeros en forma natural.Las cadenas de las proteínas se van formando por reacción entre el grupo carboxilo de unaminoácido y el grupo amino del siguiente. Recordemos que la reacción entre un ácido y unaamina da como producto una amida, por lo tanto las proteínas son poliamidas. Al producirse lareacción se forma agua, por los que las proteínas son un polímero de condensación. La uniónentre los aminoácidos es un grupo amida, pero en el caso de las proteínas se denomina uniónpeptídica.+ + H2Ounión peptídicaCuando se unen dos aminoácidos se denomina dipéptido, si se unen tres aminoácidostripéptido. El conocido edulcorante nutrasweet, el aspartamo, es un tipéptido formado por alanina,fenilalanina y lisina (tres aminoácidos). Si son pocos los aminoácidos unidos se habla de unoligopéptido, en mayor cantidad se habla de un polipéptido y cuando las cadenas son muy largas(masa molecular > 10.000) ya es una proteína.OHNH22RCOCHR’OHNH22COCHR R’OHNH COCHNH22COCH2
    • La estructura primaria de las proteínas es la secuencia de aminoácidos en la cadena.Esta secuencia también determina las estructuras secundaria y terciaria. La estructurasecundaria puede presentar dos formas, α-hélice o la conformación β o de lámina plegada. Estasestructuras tridimensionales están soportadas por uniones puente hidrógeno entre el carbonilo deun aminoácido y el hidrógeno del grupo amino de otro aminoácido.Modelos de α-hélicedonde se aprecianlos puentes hidrógenointramoleculares quemantienen la estructuraModelos de la estructura β o de lámina plegada, donde se disponen varias cadenaspolipeptídicas unidas por las uniones puente hidrógeno.
    • La estructura terciaria se debe al plegamiento de las cadenas (con su estructuraprimaria y secundaria). Este enrollamiento se debe a distintos tipos de interacción entre los gruposR presentes en los aminoácidos: puentes disulfuro, enlaces puente hidrógeno, interacciones entreiones (electrostáticas) e interacciones entre grupos no polares (hidrofóbicas).A su vez distintas subunidades con sus respectivas estructuras primaria, secundaria yterciaria pueden unirse formando una estructura cuaternaria. Un ejemplo de proteína conestructura cuaternaria es la hemoglobina, que posee cuatro subunidades, iguales entre sí dos ados.Cuando se someten a calefacción o al tratamiento con ácidos o bases las proteínas pierdensu estructura terciaria y secundaria para producir conformaciones desplegadas y al azar de suscadenas. Este proceso se denomina desnaturalización. Es lo que sucede con la proteína de laclara del huevo (ovoalbúmina) cuando lo cocinamos y hacemos por ejemplo un huevo duro. Elproceso de desnaturalización facilita la posterior hidrólisis en el organismo para separar losaminoácidos y hace que se digiera mejor.
    • Esquema donde se muestran las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria deuna proteína.
    • HIDRATOS DE CARBONOEl término hidratos de carbono o carbohidratos deriva de la relación entre loselementos carbono hidrógeno y oxígeno que podría escribirse como Cn(H2O)n. si bien esta fórmulano es correcta químicamente, el nombre se sigue usando. Hidratos de carbono es muy general yabarca tanto a los polisacáridos como a los monosacáridos. Los polisacáridos son polímeroscuyos monómeros son los monosacáridos. Los monosacáridos son polihidroxialdehidos opolihidroxicetonas. Los más comunes en la naturaleza son los que tienen 6 átomos de carbono,hexosas; o los que tienen 5 átomos de carbono, pentosas. Existen entonces aldohexosas ,aldopentosas , cetohexosas y cetopentosas.El monosacárido más abundante e importante en la naturaleza es la glucosa, que es unaaldohexosa, o sea un polihidroxialdehido de 6 átomos de carbono. La fórmula de la glucosa es lasiguiente:¿Tiene carbonos asimétricos la glucosa? ¿Cuáles son?Esta fórmula está representada en lo que se denomina una proyección de Fischer. En estaproyección las lineas horizontales están para adelante del plano del papel y las lineas verticalesestán para atrás del plano del papel. Si el hidroxilo del carbono 5 queda hacia la derecha en laproyección de Fischer la configuración se denomina D. La inmensa mayoría de los monosacáridosnaturales tienen la configuración D, de hecho la configuración L es excepcional y en la naturalezaexiste uno solo de los enantiómeros lo mismo que ocurre con los aminoácidos.En realidad las pentosas y las hexosas no se encuentran en la forma abierta que acabamosde exponer sino que se ciclan dando lugar a ciclos de cinco o seis átomos respectivamente. En elcaso de las aldohexosas se cicla el hidroxilo del carbono 5 con el carbono aldehídico (carbono 1) yen el caso de las aldopentosas el hidroxilo del carbono 4 con el carbono aldehídico. Pero alformarse el ciclo el carbono aldehídico se transforma en un nuevo carbono asimétrico. Susconfiguraciones se denominan α y β. En solución acuosa existe un equilibrio entre estas dosformas y la forma abierta, por ejemplo para la glucosa:OHOH OHOH HH OHH OH3
    • Fórmulas de Haworthforma α forma βEn la glucosa predomina la forma β, por ser más estable y la forma abierta está enpequeña proporción.β – D glucosaOtros monosacáridos de importancia biológica son la fructosa (una cetohexosa), lagalactosa (una aldohexosa), la ribosa y la 2-desoxiribosa (aldopentosas). Estas dos últimas formanparte de los ácidos nucléicos como veremos a continuación.forma α D – galactosaD – fructosaCuando se unen dos monosacáridos por una reacción de condensación se produce unamolécula de agua. La unión formada se denomina unión glicosídica, o más específicamenteunión gucosídica si es entre glucosas. Por ejemplo la unión entre el carbono 1 (en α) de unaglucosa con el carbono 4 de otra glucosa forma la maltosa (un disacárido) y dicha unión sedenomina α 1-4.OHHHHOHOHH OHOHOHVer animaciónOOHHHHOHOHH OHHOH
    • MaltosaLa palabra azúcares se utiliza comúnmente para denominar a los monosacáridos ydisacáridos que se encuentran en la naturaleza. Lo que llamamos azúcar, que es el azúcar decaña, la sacarosa, es un disacárido de glucosa y fructosa. Otro disacárido importante es la lactosao azúcar de la leche.LactosaSacarosa galactosa unida β 1- 4 a glucosaGlucosa unida α 1- β 1 a fructosaCuando son relativamente pocas las unidades de monosacáridos unidas se habla de unoligosacárido, cuando tenemos grandes cadenas es un polisacárido.Los polisacáridos más abundantes en la naturaleza están formados por glucosa, o sea, sonpolímeros cuyo monómero es la glucosa. Ellos son la celulosa, el almidón y el glucógeno.La celulosa es el polisacárido estructural o de sostén de las plantas. Con la celulosa de lostroncos de los arboles se hace el papel. El almidón es el polisacárido de reserva de las plantas, seencuentra en los cereales como trigo y arroz, en las legumbres como porotos y garbanzos, y en lostubérculos como las papas. El glucógeno es el polisacárido de reserva de los animales. Nosotrosalmacenamos glucosa en forma glucógeno en el hígado, es la primera reserva de energía queutiliza nuestro organismo.Si los tres, celulosa, almidón y glucógeno están formados únicamente por glucosa,¿cuál es la diferencia entre ellos?4
    • La celulosa es un polímero lineal en el que la unión glucosídica es β 1-4.En el almidón se encuentran dos tipos distintos de polímeros. La amilosa no es ramificada ypresenta forma helicoidal, tiene uniones α 1-4. La amilopectina es ramificada, con uniones α 1-4en las cadenas y uniones α 1-6 en las ramificaciones.
    • El glucógeno es igual que la amilopectina, pero con más ramificaciones.Otro ejemplo de la importancia biológica de la estereoquímica:Nosotros no podemos alimentarnos de celulosa, ya que no tenemos la enzima que corta launión β-glucosídica. Cuando la ingerimos la celulosa pasa intacta a través de nuestro organismo yforma parte de la denominada fibra dietaria. Los animales herbívoros se alimentan de la celulosaporque tienen la enzima que corta la unión β-glucosídica. Observá que la diferencia es solamentela configuración de un carbono asimétrico. Es otro ejemplo de lo que puede hacer la diferencia enun carbono asimétrico a nivel biológico.
    • OHOOHOHOHOOHOHOHÁCIDOS NUCLÉICOSEl nombre ácidos nucleicos proviene de que fueron descubiertos por primera vez en elnúcleo de la célula. Hoy se sabe que se encuentran también en otras partes de la misma, como elcitoplasma o las mitocondrias. Los ácidos nucleicos son los responsables del almacenamiento y latransferencia de la información genética.Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido ribonucléico (ARN o RNA) y el ácidodesoxirribonucléico (ADN o DNA). Ambos son polímeros con una estructura básica similar. Ensus cadenas existen unidades de un azúcar, que es una aldopentosa, unidas por ácido fosfóricoque forma una unión éster con cada pentosa. Más adelante desarrollaremos con detalle estaestructura. En el ácido ribonucleico ese azúcar es la ribosa y en el ácido desoxirribonucleico eseazúcar es la 2-desoxirribosa (una ribosa que no tiene hidroxilo en el carbono 2).Ribosa (forma β) 2 – desoxirribosa (forma β)Además unidas al carbono 1 de la pentosa, que se encuentra en la forma β, se encuentrancuatro bases nitrogenadas distintas. En el ADN esas bases son adenina (A), citosina (C)guanina (G) y timina (T). En el ARN, en lugar de timina se encuentra uracilo (U). La secuenciade estas bases nitrogenadas forma el código que transmite la información genética.La molécula formada por la unión entre la pentosa y la base nitrogenada se denominanucleósido. La molécula formada por la pentosa, la base nitrogenada y el grupo fosfato se llamanucleótido. Además de formar los ácidos nucléicos existen en forma libre en las células losnucleótidos que tienen uno, dos o tres grupos fosfato. Por ejemplo los nucleótidos de ribosa yadenina son el monofosfato de adenosina (AMP), el difosfato de adenosina (ADP), y el trifosfato
    • de adenosina (ATP). El ATP es la forma en que el organismo va “guardando” la energía queobtiene de las reacciones de degradación, por ejemplo de la glucosa (glucólisis).Los nucleótidos son los monómeros que forman los ácidos nucleicos. El ácidofosfórico está uniendo las pentosas formando un éster con un hidroxilo de cada pentosa. Por estemotivo la unión en los ácidos nucleicos se llama unión fosfodiéster.
    • En el siguiente esquema se puede apreciar una pequeña porción de la cadena de ADN.El ADN es el portador de toda la información genética. Se encuentra en el núcleo de lacélula asociado a proteínas formando los cromosomas, cuyas porciones son los distintos genes.Cada tres bases nitrogenadas forman el código para un aminoácido en la síntesis de lasdistintas proteínas.La estructura espacial del ADN fue propuesta por J. D. Watson y F. H. C. Crick en 1953. Setrata de una doble hélice, formada por dos cadenas y estabilizada por enlaces puente hidrógenoentre sus bases nitrogenadas. La adenina se une con la timina y la citosina se une con la guanina.Una reglita mnemotécnica para acordarse, muy argentina porque es tanguera, es “Anibal Troilo yCarlos Gardel”
    • En el siguiente esquema y el siguiente modelo se puede apreciar la estructura espacial dedoble hélice del ADN.Este tema, Compuestos de Interés Biológico, es una introducción a la materia Biología;donde se presentan los compuestos biológicos más importantes. La mayor parte del tema es anivel informativo y de comprensión. Pero es bueno que te vayas familiarizando con los compuestosporque en Biología vas a tener que saberlo.No es necesario que memorices fórmulas, salvo el caso de la fórmulageneral de un triacilglicérido, la reacción de saponificación, la fórmula general deun aminoácido y de la unión peptídica.Las fórmulas y esquemas se dan para mayor comprensión de la complejidad de loscompuestos biológicos, su estructura espacial y la gran importancia de la misma.Sí es importante que recuerdes los nombres de los distintos biopolímeros,su estructura general, como se llaman sus uniones y cuáles son los monómerosque los forman.Si te interesa ver en mayor detalle las estructuras, y ver animaciones donde se pueden veren movimiento te recomendamos la página http:/www2.uah.es/biomodel/model3j/inicio.htm endonde podrás “jugar” con los distintos modelos de compuestos biológicos.Ver animación
    • RespuestasComo los ácidos grasos insaturados tienen sus dobles enlaces en cis, eso hace que lascadenas queden más desordenadas. Por esta razón disminuye el acercamiento entre moléculas ylas fuerzas de London serán menores. Esto se puede apreciar en las siguientes vistas de latripalmitina y del 1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicérido.tripalmitina1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicérido.Sí, todos los aminoácidos son quirales salvo el que tiene como grupo R un hidrógeno, quees el ácido aminoetanoico o glicina. En todos los demás el carbono 2 es asimétrico o quiral.La glucosa tiene cuatro carbonos asimétricos, que son los centrales (del 2 al 4). La distintaconfiguración en dichos carbonos forma las distintas aldohexosas.123
    • La diferencia es la forma en que están unidas las unidades de glucosa, si el carbono 1 estáen la forma α ó β y con que otro carbono de la siguiente glucosa se une.4
    • SOLUCIONESLic. Lidia IñigoEntre los conocimientos previos de Sistemas Materiales se encuentra el concepto de queuna solución es una mezcla, pero es un sistema homogéneo. Es un tipo especial de mezcla, cuyaspropiedades pueden ser muy diferentes a las de sus componentes. Como en cualquier mezcla sucomposición es variable, y para tener correctamente determinado el sistema se debe conocer lamisma.¿Cuál es la forma más común, de expresar la composición de una mezcla?No solamente existen soluciones líquidas, como inmediatamente uno imagina, sino quetambién existen soluciones sólidas y soluciones gaseosas. El ejemplo corriente de solucionessólidas son las aleaciones de los metales, como el bronce, o el oro y la plata que se utilizan enjoyería. También la amalgama que se utiliza en odontología para obturar las caries es una soluciónsólida de mercurio y sodio. Un ejemplo de solución gaseosa es el aire que respiramos, compuestoprincipalmente de nitrógeno, oxigeno y otros gases en menor proporción.Si consideramos que en los gases las moléculas se encuentran libres, sin fuerzasintermoleculares que las unan. ¿Cualquier mezcla de gases será una solución?Dentro de las soluciones líquidas no solamente puede haber un sólido disuelto en unlíquido, que es el caso en el que primero se piensa, sino que también puede haber un líquidodisuelto en un líquido o un gas disuelto en un líquido.¿Podés dar ejemplos de estos tres casos de soluciones líquidas?En el caso de una solución que tiene solamente dos componentes, a uno se lo denominasoluto y a otro se lo denomina solvente o disolvente. La mezcla de soluto (st. ó sto.) y solvente(sv.) forma entonces la solución (sc. ó sn.).Pero ¿a quién denominamos soluto y a quién solvente?En la guía de ejercitación todos los ejercicios corresponden a soluciones líquidas yespecíficamente a soluciones acuosas, no porque no pueda haber soluciones en otros solventes,sino porque el tratamiento matemático es exactamente el mismo y lo único que puede cambiar esel valor de la densidad del solvente. También en dichos ejercicios veremos soluciones desolamente dos componentes, no porque no puedan existir soluciones de más de dos componentes,como por ejemplo sal y azúcar disueltos en agua, o NaCl, NaNO3 y K2SO4 disueltos en agua, sinoporque para tener correctamente determinado el sistema debemos dar la composición de cada1234
    • uno por separado. No se puede decir que hay 30 g de azúcar y sal disueltos en un litro de agua,porque no se podría saber cuanto hay de cada uno. Se tiene que decir que hay 10 g de azúcar y20 g de sal disueltos en un litro de agua, y eso es lo mismo que si se las considerara porseparado.En el caso especial de las soluciones, la composición de una solución de doscomponentes es lo que se llama CONCENTRACIÓN de esa solución. Si la solución tuvieramás de un soluto se debe dar la concentración de cada soluto por separado.Existen muy distintas formas de expresar la concentración de una solución. Puede darseuna relación entre cantidad de soluto y solución (lo más usado por fines prácticos) o puede darseuna relación entre soluto y solvente.Las formas más corrientemente usadas son:%m/m: son los gramos de sto. por cada 100 g de sc.%m/v: son los gramos de sto. por cada 100 cm3de sc.%v/v: son los cm3de sto. por cada 100 cm3de sc.molaridad (M): son los moles de soluto por cada litro (ó 1000 cm3) de solución.molalidad (m): son los moles de soluto por cada kg (ó 1000 g) de solvente.partes por millón (ppm): son partes de sto. en un millón de partes de sc., pueden serg sto./106g sc. ó mol sto./ 106moles totales.Debés asegurarte de saber el significado de estas expresiones de concentración.¿Podés dar ejemplos en los cuales la concentración se exprese en forma diferente alas que aparecen en el cuadro anterior?Fijate que todas son distintas unidades en las que se puede expresar una misma magnitudque es la concentración. Así como para longitudes podemos pasar de cm a m, a pulgadas, ayardas, etc. También tendremos que poder pasar de cualquiera de estas unidades a cualquierotra. Eso es lo primero que tenés que aprender en la práctica y lo que piden los primerosproblemas.Un consejo para que te resulte más fácil el pasaje de unidades es: poner de donde parto ya lo que quiero llegar. Para poder hacer una relación directa (regla de tres simple) se deben tenerla misma especie y la misma unidad, tanto en el numerador como en el denominador. Por ejemplosi se quiere pasar de molaridad a g sto./100 cm3sv., partimos de mol sto./1000 cm3sn. yqueremos llegar a g sto./100 cm3sv. Vemos que en el numerador necesitamos calcular los molesde sto. a partir de los gramos de sto. Lo que nos permite hacer este cálculo es la masa molar, delsto. en este caso. En el denominador debemos pasar de sn. a sv.La sn. es la suma del sto. y el sv., pero ¿podemos sumar los volúmenes?¿podemos sumar las masas?56
    • Como debemos sumar masas y no volúmenes tenemos que calcular la masa de la solución,y para eso utilizamos el dato de la densidad de la sn. Una vez conocida la masa de la sn.calculamos la masa del sv. como la masa de la sn. menos la masa del sto. Para poder llegar a loque queremos (cm3sv.) necesitamos conocer la densidad del solvente; en el caso de ser agua,como la densidad a temperatura ambiente es 1 g/cm3el valor numérico sería el mismo. Una vezhecho esto quedan las unidades correctas y se puede plantear la regla de tres necesaria.Ejemplo numérico:Una solución acuosa de NaOH ( M = 40,0 g/mol ) es 2,00 M y tiene una densidad igual a1,020 g/cm3. Expresar su concentración en g sto./ 100 cm3sv. Dato: δ (agua) = 1,00 g/cm3.2 mol sto. / 1000 cm3sn. …………………… g sto. / 100 cm3sv.2mol . 40 g/mol = 80 g sto. 1000 cm3sn. . 1,020 g/cm3= 1020 g sn.1020 g sn. – 80 g sto. = 940 g sv. 940 g sv. / 1,00 g/cm3= 940 cm3sv.2 mol sto. / 1000 cm3sn. = 80 g sto. / 940 cm3sv.940 cm3sv. ............. 80 g sto.100 cm3sv. ............. 8,51 g sto.por lo tanto la concentración será 8,51 g sto. / 100 cm3sv.El valor (el número) que toma una magnitud depende de la unidad de medida. Unalongitud de 5,08 cm no es mayor que 2 pulgadas, sino que es igual, ya que 1 pulgada equivale a2,54 cm. Para poder decir si una solución es más concentrada que otra debemos comparar susconcentraciones en la misma unidad. Una solución será más concentrada cuando tenga unamayor cantidad de soluto en la misma cantidad de solución o en la misma cantidad desolvente. Pero tanto la cantidad de sto. como la cantidad de sn. o de sv. deben estar expresadasen las mismas unidades.La concentración es una relación o cociente entre cantidad de soluto y cantidad de solucióno entre cantidad de soluto y cantidad de solvente. Cuando decimos por ejemplo gramos de solutopor 100 cm3de sn., eso es en realidad g de sto. por cada 100 cm3de sn.¿Qué tipo de propiedad será la concentración, intensiva o extensiva?(si no recordás qué es una propiedad extensiva o intensiva podés repasarlo del temaSistemas Materiales)7
    • Para saber si entendiste los conceptos de concentración y cantidad de soluto:Si tenemos dos recipientes con soluciones del mismo soluto. En el recipienteA tenemos 100 cm3de una sn. 2 M y en el recipiente B tenemos 1000 cm3deuna sn. 1 M.¿Cuál es la sn. más concentrada? ¿En que recipiente hay mayor cantidad desoluto?8
    • RespuestasLa forma más común de expresar la composición de una mezcla es el porcentaje masa enmasa ó % m/m. Son los gramos de un determinado componente de la mezcla por cada 100 gtotales de mezcla.Si, cualquier mezcla de gases será una solución porque en los gases las moléculas seencuentran libres, sin fuerzas intermoleculares que las unan y por lo tanto la partícula más grandeque se puede encontrar es una molécula, que no es visible al ultramicroscopio y por lo tanto unamezcla de gases es una mezcla a nivel molecular y será un sistema homogéneo.Un sólido disuelto en un líquido pueden ser sal o azúcar disueltas en agua o naftaleno(naftalina) disuelto en benceno. Un líquido disuelto en un líquido pueden ser alcohol (etanol) yagua, o la nafta y el querosén, que son mezclas de hidrocarburos. Como ejemplo de gas disueltoen un líquido podemos nombrar el amoníaco. El amoníaco que se compra comercialmente no espuro sino que es una solución concentrada de amoníaco (que es un gas a temperatura ambiente)en agua. Otro ejemplo es el formol, que es una solución de formaldehído o metanal (H2CO) enagua. El formol se usa para preservar muestras orgánicas. Ya sea los cadáveres o piezasanatómicas en medicina, o los animales en biología.Además el agua de ríos y mares, o el agua que bebemos tienen disueltos los gases de laatmósfera, aunque sea en pequeña cantidad. Si el agua de ríos y mares no tuviera disueltooxígeno los peces no podrían respirar.123
    • Muy probablemente hayas contestado que el soluto es el que se encuentra en menorcantidad y el solvente en mayor cantidad. Este es uno de los criterios que se utilizan y es el únicoen el caso soluciones de líquido en líquido, como alcohol y agua, cuando se toma porcentaje envolumen. Pero en el caso de sales muy solubles en agua, o en el caso de los ácidos concentradosse toma otro criterio. El ácido sulfúrico concentrado, por ejemplo, es 98 % m/m, eso significa queen 100 g de solución hay 98 g de ácido sulfúrico y 2 g de agua, sin embargo se sigue diciendo quees una solución concentrada de ácido sulfúrico en agua. En este caso el criterio que se toma esdenominar solvente al que tiene el mismo estado de agregación que la solución final.Puede ser por ejemplo g sto./ L sn., mol sto./ 100 cm3sn., g sto./ L sv., mg sto./ 100cm3sn., etc. Existen muchísimas unidades en las que se podría expresar una concentración.No se puede sumar volúmenes, cuando formamos una solución a partir del sto. y el sv.separados los volúmenes no son aditivos. Podés fijarte que si vas disolviendo de a poco, se puedeagregar mucha azúcar a un pocillo de café y sin embargo el volumen de la solución (el café) noaumenta en forma significativa. Los volúmenes no son estrictamente aditivos ni siquiera en el casode mezcla de líquidos. Si tuviéramos 100 cm3de alcohol absolutamente anhidro y los mezcláramoscon 100 cm3de agua no obtendríamos 200 cm3de solución, sino algo menos. En otros casospuede haber un aumento de volumen. Los volúmenes sí son aditivos en el caso de agregar sv. auna sn. ya formada, o en el caso de mezclar dos soluciones. Sí es correcto que la masa de la sn.es la masa del sto. más la masa del sv.456
    • La concentración es una propiedad intensiva, no depende de la cantidad de solución quetomemos. Si tenemos una jarra con jugo de naranja y ponemos un poco en un vaso laconcentración del jugo no cambia. Lo mismo que en el caso de la densidad, al hacer el cocienteentre dos propiedades extensivas nos independizamos de la cantidad de materia y la propiedad esintensiva.La solución más concentrada es la del recipiente A, porque tiene 2 mol de sto. por cada1000 cm3de sn. en cambio en el recipiente B hay 1 mol de sto. por cada 1000 cm3de sn.Hay mayor cantidad de soluto en el recipiente B porque en 1000 cm3de sn. habrá 1 mol desto. En cambio en el recipiente A :si en 1000 cm3de sn. ---------------- 2 mol sto.100 cm3de sn. ---------------- 0,2 mol sto.La concentración de la solución no depende de la cantidad de sn. porque es una propiedadintensiva, pero la cantidad de soluto que hay en una sn. sí depende de la cantidad de solución quetengamos. Por eso hay mayor cantidad de sto. en el recipiente B a pesar de que la sn. es másdiluida o menos concentrada.78
    • SOLUCIONES ACUOSAS DE COMPUESTOS IÓNICOSLic. Lidia IñigoELECTROLITOS Y DISOCIACIÓN IÓNICAEn el tema Uniones químicas y Fórmulas de Lewis y también en Nomenclatura se vio quelas oxosales son compuestos iónicos que pueden formarse a partir de la reacción de neutralizaciónentre un ácido y un hidróxido. En las mismas el anión proviene del ácido y el catión metálico delhidróxido. Para poder escribir la fórmula de Lewis se debía separar (disociar) dichos iones, entrelos cuales existen uniones de tipo iónico; y luego desarrollar la fórmula de Lewis del oxoanión,dentro del cual existen uniones covalentes.También vimos en el tema Fuerzas intermoleculares que las sustancias iónicas conducen lacorriente eléctrica en el estado líquido o en solución porque los iones de la red cristalina adquierenmovilidad. La mayoría de las sustancias iónicas se solubilizan en agua porque ésta, al ser unasustancia muy polar, logra acercarse a los iones de la red, y como los iones de los bordes estánmenos retenidos (interaccionan con menor cantidad de iones de signo contrario) los separa de lared. Los iones quedan rodeados de moléculas de agua (se hidratan) y entonces pueden moverse.Es una interacción ión – dipolo permanente.Puede representarse el proceso de la siguiente manera, tomando como ejemplo el clorurode sodio.NaCl + H2O Na+(aq) + Cl −(aq)Cuando una sustancia en estado líquido o en solución conduce la corriente eléctrica sedenomina electrolito. Las sustancias que al solubillizarse forman iones que posibilitan laconducción de la corriente eléctrica son electrolitos. Las sustancias iónicas son electrolitos, porqueen agua se disocian en sus respectivos iones, pero también existen sustancias covalentes que aldisolverse en agua forman iones (se ionizan). El ejemplo de éste último caso son los ácidos (tantolos hidrácidos como los oxoácidos). En realidad lo que sucede es que se ionizan porque ocurre unareacción ácido – base con el agua. Esto se verá cuando se estudie Equilibrio ácido – base.
    • HA + H2O A–+ H3O+Donde HA es cualquier ácido y H3O+es el ión hidronio, que no es otra cosa que el protónunido con una molécula de agua (puede hidratarse con más).Todas las sustancias iónicas que se disuelven en agua son electrolitos, ya que se disocianen sus respectivos iones y conducen a la corriente eléctrica. Pero no todas las sustancias iónicasson solubles en agua, si la interacción electrostática entre los iones de la red cristalina es mayorque la interacción entre los iones y los dipolos del agua la sustancia será poco soluble o insoluble.Es el caso de sales como AgCl, BaSO4 y de muchos óxidos de metales de transición como el MnO2 .Los óxidos de metales alcalinos o alcalinos térreos, a pesar de ser iónicos, no los podemosencontrar en agua ya que reaccionan muy rápidamente para formar los hidróxidos.CaO + H2O Ca (OH)2Los óxidos ácidos no se disocian porque son covalentes.Podemos resumir entonces:No se disocian: las sustancias covalentes, los óxidos.Se disocian o se ionizan: los hidróxidos, todo tipo de sales, todo tipo de ácidos.Por lo tanto son electrolitos todas las sales solubles, hidróxidos y ácidosLos electrolitos pueden ser fuertes, si se disocian totalmente o débiles si se disocianparcialmente. Esto se verá luego en el tema Equilibrio ácido – base. Todas las sales solubles sonelectrolitos fuertes y por lo tanto se disocian totalmente.Practicá ahora la disociación de las siguientes sustancias:a) Ca (OH)2 b) KOH c) Fe (OH)3 d) HBr e) HNO3 f) H2SO4g) K2S h) NaHCO3 i) NH4IO4 j) Cu (NO3)2 k) Na2SO3 l) Fe2 (SO4)31
    • Si tomamos la disociación en agua de una sal, por ejemplo, nitrato cúprico:Cu (NO3 )2 Cu2++ 2 NO3−la ecuación nos dice que por cada mol de la sal se forma un mol de iones cúprico, pero se formandos moles de iones nitrato. Como la sal se disocia totalmente, cuando se disuelve, las especies quese encuentran en solución son los iones. Si preparamos una solución 0,30 M de nitrato cúprico esasolución tendrá una concentración de iones cúprico 0,30 M y una concentración de iones nitrato0,60 M, ya que por cada mol de sal se formarán un mol de iones cúpricos y dos moles de ionesnitrato.¿Cuál será la concentración molar de cationes aluminio y de aniones sulfato en unasolución de sulfato de aluminio 0,25 M?Vemos entonces que cuando se disuelve un electrolito en agua la concentración molar delos iones que quedan en solución puede ser diferente de la concentración molar de las sustanciasque originan dichos iones. Esto depende de la relación entre dichos iones en la fórmula química dela sustancia, la cual, a su vez, depende de la carga de los respectivos iones. Como se vio enNúmero de Oxidación y Nomenclatura, las sustancias iónicas son neutras y por lo tanto la cantidadde cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas. Esto sigue siendo válido al estar losiones disociados en la solución.EQUIVALENTES Y MILIEQUIVALENTESLos profesionales relacionados con las ciencias de la salud necesitan conocer laconcentración de los iones presentes en los fluidos biológicos. Frecuentemente expresan dichaconcentración en equivalentes por litro (Eq/L) o miliequivalentes por litro (mEq/L).En un ión se define la masa equivalente (Meq), que es la masa de un equivalente, como lamasa, en gramos, que porta un mol de carga eléctrica. La masa equivalente es igual a la masamolar dividido la carga eléctrica de dicho ión en valor absoluto o módulo (sin signo), quesimbolizaremos como q.Meq = M / qSi un ión posee una carga eléctrica, como Na+ó NO3−, queda dividido uno y la masaequivalente coincide con la masa molar. Si el ión posee dos cargas eléctricas, como Ca2+ó SO42−,2
    • la masa equivalente será la mitad de la masa molar. La masa molar del ión Ca2+es 40 g/mol y sumasa equivalente es 20 g/Eq.Así como el número de moles es igual a la masa dividido la masa molar, el número deequivalentes será igual a la masa que tengamos (del ión en este caso) dividido la masaequivalente. Si reemplazamos la masa equivalente por la masa molar sobre la carga, queda lamasa sobre la masa molar (que es el número de moles) por la carga eléctrica:m m mnº Eq = = = . q = nº moles . qMeq M / q MSe llega a que el número de equivalentes es igual al número de moles por la carga eléctricaen módulo. Si un ión tiene dos cargas eléctricas (sean positivas o negativas), un mol de ionesserán dos equivalentes; y si tiene 3 cargas, un mol serán 3 equivalentes.Si se conoce la concentración molar, es muy fácil entonces expresar dicha concentración enequivalentes por litro o miliequivalentes por litro.¿Qué es un miliequivalente?Por ejemplo, si en una solución la concentración del ión Ca2+es 10−4M:10 −4mol / L . 2 Eq / mol = 2 10 −4Eq / L2 10 −4Eq / L . 10 3mEq / Eq = 2 10 −1mEq / L = 0,2 mEq / LIntegrando con los conocimientos de disocción de sales, como al disociarse una sal lacantidad de cargas positivas debe ser igual a la cantidad de cargas negativas, en una solución lacantidad total de equivalentes de iones positivos debe ser igual a la cantidad total deequivalentes de iones negativos.Te proponemos ahora que resuelvas el siguiente ejercicio que integra los conocimientos desoluciones.La concentración de una solución de Na2 HPO4 (Mr = 142) es 1,50 10–2% m/v. Calcularla concentración del catión y del anión en: a) molaridad b) Equivalentes por litroc) Miliequivalentes por litro.34
    • Respuestasa) Ca (OH)2 Ca2++ 2 OH–b) KOH K++ OH–c) Fe (OH)3 Fe3++ 3 OH–d) HBr Br−+ H+e) HNO3 NO3−+ H+f) H2SO4 SO42−+ 2 H+g) K2S 2 K++ S2−h) NaHCO3 Na++ HCO3−i) NH4IO4 NH4++ IO4−j) Cu (NO3)2 Cu2++ 2 NO3−k) Na2SO3 2 Na++ SO32−l) Fe2 (SO4)3 2 Fe3++ 3 SO42−Al2 (SO4)3 2 Al 3++ 3 SO42−Al 3+= 0,50 M SO42−= 0,75 M12
    • En cualquier unidad el prefijo mili significa la milésima parte de la misma. Unmiliequivalente es entonces la milésima parte de un equivalente.1 mEq = 0,001 Eq = 10−3Eq ó 1 Eq = 1000 mEq = 103mEqPasamos primero la concentración de % m/v a molaridad.1,5 10 –2g sto./100 cm3sc. ………………………. mol sto./1000 cm3sc.m 1,5 10 –2gn = = = 1,056 10−4molM 142 g/mol100 cm3sc. .................... 1,056 10−4mol sto.1000 cm3sc. .................... 1,056 10−3mol sto.La concentración de la sal, ortofosfato ácido de sodio, es 1,06 10−3M. Para saber laconcentración de sus respectivos iones debemos disociarla:Na2HPO4 2 Na++ HPO42−Como cada mol de sal produce dos moles de iones Na+, la concentración molar de ionessodio será el doble de la concentración molar de la sal, y la concentración molar de anionesortofosfato ácido será igual a la de la sal.a) Na+= 2,11 10−3M HPO42−= 1,06 10−3MComo el catión sodio tiene una sola carga, su concentración en Eq/L será igual a sumolaridad. Para el anión será el doble, ya que tiene dos cargas:para HPO42−: 1,056 10−3mol / L . 2 Eq / mol = 2,11 10−3Eq / Lb) Na+= 2,11 10−3Eq/L HPO42−= 2,11 10−3Eq / L2,11 10−3Eq / L . 103mEq / Eq = 2,11 mEq / Lc) Na+= 2,11 mEq/L HPO42−= 2,11 mEq / L34
    • VARIACION DE LA CONCENTRACION POR DILUCIÓNLic. Lidia IñigoEn el primer tema de la unidad, Soluciones, vimos cuando una solución es más concentradao más diluida. Ahora veremos como se puede variar esa concentración.¿Cómo podemos disminuir la concentración de una solución?El proceso por el cual se disminuye la concentración de una solución se denominaDILUCIÓN¿De qué forma se puede aumentar la concentración de una solución?El proceso por el cual se aumenta la concentración de una solución se denominaCONCENTRACIÓNEn el caso de diluir, o en el caso de mezclar dos soluciones ya formadas, los volúmenes sepueden considerar aditivos. Al diluir, el volumen de la solución final (diluida) será el volumen de lasolución inicial (concentrada) más el volumen de solvente agregado.Se debe tener en cuenta que tanto en el caso de diluir como en el caso de concentrarevaporando el solvente, lo que se está haciendo es, en un caso agregar y en el otro sacarsolvente.¿Qué sucede con la cantidad de soluto que había en la solución original?¿Ha cambiado?Precisamente lo que hay que hacer para resolver cualquier problema de dilución o deconcentración evaporando solvente es calcular la cantidad de soluto. Eso es lo que permiterelacionar las dos soluciones y hacer los cálculos necesarios.231
    • ¿Cómo se hace una dilución en la práctica?El ejemplo típico de una dilución es cuando se quiere hacer una solución de un ácido. Losácidos se venden comercialmente en soluciones concentradas. Si necesitamos preparar 500 ml deuna solución de ácido nítrico (HNO3) de concentración 0,500 M dispondremos de una botella deácido nítrico concentrado comercial en la cual tendremos como datos su concentración que es69 % m/m y su densidad que es 1,0409 g/cm3.Para hacer la dilución en la práctica se toma un recipiente llamado matraz aforado. Existenmatraces aforados de todos los tamaños. En nuestro caso deberemos tomar un matraz aforado de500 ml. La marca en el cuello, denominada aforo, indica que llenando el matraz hasta la misma setiene exactamente el volumen indicado. Se debe medir la cantidad necesaria de soluciónconcentrada con una pipeta, colocarla en el matraz aforado y completar el volumen con agua.Para poder preparar la solución tenemos que resolver el problema de dilución, o sea,debemos calcular qué volumen de solución concentrada necesitamos para preparar la soluciónrequerida.Como dijimos antes lo que nos permite resolver el problema y que relaciona las dossoluciones es que la cantidad de soluto es la misma. En este caso se puede calcular la cantidad desoluto en la solución diluida, la que necesitamos preparar.Matraz aforadoPipetaSi en 1000 ml sc. …….hay……. 0,500 mol sto.en 500 ml sc. ………………. 0,250 mol sto .
    • Este resultado es la cantidad de sto. que permanece constante, por lo tanto es la mismaque debe haber en la sc. concentrada. Al hacer la dilución lo que se agrega es agua, entoncestodo el soluto que se encuentra en la sc. diluida provino de la sc. concentrada. Si ahora calculamosen qué cantidad de solución concentrada se encuentra esa cantidad de sto. ya resolvimos elproblema.Como la concentración de la solución concentrada está dada en % m/m, conviene expresarla cantidad de soluto en gramos. Mr (HNO3) = 63Ahora debemos ir a la solución concentrada y ver en qué cantidad de sc. se encuentra esacantidad de sto.69 g sto. …....están en….... 100 g sc.15,75 g sto. ………………...... 22,83 g sc.Como necesitamos conocer el volumen de la solución y no la masa, lo calculamos con eldato de la densidad.δ = m / V V = m / δ V = 22,83 g / 1,409 g/cm3= 16,20 cm3Por lo tanto para preparar la solución se deben medir en una pipeta 16,20 cm3del ácidoconcentrado, se colocan dentro de un matraz de 500 ml y se lleva a volumen con agua. Seobtienen así 500 ml de una solución 0,500 M de HNO3.Otra forma, que en definitiva es lo mismo, es considerar que el volumen inicial por laconcentración inicial es igual al volumen final por la concentración final. Si se multiplica el volumende la solución por su concentración en las unidades adecuadas se obtiene la cantidad de soluto.Por lo tanto, estamos diciendo lo mismo, que la cantidad de soluto antes y después de diluir esigual.Vi x Ci = Vf x Cf1 mol …………………… 63 g0,250 mol …………………... 15,75 g
    • Se puede utilizar esta fórmula, pero no en todos los casos, y hay que tenermucho cuidado con las unidades. Y en el caso en que se utilice en un problemaque se pide a desarrollar se debe justificar debidamente.Si el volumen se aumenta al doble, o sea que Vf = 2 Vi vemos que Cf = ½ Ci. Se diceentonces que diluimos al medio o que diluimos dos veces. Si el volumen se aumentara 3 veces, laconcentración disminuiría a la tercera parte, y estaríamos diluyendo tres veces.Todos los problemas de dilución o de concentración evaporando solvente se resuelven conel mismo razonamiento. Puede cambiar lo que se está dando como dato y lo que se pretendeaveriguar, pero el razonamiento es el mismo. Se debe calcular la cantidad de soluto, en donde sepueda calcular, ya sea en la solución concentrada o en la diluida. Esa misma cantidad de soluto esla que va estar en la otra solución, de la cual necesito calcular algún dato. Entonces con esacantidad de soluto se va a esa otra solución y se calcula lo que el problema pide.MEZCLA DE SOLUCIONESCuando se mezclan dos soluciones del mismo soluto los volúmenes son aditivos. Pero de lamisma forma que si mezclamos agua 25 ºC con agua a 50 ºC no se obtiene agua a 75 ºC sino quela temperatura será intermedia entre las temperaturas de las dos cantidades de agua que se esténmezclando, las concentraciones de las soluciones que mezclamos no son aditivas y el valor de laconcentración de la solución final será intermedio entre las concentraciones de las soluciones quese mezclan. Ese valor dependerá no solo de los valores de las concentraciones de las solucionesque se mezclan sino también de los volúmenes de dichas soluciones.Para resolver un problema de mezcla de soluciones debemos plantear dos ecuaciones:1) El volumen de la solución final será igual a la suma de los volúmenes de las dossoluciones que se mezclan.2) La cantidad de soluto que hay en la solución final es la suma de las cantidades desoluto que hay en las dos soluciones que se mezclan.Teniendo en cuenta estas dos ecuaciones y fijándose cuáles son los datos y qué es lo quese necesita averiguar se pueden resolver los problemas, veamos un ejemplo:Se mezclan 200 cm3de una solución 0,100 M con otra solución 2,00 M del mismosoluto y se obtienen 500 cm3de solución final. Calcular la concentración de la soluciónobtenida.Llamemos sc. 1 a la solución 0,100 M (C1) de la cual tenemos 200 cm3(V1) y sc. 2 a lasolución 2,00 M (C2). Sabiendo que los volúmenes son aditivos podemos calcular el volumen de lasc. 2 (V2).
    • Vf = V1 + V2 V2 = Vf − V1V2 = 500 cm3− 200 cm3= 300 cm3= 0,300 dm3Sabiendo que el volumen (en dm3) por la concentración molar es igual a la cantidad desoluto (en moles) podemos plantear:V1 . C1 + V2 . C2 = Vf . CfDespejando Cf:V1 . C1 + V2 . C2 0,200 dm3. 0,100 M + 0,300 dm3. 2,00 MCf = = = 1,24 MVf 0,500 dm3CONCENTRACIÓN POR AGREGADO DE SOLUTO SÓLIDOEn el caso de concentrar agregando soluto sólido, salvo que la cantidad agregada seaenorme, cosa que normalmente no sucede, se puede suponer sin tener un error apreciable que elvolumen de la solución no varía (recordá lo visto al principio de la unidad: los volúmenes de solutoy solvente al formar la solución no son aditivos).Si el volumen de la solución no cambia, el cálculo es muy sencillo. Si por ejemplo se conocela concentración y el volumen de la solución inicial, y la cantidad de soluto que se agrega, se debecalcular la cantidad de soluto que hay en la solución inicial y sumarle la cantidad de sto. agregado.Como esa cantidad de sto. total sigue estando en el mismo volumen de solución se puederecalcular su concentración.
    • RespuestasLa forma de disminuir la concentración de una solución es agregando solvente.Hay dos formas en las que se puede aumentar la concentración de una solución:1) Agregando soluto sólido. Si el soluto es sólido se puede agregar a la solución y, salvo quela cantidad agregada sea enorme, cosa que normalmente no sucede, se puede suponer sintener un error apreciable que el volumen de la solución no varía (recordá lo visto al principiode la unidad: los volúmenes de soluto y solvente al formar la solución no son aditivos).2) Evaporando el solvente. Si el soluto es sólido y por lo tanto poco volátil, al calentar lasolución se puede evaporar el solvente, que es líquido y mucho más volátil. De esa manerapodemos “sacar solvente” de la solución.La cantidad de soluto que había en la solución original no cambia, se mantiene constante.En el caso de diluir seguimos teniendo la misma cantidad de soluto pero ahora en mayor cantidadde solvente, por eso la concentración disminuye. En el caso de concentrar evaporando solvente,seguimos teniendo la misma cantidad de soluto pero ahora en menor cantidad de solvente, con locual la concentración aumenta.123
    • GASES IDEALESLic. Lidia IñigoA esta altura de tus estudios seguramente ya sabés que hay muchas sustancias formadaspor moléculas, qué es una molécula, y que una sustancia determinada puede presentarse en tresdistintos estados de agregación.Si pensamos en una sustancia molecular, en el caso más sencillo, en el agua por ejemplo:¿Qué diferencia hay a nivel de cómo se encuentran esas moléculas cuando el aguaestá en estado sólido, líquido o gaseoso?Para que un sistema gaseoso quede correctamente determinado no alcanza simplementecon conocer la masa de gas, o la cantidad de gas (que se mide en moles). Se deben conocer otrastres variables, que son: temperatura, presión y volumen. Un gas no tiene volumen propio, por lotanto ocupará todo el volumen del recipiente que lo contenga. Estas cuatro variables no sonindependientes, lo cual significa que a lo sumo se podrán poner arbitrariamente tres de ellas, y,automáticamente la cuarta quedará fijada. La ecuación que relaciona estas cuatro variables es la:Ecuación General del gas idealP. V = n . R . TLa TEORÍA CINÉTICA DE GASES expresa que las moléculas de un gas están totalmentelibres, sin ninguna interacción entre ellas. Dichas moléculas se mueven con un movimientorectilíneo, chocando entre sí y con las paredes del recipiente con choques elásticos. Las moléculasse consideran puntuales, y el volumen que ocupan dichas moléculas es totalmente despreciablecon respecto al volumen del recipiente que se encuentra ocupando dicho gas.¿Que es un choque elástico?Entonces, un gas ideal es el que cumple con la teoría cinética de gases y por lo tanto con laecuación general de un gas ideal.No siempre los gases cumplen con esta ecuación, un gas real puede no cumplirla.¿Por qué, entonces, estamos utilizando la ecuación para un gas ideal, si un gasreal no la cumple?123
    • Cualquier gas real puede comportarse como ideal dependiendo de las condiciones en quese encuentre. Teniendo en cuenta la ecuación general, matemáticamente puede verse qué sucedecon el volumen al disminuir la temperatura o aumentar la presión: el volumen disminuye.¿Qué pasará con las moléculas al estar cada vez más juntas?Entonces:¿En qué condiciones un gas real se comportará como ideal?Qué son presiones bajas y temperaturas altas depende de cada sustancia en particular, porejemplo el oxígeno a presión atmosférica normal (1 atmósfera) y temperatura ambiente (20 – 25°C) seguramente se comportará como ideal, en cambio el agua a 1 atm. y 150 °C no se comportacomo ideal.¿Por qué el agua a 1 atm. y 150 ªC no se comporta como gas ideal?Cuando se quiere estudiar experimentalmente un gas, al existir cuatro variables, no sepueden cambiar todas juntas, porque no se llegaría a ninguna conclusión. Lo que se puede hacerexperimentalmente es dejar fijas dos de ellas, y ver como varía la tercera en función de la cuarta.Eso fue lo que hicieron Robert Boyle (1627 – 1691) y Edme Mariotte (1620 – 1684) por un lado yJacques A. Charles (1746 – 1823) y Joseph L. Gay Lussac (1778 – 1850) por el otro.¿Cuáles son las variables que quedan como constantes en el experimento de Boyley Mariotte?Si se coloca un gas en un recipiente herméticamente cerrado, con un émbolo móvil (comoel que tienen las jeringas), desde ya, al no poder entrar o salir gas, la cantidad de gas esconstante. Si ese recipiente se mantiene a temperatura constante, colocándolo en un bañotermostático queda constante también la temperatura. Si ahora se colocan pesas sobre el émboloestamos aumentando la presión, intuitivamente se ve que el volumen disminuye.Experimentalmente, si la presión se aumenta al doble el volumen disminuye a la mitad. Este es elexperimento de Boyle y Mariotte. Matemáticamente el producto de la presión por el volumen semantiene constante. P . V = cte. Al hacer el gráfico se obtiene una curva denominada hipérbolaequilátera.4567
    • ¿Cuáles son las variables que quedan como constantes en los experimentos deCharles y Gay Lussac?Si ahora dejamos que nuestro recipiente quede a presión atmosférica (presión constante)quedan constantes la cantidad de gas y la presión. Podemos ver que pasa con el volumen al variarla temperatura. También intuitivamente se ve que al aumentar la temperatura el volumenaumenta. Este es uno de los experimentos de Charles y Gay Lussac.Si se traba el émbolo de manera que no pueda moverse quedan constantes la cantidad degas y el volumen. Nuevamente es fácil intuir que al aumentar la temperatura la presión aumenta.Este es el segundo de los experimentos de Charles y Gay Lussac, y también es lo que sucede enuna olla a presión para cocinar.Al unir estas tres leyes se llega a la llamada:Ecuación de Estado de un gas ideal: P . V / T = cteque comúnmente usamos como: Pi . Vi / Ti = Pf .. Vf /TfAl incorporar como variable la cantidad de gas se llega a la Ecuación General. Fijate quetanto las leyes de Boyle y Mariotte como las de Charles y Gay Lussac y la ecuación de estado noson más que casos particulares de la ecuación general, en los que algunas de las cuatro variablesquedan constantes. Teniendo en cuenta esto, las preguntas que debés hacerte son:¿Puedo usar cualquier ecuación indistintamente en cualquier circunstancia?¿Cuándo es válido usar la ecuación de estado?¿Cuándo es válido usar la ecuación general?89
    • En los experimentos de Charles y Gay Lussac, tanto al graficar V en función de t (°C) a n yP constantes, como al graficar P en función de t (°C) a n y V constantes; se obtiene una recta.¿Cuáles son las expresiones matemáticas de esas rectas?¿Qué son los parámetros a y b?¿Qué sucede al cambiar la escala de temperaturas a T (temperatura absoluta)?Debés asegurarte de conocer las unidades de volumen, temperatura y de presión, y elpasaje entre unidades de una misma magnitud.¿Recordás qué es presión? ¿Qué es un Pascal? ¿A qué es igual?Las preguntas que ahora podrías hacerte son:¿Puedo usar cualquier unidad en las ecuaciones que utilice?Por ejemplo, si se está usando la ecuación de estado:¿Puede ponerse el volumen en cualquier unidad? ¿y la presión? ¿y la temperatura?¿Qué sucede si se está usando la ecuación general?¿Por qué la temperatura debe estar en temperatura absoluta y no en otra unidad,Celsius o Fahrenheit, por ejemplo?Ayuda:: Volvé a los experimentos de Charles y Gay Lussac y a lo que sucede al cambiarla escala de temperaturas. Ahí encontrarás la respuesta.101112131415t ( ºC )V ( dm3))−273 00 273 T ( K )
    • Así como la masa molar es la masa de un mol de cualquier sustancia, el volumen molares el volumen que ocupa un mol de cualquier sustancia. Por lo tanto se puede hablar del volumenmolar tanto de gases, como de líquidos o sólidos. En los gases el volumen molar varía mucho conlas condiciones de presión y temperatura. Observá que la ecuación general nos está diciendo quecualquier gas, siempre que se comporte como ideal, se comporta de la misma manera. Un mol decualquier gas, medido en las mismas condiciones de P y T, debe ocupar el mismo volumen, si nofuera así no se cumpliría la igualdad.Esto mismo, pero enunciado al revés, es lo que se conoce como Hipótesis de Avogadro:volúmenes iguales de diferentes gases, medidos en las mismas condiciones de P y T, tienen elmismo número de “partículas”. La hipótesis de Avogadro habla de partículas porque en elmomento en que fue enunciada no se conocía lo que eran las moléculas, hoy sabemos que esas“partículas” son las moléculas del gas.Las llamadas condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) son 1 atm. y273 K. El valor del volumen molar de cualquier gas ideal en CNPT es 22,4 dm3, y es eldenominado volumen molar normal de un gas ideal.En condiciones distintas de las normales pero iguales para cualquier gas:¿El volumen molar es igual para cualquier gas que sea? ¿Es igual a 22,4 dm3?MEZCLA DE GASES – Ley de Dalton de las presiones parcialesComo todos los gases ideales se comportan de la misma manera, el volumen que va aocupar cualquier gas en las mismas condiciones de P y T depende solamente del número demoles, o lo que es lo mismo del número de moléculas. Si se tiene una mezcla de gas A y gas B, noimporta de qué gas sean las moléculas, solamente importa el número total de ellas. La ecuacióngeneral se transforma en:Ptot . V = (nA + nB). R . TPasando de término el volumen y aplicando propiedad distributiva se llega a:Ptot = nA . R. T / V + nB . R .T / VEsta ecuación es suma de dos términos, que son la presión que tendría el gas A si ocuparasólo el mismo volumen y a la misma temperatura y lo mismo para el gas B. Estas son las que sedefinen como presión parcial del gas A y presión parcial del gas B en la mezcla.16
    • LA PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS EN UNA MEZCLA es la presión queejercería ese gas si ocupara el mismo volumen que la mezcla a la misma temperatura.PA = nA . R. T / V y PB = nB . R. T / VVenos que la presión total es igual a la suma de las presiones parciales de los gases A y B.Ptot = PA + PBLEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES: la presión total es igual ala suma de las presiones parciales de todos los gases que componen la mezcla.Cuando se resuelve un problema de mezcla de gases hay dos caminos posibles. Unoes utilizar la ecuación Ptot . V = (nA + nB ). R . T y el otro es utilizar presiones parciales.FRACCIÓN MOLARLa fracción molar es una forma expresar la composición de una mezcla, que es muyutilizada en el caso de mezclas gaseosas.Para una mezcla de las sustancias A, B, y C; se define la fracción molar de A como el nº demoles de A sobre el nº de moles totales.nAXA =nA + nB + nCDe la misma forma se puede definir la fracción molar de B y de C.
    • Se deben tener en cuenta tres cosas importantes con respecto a la fracción molar:A. Se esta dividiendo moles sobre moles, con lo cual resulta un número adimensional,que no tiene unidades.B. Se está dividiendo un número de moles por ese mismo número más otros númerosde moles, con lo cual el número resultante siempre será menor que uno.C. Si se suman todas las fracciones molares vemos que, sacando divisor común :nA + nB + nCXA + XB + XC = = 1nA + nB + nCPor lo tanto la suma de todas las fracciones molares de los componentes dela mezcla es igual a 1.Podemos decir entonces que la fracción molar es un tanto por uno en moles, o sea, quefracción hay de cada componente de la mezcla en el total de un mol de todos los gases queforman la mezcla.Si tomamos una mezcla de gases A y B podemos plantear:Ptot = (nA + nB) . R . T/V y PA = nA . R . T/VDividiendo miembro a miembro estas dos ecuaciones se simplifica el factor R . T / V y sellega a:Ptot (nA + nB) 1= = Reordenando: PA = Ptot . XAAPA nA XAAPor lo tanto vemos que la presión parcial de un gas puede calcularse como el producto dela presión total por su fracción molar. O también podría calcularse la fracción molar de un gas enuna mezcla como el cociente entre la presión parcial y la presión total.
    • RespuestasEn el estado sólido esas moléculas están unidas por fuerzas que hacen que se mantenganunidas, ésas son las fuerzas intermoleculares. Se encuentran muy juntas y además ordenadas, loque hace que el sólido tenga tanto volumen propio como forma propia.En el estado líquido siguen existiendo fuerzas intermoleculares, pero ahora son másdébiles, lo que hace que las moléculas en un líquido tengan movilidad y el líquido fluya. El líquidosigue teniendo volumen propio, pero ya no tiene forma propia.En el estado gaseoso, las moléculas están totalmente libres, sin interacción entre ellas, porlo tanto no existen las fuerzas intermoleculares. Un gas ya no tiene ni forma ni volumen propios.Es un choque en el cual se conserva la energía cinética total.No es que un gas real no cumpla la ecuación general de un gas ideal, sino que la puedecumplir en determinadas condiciones.Comienza a haber interacciones entre ellas, comienzan a sentirse las fuerzasintermoleculares que luego harán que esas moléculas se unan y la sustancia pase al estadolíquido.1234
    • Un gas real se comportará como ideal a bajas presiones y altas temperaturas.Porque el agua en esas condiciones está muy cerca de las condiciones en que se licua, osea de su punto de ebullición. Por lo tanto habrá interacciones fuertes entre sus moléculas aunquese encuentre en estado gaseoso. En cambio el oxígeno a presión atmosférica normal ytemperatura ambiente se encuentra muy lejos de su punto de ebullición y no hay interaccionesentre sus moléculas.Cantidad de gas y temperatura.Cantidad de gas y presión en uno, y cantidad de gas y volumen en el otro.No. La ecuación de estado sólo es válida si entre el estado inicial y el final la cantidad degas permanece constante. La ecuación general es válida en cualquier circunstancia porqueinvolucra las cuatro variables.56789
    • En forma general cualquier recta en los ejes cartesianos x e y tiene la expresión:y = a . x + b. En este caso las expresiones son: V = a . t (°C) + b y P = a . t (°C) + bSon constantes para esa recta determinada, a se denomina pendiente (da idea de lainclinación de la recta) y b se denomina ordenada al origen porque es el valor que toma y cuandox vale 0.Es como correr el eje de las y, ahora la recta pasa por el origen. Se eliminó la ordenada alorigen (b). Con esta nueva escala tanto V como P son directamente proporcionales a T.Presión es fuerza por unidad de superficie. El Pascal es la unidad de presión en el sistemainternacional de medida. Es igual a una fuerza de un Newton sobre una superficie de un metrocuadrado.10111213
    • En la ecuación de estado el volumen y la presión pueden ponerse en cualquier unidad,siempre que se respete poner la misma unidad en el estado inicial y el final. No sucede lo mismocon la temperatura, que debe estar en temperatura absoluta, tanto en la ecuación de estado comoen la general, o en cualquiera de las ecuaciones vistas. En la ecuación general las unidades devolumen y presión dependen de las unidades de la constante molar de un gas ideal (R), comonosotros utilizamos R con unidades de dm3atm. / K mol el volumen deberá estar en dm3y lapresión en atm.La temperatura debe estar en temperatura absoluta porque las expresionesmatemáticas que se usan sólo son válidas si la temperatura está en Kelvin, al eliminar laordenada al origen que quedaba con la temperatura en Celsius se obtiene una expresiónmatemática más sencilla, y tanto V como P son directamente proporcionales a latemperatura en Kelvin, pero no en otra unidad.El volumen molar de cualquier gas ideal será el mismo siempre que se mida en las mismascondiciones de P y T, pero no tiene por qué ser igual a 22,4 dm3, salvo por casualidad.Es un error muy común que los alumnos pongan el valor de 22,4 dm3como volumen molarcuando las condiciones en que está el gas son distintas de las normales.141516
    • REACCIÓNES QUÍMICASLic. Lidia IñigoEs importante que entiendas el concepto de lo que es una reacción química. Para elloprimero debés conocer la diferencia entre lo que es un cambio físico y un cambio químico. Estogeneralmente se ha visto en el secundario. Si no lo viste, contestá intuitivamente la siguientepregunta y después mirá la respuesta.¿Cuál es la diferencia entre un cambio físico y un cambio químico?La disolución de una sal en agua ¿qué tipo de fenómeno es, físico o químico?En una reacción química se debe tener en cuenta que la mínima unidad de una sustanciaes una molécula o una unidad de fórmula mínima. Si conocemos la fórmula química de lassustancias que reaccionan, denominadas reactivos y de las que se forman una vez ocurrida lareacción, denominadas productos podemos representar el cambio químico que ocurre en unaecuación química, donde los reactivos se escriben a la izquierda, la flecha representa la reaccióny los productos se escriben a la derecha. Por ejemplo la reacción entre hidrógeno y nitrógenopara dar amoníaco se representa:H2 + N2 NH3Para que ocurra la reacción química deben romperse los enlaces en las moléculas denitrógeno y de hidrógeno y volverse a unir los átomos de manera diferente para formar moléculasde amoníaco.Una reacción química es una recombinación de los átomos, que estaban unidos dedeterminada manera formando las sustancias llamadas reactivos, para unirse de maneradiferente y formar sustancias distintas, denominadas productos.Pero vemos que una molécula de nitrógeno y una molécula de hidrógeno no pueden formaruna molécula de amoníaco. Si tenemos en cuenta la ley de conservación de la masa de Lavoisier,pensando que en una reacción química los átomos siguen siendo indivisibles e indestructiblescomo se creía en un principio, podemos ver que, como tenemos dos átomos de nitrógenonecesitaremos tres moléculas de hidrógeno para que reaccione una molécula de nitrógeno y seformen dos moléculas de amoníaco.12
    • Podemos representarlo de la siguiente manera:3 H2 + N2 2 NH3Ahora la ecuación nos dice que tres moléculas de hidrógeno reaccionan con una moléculade nitrógeno para formar dos moléculas de amoníaco. Esa misma relación se sigue manteniendosi en lugar de moléculas hablamos de moles de moléculas.Lo que acabamos de hacer con la reacción tomada como ejemplo es balancear oequilibrar la ecuación. Como se cumple la ley de conservación de la masa, vemos que todos losátomos que están del lado de los reactivos deben seguir estando del lado de los productos.Controlando esto para cada elemento se puede balancear una ecuación sencilla por lo que sellama método de tanteo o “a ojo”. Al balancear la ecuación se obtienen los números que sedenominan coeficientes estequiométricos (en el caso de ser 1, como en el nitrógeno, no sepone).Los coeficientes estequiométricos dan la proporción en la que reaccionan losreactivos y la proporción que se obtiene de productos, dadas en moles.Según la ley de las proporciones constantes de Proust, esta proporción es constante. Esosignifica que siempre que reaccionen hidrógeno y nitrógeno para dar amoníaco lo van a hacer enesa proporción, tres moles de hidrógeno por cada mol de nitrógeno. Precisamente que esarelación sea constante es lo que permite hacer los cálculos estequiométricos.En las ecuaciones más complicadas es muy difícil balancear por tanteo, por eso existenmétodos para balancear ecuaciones. Uno de esos métodos es el método algebraico, que sirve paratodo tipo de reacciones. Otro método que es específico para reacciones de óxido-reducción queocurren en medio acuoso es el método del ión-electrón.No entran dentro del alcance de este curso los métodos de balance deecuaciones, eso significa que si deben balancear alguna ecuación será losuficientemente sencilla como para poder balancearla por tanteo.Las reacciones químicas se pueden clasificar en distintos tipos, por ejemplo: decombinación o síntesis, de descomposición, de combustión, de neutralización, de precipitación y deóxido reducción o redox. Estos son algunos de los tipos de reacciones más comunes y esconveniente que los conozcas. Hay que tener en cuenta que una misma reacción se puedeclasificar según más de un tipo distinto, por ejemplo la reacción entre hidrógeno y nitrógeno paraformar amoníaco, que tomamos como ejemplo, es una reacción de síntesis pero también es una
    • reacción de óxido-reducción. Solamente haremos una aclaración en dos de los casos y veremosmás específicamente las reacciones de óxido-reducción o redox.Una reacción de neutralización, es la reacción entre un ácido y una base. Los ácidos losconocés por nomenclatura. Si no conocés lo que es una base por ahora no te preocupes, se verácuando se vea Equilibrio Ácido – Base. Las bases inorgánicas son los hidróxidos y el amoníaco, porlo que en la mayoría de los casos de neutralización entre sustancias inorgánicas estas reaccionesse pueden expresar de la forma en que probablemente hayas visto en el secundario:ácido + hidróxido sal + H2OEn las reacciones de precipitación, fijate que, tanto los reactivos como los productos sontodos sales. En el tema Soluciones Acuosas de Compuestos Iónicos, en Electrolitos y DisociaciónIónica, se vio que las sales al disolverse en agua se disocian en sus respectivos iones. Si todas lassales fueran solubles no se podría escribir ninguna reacción, simplemente estarían los ionesdisociados en el agua y no se podría saber “quién está con quién”. La reacción ocurre porque unode los productos es insoluble en agua y se separa como sólido (precipita), de ahí su nombre.Ejemplificando:KNO3 + NaCl No ocurre reacciónK++ NO3–+ Na++ Cl–K++ NO3–+ Na++ Cl–KCl + Ag NO3 KNO3 + AgClK++ Cl –+ Ag++ NO3–K++ NO3–+ Ag Cl (precipitado blanco)Reacciones RedoxLa palabra oxidación nos resulta familiar en la vida diaria. Históricamente deriva dereacción con el oxígeno, pero no podemos definir oxidación como reacción con el oxigeno porqueexisten muchas reacciones en las que ocurren oxidaciones y sin embargo no interviene el oxigeno.¿Qué es lo que usualmente vemos y decimos que se oxidó?El hierro metálico reacciona con el oxígeno formando óxido férrico.Fe + O2 F2 O33
    • ¿Está balanceada esta ecuación? ¿Cómo habría que balancearla?Para saber qué es lo que le pasó al hierro para decir que se oxidó debemos poner losnúmeros de oxidación correspondientes.Te proponemos que pongas los números de oxidación antes de ver la respuestacorrecta.Vemos que el hierro aumentó su número de oxidación, para que ocurra dicho cambio elhierro perdió electrones. El oxígeno disminuyó su número de oxidación, con lo cual ganóelectrones.La oxidación se define como la pérdida de electrones, cuando un elemento se oxidapierde electrones y por lo tanto aumenta su número de oxidación.La reducción se define como la ganancia de electrones, cuando un elemento sereduce gana electrones y por lo tanto disminuye su número de oxidación.Notá que cuando en una reacción ocurre una oxidación también ocurre una reducción. Nopuede haber algo que se oxide si no hay algo que se reduce y viceversa.¿Qué tendríamos que hacer para saber si una reacción determinada es redox?Si al calcular los números de oxidación en una ecuación encontrás que hay doselementos que aumentan su número de oxidación y ninguno que lo disminuye¿A qué conclusión debés llegar?En una reacción redox tenés que saber identificar quién se oxida y quién se reduce. Peromuchas veces no se habla de quién se oxida y quién se reduce sino que se habla de agenteoxidante y agente reductor.El agente oxidante es el que se reduce, ya que es el que hace que el otro se oxide.El agente reductor es el que se oxida, ya que es el que hace que el otro se reduzca.4567
    • Además, tanto dentro del agente oxidante como dentro del agente reductor se puedendistinguir una forma o especie oxidada y una forma o especie reducida.La forma o especie oxidada es la de mayor número de oxidación.La forma o especie reducida es la de menor número de oxidación.Es importante que sepas que cuando se pregunta, por ejemplo quién se oxida, o quién esel agente reductor lo correcto es contestar la especie tal cual se encuentra en solución. Tomemosuna reacción como ejemplo:MnO2 + HCl MnCl2 + H2 O + Cl2Balancea y asigná los números de oxidación en la ecuación anterior e identificá agenteoxidante, agente reductor, forma oxidada y forma reducida de cada uno.Aunque te parezca que esto no tiene relación con la vida cotidiana, todo tiene que ver conla química. Por ejemplo, cuando nos teñimos el cabello estamos haciendo una reacción redox ennuestra cabeza. Habrás notado que en muchos envases de tintura capilar viene un recipiente quedice crema oxidante.El agente oxidante en las tinturas capilares es el agua oxigenada (H2O2 ). El aguaoxigenada puede pasar a H2O o a O2 . Si es el agente oxidante ¿A cuál de ellos pasa?Como el balance de ecuaciones redox no forma parte del programa delcurso, lo que se evaluará es la parte conceptual que se acaba de explicar.89
    • RespuestasEn un cambio físico no hay alteración de la materia que forma del sistema material enestudio, es decir, no cambian las sustancias que componen dicho sistema material.En un cambio químico existe una alteración íntima de la materia, con un cambio en lassustancias que forman el sistema material en estudio.La disolución de una sal en agua es un cambio físico.Lo que usualmente vemos y decimos que se oxidó es el hierro metálico.No está balanceada.4 Fe + 3 O2 2 F2 O31234
    • 0 0 +3 –24 Fe + 3 O2 2 F2 O3Para saber si una reacción es redox se deben poner los números de oxidación de todos loselementos, tanto en los reactivos como en los productos, y ver si hubo cambios en los mismos. Sino existen cambios en los números de oxidación de ninguno de los elementos no se trata de unareacción redox.No puede haber dos elementos que se oxiden y ninguno que se reduzca, por lo tanto laconclusión es que te equivocaste al calcular los números de oxidación.567
    • +4 −2 +1 −1 +2 −1 +1 −2 0MnO2 + 4 HCl MnCl2 + 2 H2 O + Cl2Ag. Oxidante MnO2 Mn+2F. oxidada F. reducidaAg. Reductor Cl −Cl2F. reducida F. oxidadaSi ante la pregunta de quién es el agente reductor contestaste “el Cloro” la respuesta esincorrecta. Es verdad que el cloro es el elemento que se oxida, pero al decir el cloro sin ningunaaclaración se supone que es Cl2, y éste no es el agente reductor, la respuesta correcta es el ióncloruro (Cl−) o el ácido clorhídrico (HCl). De igual manera el agente oxidante es el MnO2, se colocala especie tal cual está porque es insoluble y no se disocia.Observá también que el agente oxidante es el que se reduce, por lo tanto es lógico quepase de su forma oxidada a su forma reducida. De igual manera el agente reductor, que se oxida,pasa de su forma reducida a su forma oxidada.Si es el agente oxidante significa que se reduce. En el H2O2 el Nº de oxidación del oxígenoes −1, en el H2O es −2, y en el O2 es 0. Para reducirse debe pasar a H2O (de −1 a −2).89
    • CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOSLic. Lidia IñigoDijimos en el tema anterior que los coeficientes estequiométricos dan la proporción en laque reaccionan los reactivos expresada en moles y la proporción que se obtiene de productostambién en moles. Esa proporción o relación se llama relación estequiométrica, y de acuerdocon la ley de Proust es constante para una determinada reacción.Al conocer la relación estequiométrica dada por los coeficientes estequiométricos se puedecalcular cuanto de uno o de más productos se obtiene a partir de una determinada cantidad dereactivos, o a la inversa, si se quiere obtener una determinada cantidad de producto, de quecantidad de reactivos se debe partir. Estos son los cálculos estequiométricos, que es muyimportante realizar, tanto en el laboratorio como en la industria.De más está decir que para cualquier cálculo estequiométrico se parte de la base dela relación estequiométrica y que para ello la ecuación debe estar balanceada. Es totalmenteincorrecto hacer un cálculo estequiométrico con una ecuación que no esté balanceada.Siguiendo con el ejemplo de la síntesis de amoníaco:3 H2 + N2 2 NH3La relación estequiométrica nos dice que 3 moles de hidrógeno reaccionarán con 1 mol denitrógeno para formar dos moles de amoníaco.Conociendo esta relación podemos, mediante una simple proporción (regla de tres simple),hacer cualquier cálculo que necesitemos. Los primeros problemas de la Guía de Ejercitación sonpara que practiques esto, antes de profundizar en el tema.En el ejemplo anterior: ¿qué pasaría si los reactivos que se ponen a reaccionar noestán en la relación estequiométrica? Por ejemplo si se ponen a reaccionar 3 moles dehidrógeno con dos moles de nitrógeno, ¿se formará más producto?Para que compruebes si realmente entendiste cómo una ecuación representa la reacciónquímica que ocurre te proponemos que hagas el siguiente ejercicio.1
    • Dados los siguientes esquemas en los que y representan respectivamenteátomos de hidrógeno y de cloro, seleccionar entre las ecuaciones que figuran acontinuación la o las que corresponden a la reacción representada en los mismos.Explicar en los casos en que no es correcta la razón por lo cual no lo es.a) Cl + H HClb) 5 Cl2 + 5 H2 10 HClc) 8 Cl2 + 5 H2 10 HCl + 3 Cl2d) Cl2 + H2 2 HClReactivo Limitante (RL)Acabamos de ver que cuando los reactivos se colocan a reaccionar en una relación distintade la estequiométrica hay un reactivo que se consume totalmente y uno o más reactivos quequedan en exceso. El reactivo que se consume totalmente es el reactivo limitante, y es elque está en defecto con respecto a la relación estequiométrica. No necesariamente tiene que serel que está en menor cantidad en masa o en moles, observá que en el ejemplo de la síntesis deamoníaco, en la pregunta 1, se ponían a reaccionar 3 moles de hidrógeno con 2 moles denitrógeno y sin embargo el reactivo limitante era el hidrógeno.El concepto de reactivo limitante es exactamente el mismo que se utiliza en cocina cuandoqueremos hacer cualquier preparación. Si queremos hacer una torta y tenemos menos cantidad dealguno de los ingredientes, no podemos hacer la receta completa, debemos ajustar lasproporciones a ese ingrediente y hacer una torta más chica.Supongamos que queremos preparar triples de jamón y queso. Cada sándwich necesitauna feta de jamón, una feta de queso y tres tapas de pan. Si disponemos de 21 tapasde pan, 10 fetas de jamón y 15 fetas de queso ¿Cuántos sándwiches podremos preparar?¿Cual es el ingrediente que limita la cantidad de sándwiches obtenida?¿Por qué es tan importante el reactivo limitante? ¿Qué es lo que limita? ¿Podemoshacer un cálculo estequiométrico a partir de cualquiera de los reactivosindistintamente?234
    • Si las cantidades de reactivos no están en la relación estequiométrica debemos averiguarquién es el reactivo limitante, y hacer los cálculos estequiométricos a partir de éste. En general noes fácil darse cuenta a simple vista y hay que calcular cuál es el reactivo limitante. Esto se hace enbase a la relación estequiométrica como cualquier otro cálculo. Expliquémoslo a partir de unejemplo.De acuerdo con la reacción siguiente calcular la masa de Cu formada si se ponena reaccionar 20 g de amoníaco con 150 g de CuO.Mr 17 79,5 63,52 NH3 + 3 CuO N2 + 3 H2O + 3 CuRelac. Esteq. 2 mol 3 mol 1 mol 3 mol 3 mol34 g 238 g 190,5 gDatos e incóg. 20 g 150 g m = ?Observá que se planteó un cuadro a partir de la ecuación. Se escribió la relaciónestequiométrica en moles y se dejó el lugar para ponerla en masa si es necesario. Debajo secolocaron los datos y las incógnitas. Esta forma de plantear los problemas que puede parecerinnecesaria en este ejemplo sencillo, es muy útil en los problemas más complicados, porquecuando hay muchos datos es necesario ser ordenado, de lo contrario uno siempre terminaolvidándose de algo. Además tiene la ventaja de que al tener la relación estequiométrica tanto enmoles como en masa se puede plantear el cálculo para obtener el resultado directamente en laforma que se pida, moles con moles, moles con gramos, etc.Debemos calcular primero quién es el reactivo limitante:Si 34 g NH3 …..reaccionan con……... 238 g CuO20 g NH3 …..reaccionarán con…... 140 g CuOEn esta regla de tres lo que se calculó es la cantidad de CuO que habría que tener para quetodo el amoníaco que se puso reaccionara. Para que el total del amoníaco reaccionara senecesitaría tener 140 g, pero la cantidad que se puso en realidad de CuO es 150 g, esto significaque el CuO está en exceso y que el reactivo limitante es el NH3.Podríamos haber planteado el cálculo al revés, pero se llegaría a la misma conclusión:Si 238 g CuO …..reaccionan con…........ 34 g NH3150 g CuO …..reaccionarán con….. 21,4 g NH3Para que todo el CuO que pusimos reaccionara se necesitaría tener 21,4 g de NH3, perosólo se pusieron a reaccionar 20 g, con lo cual el NH3 es el reactivo limitante.Es muy importante que interpretes este razonamiento para calcularcorrectamente el reactivo limitante. Una vez calculado el reactivo limitante se hacen loscálculos estequiométricos a partir del mismo, en la forma acostumbrada.
    • Pureza de ReactivosEs prácticamente imposible tener una sustancia que sea absolutamente pura, aún losmejores reactivos tienen impurezas. En los reactivos que se venden comercialmente estánespecificadas, no solamente la cantidad de impurezas sino cuales son las mismas. La pureza de losreactivos se da como porcentaje, si se dice que un reactivo tiene 90 % de pureza, eso significaque por cada 100 g que se tomen habrá sólo 90 g que corresponden al reactivo y 10 g son deimpurezas.No se puede hacer un cálculo estequiométrico con un reactivo que esté impuro,porque estaríamos haciendo el cálculo como si todo lo que ponemos fuera reactivo puro, cuandoen realidad no lo es. Si se conoce la pureza del reactivo el cálculo es muy sencillo, siguiendo connuestro ejemplo, si ahora los 150 g de CuO tuvieran un 80 % de pureza simplemente hay quecalcular el 80% de 150.Mr 17 79,5 63,52 NH3 + 3 CuO N2 + 3 H2O + 3 CuRelac. Esteq. 2 mol 3 mol 1 mol 3 mol 3 mol34 g 238 g 190,5 gDatos e incóg. 20 g 150 g m = ?80% psi el 100% .......son….. 150 gel 80% …………... 120 gLa pregunta que surge es ¿Podemos calcular el reactivo limitante con un reactivoimpuro? En este caso ¿Cuál es el reactivo limitante?Rendimiento de ReacciónEn la práctica también es imposible que en una reacción se obtenga el total de productocalculado teóricamente a partir de la relación estequiométrica.Esto sucede por muchas razones:Puede ser que no se conozca la pureza de un reactivo; en ese caso la única posibilidad estomarlo como si fuera puro, si en realidad no lo está se obtendrá menos producto del calculado.Puede ser que aunque en el envase esté especificada la pureza, sea un reactivo que sedescompone, y entonces si el reactivo tiene algún tiempo de comprado la pureza indicada ya no esla real.Puede suceder que la reacción no solamente de el producto que nos interesa, sino que porreacciones laterales se formen productos minoritarios. Como se están gastando reactivos en laformación de productos minoritarios que no tenemos en cuenta, la cantidad de producto obtenidaserá menor a la calculada.5
    • Otra razón por la cual no se obtiene el total del producto calculado es que el sistema en elque ocurre la reacción llegue a un equilibrio. Es el tema que estudiaremos a continuación enEquilibrio Químico. Cuando el sistema llega al equilibrio, es como si la reacción se parara antes determinar; quedan reactivos sin reaccionar y se obtiene menos producto del calculado.Además todos los imponderables que sucedan al realizar la reacción también se englobandentro del rendimiento de reacción. Por ejemplo que se derrame una pequeña cantidad; o si elproducto es un gas, que debe recogerse en un recipiente cerrado, que haya una fuga en elrecipiente y se pierda algo del gas.Aunque ninguna de todas estas cosas suceda, el producto se obtiene dentro de un mediode reacción, y hay que aislarlo y purificarlo. Este proceso implica, necesariamente, la pérdida dealgo de ese producto.El rendimiento de reacción se indica normalmente como porcentaje. Ese porcentaje esrespecto al total calculado teóricamente. Si decimos que una reacción tiene un rendimiento del 90%, eso significa que por cada 100 g de producto que indicara el cálculo teórico que debemosobtener, en realidad se obtienen 90 g.Si se conoce el rendimiento de la reacción el cálculo es muy sencillo, lo que hay que haceres calcular la cantidad de producto que se obtendría con un 100 % de rendimiento y en últimotérmino calcular lo realmente obtenido con el rendimiento dado como dato.Continuando con nuestro ejemplo, si ahora la reacción tuviera un rendimiento del 90 %,una vez calculado el RL calcularíamos la masa de cobre formada de la siguiente manera:Mr 17 79,5 63,52 NH3 + 3 CuO N2 + 3 H2O + 3 CuRelac. Esteq. 2 mol 3 mol 1 mol 3 mol 3 mol34 g 238 g 190,5 gDatos e incóg. 20 g 150 g 90 % R m = ?80% p238 g CuO ................ 190,5 g Cu 100 % rend. ................... 96,05 g Cu120 g CuO ................ 96,05 g Cu 90 % rend. ................... 86,4 g CuEl rendimiento de la reacción es global para toda la reacción, todos los productos obtenidosestán obtenidos con ese rendimiento. Si ahora quisiéramos calcular la cantidad de agua formadadeberíamos hacer lo mismo que en el caso del cobre, y así para todos los productos obtenidos.Ésta es la forma de trabajar en lo que se denomina un problema directo. En este tipo deproblemas a partir de los datos de los reactivos se debe calcular la cantidad de productos.¿Cuál es el orden que se debe seguir para resolver un problema de estequiometríadirecto?6
    • Cálculo del rendimiento de reacciónEn la práctica no se conoce el rendimiento de reacción, precisamente porque involucracualquier imponderable que ocurra en el momento de realizarla. Normalmente, tanto en ellaboratorio como en la industria, lo que se hace es medir la cantidad de producto obtenida a partirde una determinada cantidad de reactivos y con ello calcular el rendimiento de reacción.En los problemas donde hay que calcular el rendimiento de reacción tenemos entonces losdatos de los reactivos y el dato de por lo menos uno de los productos obtenidos. El dato delproducto es la cantidad real obtenida, y se obtuvo con el rendimiento de reacción que se pretendeaveriguar.Para resolver el problema entonces se debe calcular, a partir de los datos de los reactivos,la cantidad del producto dado como dato, que se habría obtenido si la reacción tuviera el 100 %de rendimiento. Comparando este resultado con el realmente obtenido se puede calcular elrendimiento de la reacción.Tomemos un problema como ejemplo:Al hacer reaccionar 90,0 g de una muestra de aluminio (90,0 % de pureza) con5,00 dm3de solución de HCl 2,00 M se obtienen 55,0 dm3de H2 (g) a 25 ºC y 1,60 atm.según la ecuación: Al + HCl AlCl3 + H2 (g). Calcular el rendimiento de lareacción y la masa de AlCl3 formada.Para empezar balanceamos la ecuación y planteamos el problema:27,0 133,52 Al + 6 HCl 2 AlCl3 + 3 H2 (g)2 mol 6mol 2 mol 3 mol54,0 g 267 g90,0 g 5,00 dm3R% = ? m = ? 55,0 dm390,0 % p 2,00 M 25 ºC 1,60 atm.Exactamente de la misma forma que se hace en un problema directo debemos calcular lacantidad de moles de H2 que se obtendrían si la reacción tuviera un rendimiento del 100%.Primero calculamos la cantidad de reactivos puros:si el 100 % …..son.…. 90,0 g si en 1 dm3sc. …..hay….. 2,00 mol HClel 90 % …..son..… 81,0 g en 5 dm3sc. …..hay….. 10,0 mol HClCalculamos el RL:si 54,0 g Al …….reaccionan con……. 6 mol HCl81,0 g Al …….reaccionan con…… 9 mol HCl
    • Como se pusieron a reaccionar 10 mol de HCl, eso implica que el HCl está en exceso y elRL es el Al.54,0 g Al …….producen………... 3 mol H281,0 g Al ..……producen……. 4,50 mol H2Si la reacción tuviera un 100 % de rendimiento habríamos obtenido 4,5 mol H2. Calculamosla cantidad obtenida realmente porque no está dada en forma directa.P. V = n . R . T n = P. V / R . T1,60 atm. . 55,0 dm3n = = 3,601 mol0,082 dm3. atm / K . mol . 298 Ksi 4,50 mol H2 …….se obtienen con…….... 100% R3,601 mol H2 …...se obtienen con…...... 80,0 % RSi quisiéramos calcular la masa de AlCl3 obtenida a partir de los reactivos tendríamos quetener en cuenta el rendimiento de reacción calculado. Pero hay una forma más sencilla y segurade averiguarla (ya que no puede haber arrastre de error) y es a partir de la cantidad de H2, queestá dada como dato. Ya que esa cantidad es la real que se obtuvo y ya tiene en cuenta elrendimiento de la reacción, no se necesita volver a hacerlo.Si cuando se obtienen 3 mol H2 …...se producen….... 267 g AlCl3cuando se obtienen 3,601 mol H2 ……se producen...... 320 g AlCl3Cuando se calcula un producto a partir del dato de otro de los productos, no hace faltatener en cuenta el rendimiento de reacción, porque el dato del producto obtenido es el real, ytiene involucrado el rendimiento de la reacción.
    • Problemas InversosCuando se debe calcular algo sobre un reactivo a partir del dato de algún productoobtenido eso es lo que se denomina un problema inverso. Se llama así porque los pasos que sedeben seguir para resolverlo son en el orden inverso al de un problema directo. Estos son losúltimos problemas que aparecen en la Guía de Ejercitación.Son ejemplos de problemas inversos cuando se pide calcular la pureza de un reactivo, ocuando se debe calcular la masa de un reactivo impuro (de determinada pureza) que se necesitapara obtener una determinada cantidad de producto.Como el dato que se tiene es de un producto, y es la cantidad real obtenida, el primer pasoantes de poder calcular de qué cantidad de reactivo provino es averiguar lo que se habría obtenidode ese producto si la reacción tuviera 100 % de rendimiento. Como ves, el primer paso es elrendimiento de la reacción, el último en un problema directo. Luego se calcula de qué cantidad dereactivo puro provino esa cantidad de producto y por último se calcula la pureza del reactivo o lacantidad de reactivo impura.Veamos un ejemplo numérico:Se ponen a reaccionar 119 g de una muestra impura de Cu con exceso de HNO3 yse obtienen 28,8 g de H2O con un rendimiento del 80,0 % según la reacción indicadaabajo. Calcular la pureza de la muestra de Cu utilizada y el número de moles de NOformados.63,5 183 Cu + 8 HNO3 2 NO (g) + 3 Cu (NO3)2 + 4 H2O3 mol 8 mol 2 mol 3 mol 4 mol190,5 g 72 g119 g (imp) exc. R = 80,0 % n = ? 28,8 g% P = ?Si con 80,0 % R ……se obtuvieron…… 28,8 g H2Ocon 100 % R ……se obtendrían……... 36 g H2OSi 72 g H2O ……se forman a partir de…… 190,5 g Cu36 g H2O ……se forman a partir de…… 95,25 g CuLa masa de Cu calculada (95,25 g) es la masa de Cu que reaccionó, por lo tanto es lacantidad que se encuentra en los 119 g de muestra impura.En 119 g muestra ……hay…… 95,25 g Cuen 100 g muestra ……hay…..… 80,0 g Cu 80,0 % P
    • Como en el ejemplo anterior es mejor calcular el número de moles de NO obtenidos apartir del dato de la cantidad de H2O, ya que incluye el rendimiento de reacción.Cuando se obtienen 72 g H2O ……se forman…… 2 mol NOcuando se obtienen 28,8 g H2O …..se forman….. 0,8 mol NO¿Se habría podido resolver este problema si el Cu no fuera el reactivo limitante?Preguntas teóricasEn los problemas suelen aparecer preguntas teóricas como por ejemplo si al variar lacantidad de un reactivo o al variar su pureza la cantidad de producto obtenida es la misma ocambia. Para contestar dichas preguntas, tanto en este como en otros temas, no hace falta másque un razonamiento lógico. Puede ser que al principio te cueste, pero con la práctica también seadquiere la capacidad deductiva.En el caso que acabamos de dar como ejemplo hay que tener en cuenta que el RL es elque limita la cantidad de producto obtenida, si se aumenta la cantidad o la pureza del RLaumentará la cantidad de producto formado. Pero si se aumenta la cantidad de un reactivo queesté en exceso, simplemente se logrará tener un exceso mayor, pero la cantidad de productoobtenida será la misma. De igual forma si se disminuye la cantidad de reactivo en exceso, lacantidad de producto será la misma mientras no se disminuya tanto que pase a ser él el RL. Si sedisminuyera en una cantidad tal que pasara a ser el RL, entonces la cantidad de producto obtenidasería menor.7
    • RespuestasComo la proporción es constante los 3 moles de hidrógeno reaccionarán con un mol denitrógeno y una vez que reaccionaron no puede continuar la reacción ya que no queda máshidrógeno para reaccionar. Se obtendrá la misma cantidad de amoníaco (2 moles), pero quedaráun mol de nitrógeno sin reaccionar.Si los reactivos se ponen a reaccionar en una relación que no es la estequiométrica habráun reactivo que reaccione completamente y uno o más reactivos que queden en exceso.a) No es correcta porque el hidrógeno y el cloro no existen como átomos aislados, susmoléculas son diatómicas, como se ve en la representación. Dijimos que la mínima unidad de unasustancia es una molécula, por lo tanto se debe escribir en la ecuación su fórmula molecular.b) Es exactamente lo que se ve representado en el esquema I, pero no es correcta porquesi tomáramos 3 moles de cloro más 3 moles de hidrógeno que dieran 6 moles de HCl, o 7 mássiete que dieran 14 habría que escribir una ecuación diferente. Por más que la relación es lamisma, los coeficientes estequiométricos siempre deben expresarse en la mínimarelación, cualquier múltiplo de la misma sigue cumpliéndola.c) Es exactamente lo que se ve representado en el esquema II, pero tampoco es correcta.Vemos que en este esquema quedan moléculas de cloro sin reaccionar. Nuevamente tendríamosque escribir una ecuación diferente si sobrara más o menos cloro, o si quedara hidrógeno enexceso. Por lo tanto el exceso de reactivos no debe incluirse en la ecuación, porque es uncaso particular y la ecuación debe representar la reacción que ocurre en general,abarcando todos los casos particulares.d) Es la ecuación correcta, representa la reacción que ocurre en general y no en un casoparticular. Notá que representa tanto al esquema I como al II.12
    • Podremos preparar solamente 7 sándwiches. El ingrediente que limita la cantidadobtenida son las tapas de pan, ya que necesitamos 3 tapas para cada sándwich. Sobraránentonces 3 fetas de jamón y 8 fetas de queso. El “reactivo limitante” en este caso son las tapasde pan.El reactivo limitante es tan importante porque es el que limita la cantidad de producto que seobtiene. No podemos hacer un cálculo estequiométrico a partir de un reactivo que esté enexceso porque se estaría presuponiendo que reaccionó en su totalidad y en realidad no lo hizo.La cantidad de producto calculada sería incorrecta y mayor a la real.No se puede calcular el reactivo limitante con un reactivo que esté impuro. Si calculamos elRL en este caso vemos que para que reaccionaran totalmente los 20 g de NH3 necesitaríamostener 140 g de CuO. Si lo compararamos con los 150 g de CuO (impuros) el CuO estaría en excesoy el RL sería el NH3, lo cual es incorrecto. En realidad se pusieron a reaccionar 120 g de CuO(puros), con lo cual tenemos menos cantidad de lo que necesitaríamos, El CuO es el RL.Fijate que si se calcula el RL con un reactivo impuro se puede llegar a la conclusión erróneade que el RL es el que en realidad está en exceso.345
    • El orden que se debe seguir para resolver un problema directo es:1) Verificar si la ecuación está balanceada y si no lo está balancearla.2) Tener en cuenta la pureza de los reactivos. O si la cantidad de reactivo no estadada directamente, calcularla.3) Calcular el reactivo limitante.4) Hacer los cálculos estequiométricos en base al RL.5) Tener en cuenta el rendimiento de la reacción.Recién después de balancear la ecuación, calcular la cantidad de reactivos puros y calcularel RL, se puede empezar a resolver el problema.No, si el Cu no fuera el RL no se podría resolver el problema; porque la cantidad quereaccionó no correspondería al total de Cu que hay en la cantidad de muestra impura que se puso,y no se podría saber cuanto quedó sin reaccionar.67
    • EQUILIBRIO QUÍMICO EN FASE GASEOSALic. Lidia IñigoHabíamos señalado en el tema Cálculos Estequiométricos, de la unidad ReaccionesQuímicas, que una de las causas por las cuales una reacción no tiene un rendimiento del 100 % esque el sistema llegue a un estado de equilibrio, y que cuando esto pasa, parece que la reacciónhubiera finalizado antes de que se consuma totalmente el reactivo limitante. Cuando un sistemaen el cual ocurre una reacción química evoluciona hacia el equilibrio, lo que sucede es que ocurrensimultáneamente la reacción directa y la inversa, los reactivos se convierten en productos(reacción directa), pero los productos también reaccionan entre sí regenerando los reactivos(reacción inversa). Este tipo de reacciones se denominan reacciones reversibles. Cuando lasvelocidades de ambas reacciones se igualan el sistema llega al equilibrio, y las concentraciones,tanto de reactivos como de productos, permanecen constantes, por lo que parece que la reacciónse hubiera detenido. Eso es lo que se llama un equilibrio dinámico. Para que un sistema llegueal equilibrio, el mismo debe ser cerrado. Un sistema cerrado es un sistema que puede intercambiarenergía pero no materia con el medio que lo rodea.Para entender mejor este concepto usaremos una analogía: supongamos que en unahabitación cerrada se encuentran veinte personas, pero existen solamente quince sillas. Sipensamos que inmediatamente que una persona se pone de pie otra se sienta, y que esto ocurrecontinuamente, veremos que siempre hay quince personas sentadas y cinco paradas. Si nopudiéramos identificar a cada persona en particular, parecería que nadie se movió, perocontinuamente están parándose y sentándose personas.Cuando un sistema está en equilibrio sus propiedades macroscópicas (presión,composición, temperatura) no cambian a lo largo del tiempo, pero los procesos microscópicos (lareacción en nuestro caso) continúan, compensándose de manera tal que no hay cambiosmacroscópicos.Pueden llegar a un equilibrio no sólo los sistemas en los que ocurre una reacción química(equilibrio químico). A determinadas presiones y temperaturas existe un equilibrio entre las fasesde una misma sustancia en diferentes estados de agregación, si la misma se encuentra en unrecipiente cerrado. Esto se denomina equilibrio de fases (equilibrio físico). Otro ejemplo deequilibrio físico es un equilibrio de solubilidad. La cantidad de soluto que puede disolverse en unadeterminada cantidad de solvente, a una temperatura determinada, tiene un límite; se diceentonces que la solución está saturada y su concentración es lo que se denomina solubilidad deese soluto en ese solvente a esa temperatura determinada. Si se agrega más soluto a esasolución saturada, éste no se disuelve, por más tiempo que lo dejemos, queda un precipitadosólido. Si medimos la concentración de la solución veremos que es siempre la misma, si medimosla cantidad de sólido también es la misma. Pareciera que lo que ha quedado sólido no cambia, y loque se disolvió sigue disuelto; pero lo que sucede es que existe un equilibrio dinámico entre elsólido precipitado y la solución. Continuamente lo que está sólido se disuelve y lo que está ensolución precipita como sólido; como ocurren las dos cosas con la misma velocidad las variablesmacroscópicas (concentración de la solución, masa de sólido) no se modifican, o, dicho en unlenguaje no académico, “de afuera parece que no pasara nada”. Este equilibrio dinámico es lo quepermite el envejecimiento de los precipitados, que hace que se produzcan cristales más grandes ymejor formados.
    • Si una reacción es reversible, ocurren entonces tanto la reacción directa como lainversa, por eso en la ecuación que la representa se simboliza con una doble flecha.Tomemos como ejemplo la siguiente reacción:A + B C + DCi 1 M 1 M 0 0Si esta reacción es reversible, A y B reaccionarán para formar C y D, pero a su vez C y Dreaccionarán para formar A y B. Si inicialmente comenzamos con una concentración 1 M de A y 1M de B, estos comenzarán a reaccionar. Pero cuando se forman C y D estos también comenzarána reaccionar para formar A y B. Si se hace un gráfico de concentración en función del tiempovemos que, según la estequiometría de la reacción, cuando reacciona un mol de A reacciona unmol de B; por lo que en moles A y B disminuyen en igual cantidad. Por la misma razón C y Dtambién se forman en cantidades molares equivalentes. Como se comenzó con la mismaconcentración para A y para B, sus curvas serán coincidentes. De la misma manera es igual lacurva para C y D. Utilizaremos corchetes para simbolizar concentraciones molares.Conc. (M)1 M[A] y [B][C] y [D]tPara que se formen una molécula de C y una de D deben chocar, y reaccionar, unamolécula de A con una de B. La velocidad con que reaccionen A y B será proporcional al númerode choques. Cuanto mayor sea la concentración, mayor será la probabilidad de choques, por esola velocidad será proporcional a la concentración. Podemos decir entonces que si tanto la reaccióndirecta como la inversa ocurren en un solo paso (chocan las moléculas y se forma el producto), lavelocidad de la reacción directa será proporcional a la concentración de A por la concentración deB, y la velocidad de la reacción inversa será proporcional a la concentración de C por laconcentración de D.v = k [A] . [B] v = k’ [C] . [D]¿Cómo variará la velocidad de la reacción directa en función del tiempo? ¿Y la de lareacción inversa?1
    • Si se hace un gráfico de las velocidades en función del tiempo se ve que llega un momento en quelas velocidades se igualan. Cuando las velocidades se igualan se llega al estado de equilibrio.vvvteq tPor lo tanto el tiempo que transcurre hasta que las dos velocidades se igualan es el tiempoque el sistema tarda en llegar al equilibrio (teq). A partir de dicho tiempo el sistema estará enequilibrio.Es importante que sepas interpretar los gráficos, ya que pueden estarcomo parte de los datos de un problema, o se te puede pedir que los hagas. Losgráficos son cualitativos, salvo los valores iniciales y de equilibrio, pero haypautas que se deben respetar, como forma de las curvas, proporción entre lasmismas (aunque no sea exacta) y tiempo en que las curvas llegan al equilibrio.¿Dónde habría que marcar en el gráfico de concentraciones en función del tiempo eltiempo que tardó el sistema en llegar al equilibrio?Como en el equilibrio las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualanpodemos plantear:v = v k [A] . [B] = k’ [C] . [D] k [C] . [D]= = KCk’ [A] . [B]Donde como k y k’ son constantes, KC también es una constante.KC es la constante de equilibrio de la reacción. En KC siempre van lasconcentraciones en el equilibrio. Por una cuestión de facilidad en el cálculo se trabaja conconcentraciones molares. Como k y k’ dependen de la temperatura, KC depende de latemperatura.Dijimos que k y k’, las constantes de las velocidades de reacción, son proporcionales a lacantidad de choques; y lo que normalmente sucede es que al aumentar la temperatura, aumentala energía cinética de las moléculas, estas se mueven más rápidamente y aumenta la cantidad de2
    • choques y por lo tanto la velocidad de reacción. Por lo que k y k’ son constantes siempre que latemperatura sea constante, dependen de la temperatura, por eso KC depende de la temperatura.Esta sencilla deducción de la constante de equilibrio de una reacción a partir de lasvelocidades de reacción no siempre es posible, hay que tener en cuenta que tanto la reaccióndirecta como la inversa deben ocurrir en un solo paso. Además en muchos casos la única manerade obtener una expresión para la velocidad de una reacción es experimental. La idea es que comose definió el equilibrio dinámico a través de las velocidades de las reacciones directa e inversa,vean que existe una relación entre dichas velocidades y la constante de equilibrio.El hecho de que no siempre se pueda deducir la constante de equilibrio a partir de lasvelocidades de reacción no importa, ya que la constante de equilibrio de una reacción siempretendrá la misma expresión.KC es el producto de las concentraciones de los productos elevadas a sus respectivoscoeficientes estequiométricos, sobre el producto de las concentraciones de los reactivoselevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos (n).el producto de [P]nKC =el producto de [R]nPor convención se llama productos a lo que está escrito a la derecha de laecuación, o sea que el KC se determina para la reacción según está escrita la ecuación. Sila ecuación se escribiera en sentido inverso, su constante de equilibrio, KC´, sería lainversa:KC´ = 1 / KC .Es muy fácil, entonces, poder escribir la expresión de la constante de equilibrio decualquier reacción.¿Cuál es la expresión de la constante de equilibrio para siguiente reacción?2 A + B 2 C + 3 DObservá que como las concentraciones molares están elevadas a sus respectivoscoeficientes estequiométricos, la unidad de KC variaría para cada reacción en particular. En el casode la reacción tomada para hacer la deducción de KC, A + B C + D, quedaría sinunidad, y en el caso de la reacción de la pregunta anterior quedaría molaridad al cuadrado. Poresta razón, en la práctica KC se expresa sin unidades.¿Cuáles son las tres cosas importantes que debés recordar con respecto a la constantede equilibrio de una reacción?El que KC sea constante significa que no importa de qué estado inicial se parta, el sistemava a llegar al estado de equilibrio, y una vez en él el valor de KC será constante siempre y cuandola temperatura sea constante. Se puede partir de distintas concentraciones de reactivos, se puedepartir inicialmente de distintas concentraciones de los productos, se puede poner inicialmente34
    • algunos o todos los reactivos y los productos, siempre el sistema va a llegar al equilibrio, y lasconcentraciones que queden en el equilibrio no serán iguales, pero si el valor de KC.En este curso se estudiarán solamente equilibrios en fase homogénea, o sea, equilibriosque ocurren en una sola fase. Todos los ejercicios de práctica son reacciones en fase gaseosa,donde tanto reactivos como productos son gases que se encuentran en un recipiente cerrado. Porlo tanto la concentración molar se puede calcular como el número de moles de una sustanciadeterminada (sea reactivo o producto) dividido el volumen del recipiente, siempre que dichovolumen esté expresado en dm3.A partir del gráfico de concentraciones en función del tiempo podemos deducir si unareacción es completa (podría llegar teóricamente a un rendimiento de 100 %) o es reversible.Si para la reacción A + 2 B C el gráfico de concentraciones enfunción del tiempo es el siguiente, ¿se trata de una reacción completa o es reversible?¿Debemos poner la flecha en un solo sentido que indica que la reacción es completa, ola doble flecha que indica es reversible?Conc. (M)2[A]1[B][C]tDe acuerdo con los datos que se pueden extraer del gráfico, y teniendo en cuenta laestequiomertría de la reacción ¿Cuáles serían las concentraciones una vez terminadala reacción si consideramos que se trata de una reacción completa?Si el sistema llega a un estado de equilibrio, es como si no reaccionaran completamente losreactivos, deben quedar todos los reactivos en el equilibrio, por lo tanto el reactivo limitantetendrá una concentración mayor que cero. Entonces las concentraciones de los reactivos seránmayores que si la reacción fuera completa y se formarán menos productos, sus concentracionesserán menores que si la reacción fuera completa.A + 2 B CCi (M) 2 2 0si fuera equilibrio: Ceq (M) > 1 > 0 < 1Viendo el gráfico podemos apreciar que se trata de un equilibrio, ya que la [A] se hizoconstante antes de llegar a 1 M, la [B] se hizo constante antes de llegar a 0, y la [C] se hizoconstante antes de llegar a 1M.5
    • ¿Qué es lo que mide la constante de equilibrio de una reacción? Podemoscontestar esta pregunta si tenemos en cuenta que KC se define como el producto de lasconcentraciones de los productos sobre el producto de las concentraciones de los reactivos.Cuanto mayor sea la cantidad de productos, y menor la cantidad de reactivos que quedan en elequilibrio, mayor será el valor de KC. Una KC grande indica que, una vez alzado el equilibrio, seformó mucho de los productos y quedó muy poco de los reactivos. Por el contrario si KC es muychica indica que en el equilibrio se formó muy poco de los productos y quedó mucho de losreactivos, o sea que la reacción está muy lejos de completarse.KC es una medida de cuanto se completa una reacción, cuanto mayor sea KC , máscerca de ser una reacción completa estará esa reacción.En el caso de tener como dato las concentraciones en el equilibrio, el hallar el valor de KCes muy sencillo, simplemente se debe plantear la expresión de KC, reemplazar por los valores yhacer el cálculo.En ciertos casos se puede calcular el valor de KC sin necesidad de conocer el volumen delrecipiente, por ejemplo en la reacción: 2 NO (g) N2 (g) + O2 (g) si planteamos laexpresión de KC nos queda:[N2] . [O2]KC =[NO]2Siendo un equilibrio en fase gaseosa, podemos reemplazar las concentraciones molares porel número de moles dividido el volumen del recipiente en dm3.n N2 / V . n O2 / V n N2 . n O2KC = =(n NO)2/ V2(n NO)2Como podemos ver en la fórmula, el volumen del recipiente se simplifica; por lo cual esposible calcular el valor de KC sin necesidad de conocerlo. Esto sucede cuando no hay cambio en elnúmero total de moles del sistema. Dicho de otra manera, cuando la suma de los coeficientesestequiométricos del lado de los reactivos es igual a la suma de los coeficientes estequiométricosdel lado de los productos, ya que el volumen queda elevado a dichos coeficientes estequiométricosen el cálculo de KC.El conocer las concentraciones en el equilibrio no es lo habitual. Normalmente se parte dedeterminadas concentraciones iniciales y se deja que el sistema alcance el estado de equilibrio. Enese caso se deben calcular las concentraciones que quedan en el equilibrio. Para ello se parte de larelación estequiométrica, y se hace un planteo teórico de las concentraciones que quedan en elequilibrio. Ese planteo también puede hacerse con moles en lugar de concentraciones, pero hayque acordarse al calcular KC, que debe dividirse cada número de moles por el volumen elevado asu respectivo coeficiente estequiométrico.Veamos un ejemplo:2 A + B 2 C + 3 DCi (M) CA CB CC 0Ceq (M) CA − 2 x CB − x CC + 2 x 3 x
    • En este caso, como la concentración inicial de uno de los productos (D) es cero, no puedeocurrir reacción entre C y D. Para llegar al equilibrio el sistema evoluciona hacia la formación deproductos. No sabemos cuanto de D se va a formar, pero seguro que en el equilibrio debe haberalgo de D. Como siempre, llamamos x a algo desconocido; en este caso llamamos 3 x a lo quequeda de D en el equilibrio, que es igual a lo que se formó, porque la concentración inicial eracero.Si nos fijamos en la relación estequiométrica, cuando se forman 3 moles de D se formantambién 2 moles de C; por lo tanto, si se forman 3 x de D, se formarán 2 x de C. En el equilibrioquedará la concentración inicial de C más los 2 x que se formaron. Repitiendo el razonamiento;cuando se forman 3 moles de D, tienen que haber reaccionado 2 moles de A; si se formaron 3 xde D, reaccionaron 2 x de A; por lo tanto en el equilibrio quedará la concentración inicial de Amenos los 2 x que reaccionaron para formar producto. De la misma forma se llega a que laconcentración de B en el equilibrio será CB − x.Es mucho más conveniente llamar 3 x y no simplemente x a lo que se forma de D porsencillez en el cálculo; fijate se si hubiéramos llamado x a lo que se forma de D, de C se formaríandos tercios de x, quedarían números fraccionarios y el cálculo sería más complicado.Si en el reactivo o producto que utilizamos para comenzar el planteo ponemosla x con el coeficiente estequiométrico que tiene en la ecuación, en todos los reactivosy productos la x queda con el mismo coeficiente estequiométrico que tiene esereactivo o producto en la ecuación.Este planteo teórico es lo más importante y la base de todo el temaequilibrio, ya que todos los problemas se basan en el mismo.Las posibilidades que se pueden dar en los problemas son:1 – Que se conozca una de las concentraciones (o moles) en el equilibrio y se pidacalcular el valor de KC, para lo cual se necesitan calcular las demás concentraciones en elequilibrio. Teniendo el valor de una de las concentraciones en el equilibrio, al igualarlo a lo quequeda en el planteo teórico, se puede calcular el valor de x. Una vez conocida x pueden fácilmentecalcularse las otras concentraciones en el equilibrio y el valor de KC. También se pueden dar datosa través de un gráfico o pedir que se haga el gráfico una vez hallados los valores.2 – Que se tenga el valor de KC como dato y se pida calcular todas las concentracionesen el equilibrio, cosa que es relativamente sencilla de hacer si en el planteo de KC se llega hastauna ecuación cuadrática en x. En este caso hay que hacer el pasaje de términos hasta llegar a unaecuación cuadrática de la forma a x2+ b x + c = 0 y luego utilizar su fórmula de resolución:−b ± b2− 4 a . cx =2 aResolvamos un problema que es ilustrativo como ejemplo:Para la reacción en fase gaseosa: 3 D2 + A2 2 AD3Kc ( 300 °C ) = 8,6 10–2Si el sistema evoluciona según el gráfico:
    • Moles4AD32,4tiempoCalcular la concentración inicial de A2 que se colocó en un recipiente de 2,0 dm3si la concentración inicial de D2 era 1,5 M.Debemos comenzar por hacer el planteo teórico teniendo en cuenta los datos que nosproporciona el gráfico. El mismo indica que inicialmente se colocaron 4 moles de AD3 y como elrecipiente tiene un volumen de 2 dm3, la concentración es 2 M. Además en el gráfico los moles deAD3 disminuyen con el tiempo, de lo cual se deduce que el sistema evolucionó hacia la formaciónde reactivos para llegar al equilibrio. Eso está indicando que del lado de los reactivos debemossumar las x (se forman, en el equilibrio queda más de lo que había inicialmente) y del lado de losproductos deberemos restarlas (reacciona, en el equilibrio queda menos de lo inicial). El gráficotambién marca los moles de AD3 que quedaron en el equilibrio, son 2,4 moles, con lo cual suconcentración será 1,2 M.3 D2 + A2 2 AD3Ci (M) 1,5 Ci = ? 2Ceq (M) 1,2Ceq (M) 1,5 + 3 x Ci + x 2 − 2 x (planteo teórico)Vemos que la concentración en el equilibrio de AD3, que teóricamente llamamos 2 − 2 x es1,2 M. Por lo tanto 2 − 2 x = 1,2 y x = (2 − 1,2) / 2 = 0,40 M. Conociendo x podemoscalcular la concentración de D2 en el equilibrio: [D2] = 1,5 + ( 3 . 0,4) = 2,7 M.Planteamos la constante de equilibrio:[AD3 ]2(1,2)2KC = = = 8,6 10–2[D2 ]3. [A2 ] (2,7)3. (Ci + 0,4)Notá que aunque la reacción neta que ocurre hasta que el sistema llega al estado deequilibrio es hacia la formación de reactivos, la constante de equilibrio se plantea en el sentido queestá escrita la ecuación (tomando a AD3 como producto), porque la KC que se da como dato es dela ecuación como está escrita.Despejamos Ci:(1,2)21,44= Ci + 0,40 Ci = − 0,40 = 0,45 M(2,7)3. 8,6 10 –219,683 . 8,6 10 –2
    • RespuestasAl ser las concentraciones de A y B máximas a tiempo 0, e ir disminuyendo con el tiempo,la velocidad de la reacción directa será máxima a tiempo 0, e irá disminuyendo. Como lasconcentraciones de C y D son 0 a tiempo 0, y van aumentando, la velocidad de la reacción inversaes 0 a tiempo 0, y va aumentando con el tiempo.En el equilibrio las concentraciones quedan constantes. Entonces se llega al equilibriocuando las concentraciones, tanto de reactivos como productos comienzan a ser constantes.Conc. (M)1[A] y [B][C] y [D]teq t[C]2. [D]3KC = donde las concentraciones son en el equilibrio.[A]2. [B]123
    • Las tres cosas importantes que deben recordarse con respecto a KC son:1) Las concentraciones son en el equilibrio, y utilizamos concentraciones molares.2) depende solamente de la temperatura.3) Se expresa sin unidades.A + 2 B CCi (M) 2 2 0si fuera reacción completa: Cf (M) 1 0 1Si consideramos que la reacción es completa, de acuerdo con la estequiometría de lareacción se ve que hay un reactivo limitante, que es B, y que va a reaccionar completamente, porlo tanto su concentración final será cero. A es el reactivo en exceso, y queda una concentración 1M. Se formará por lo tanto una concentración 1M del producto C.45
    • EVOLUCIÓN DE UN SISTEMA HACIA EL EQUILIBRIOLic. Lidia IñigoSiempre que en un sistema donde ocurre una reacción reversible se coloquen inicialmentelas sustancias que reaccionan, como para que la reacción se inicie, el sistema va a llegar al estadode equilibrio. Se pueden poner inicialmente los reactivos (por convención se denomina reactivos alos escritos a la izquierda en la ecuación), podemos partir de los productos, o podemos colocarinicialmente los reactivos y algunos de los productos, o los productos y algunos de los reactivos; ose puede iniciar la reacción con todos los reactivos y todos los productos (como se indica en elesquema siguiente); siempre el sistema va a alcanzar el equilibrio. Esto significa que el estado deequilibrio es alcanzable en ambos sentidos, y sin importar de qué concentraciones iniciales separta. Si algunos de los productos o de los reactivos no se coloca inicialmente (su concentraciónes cero) no existe otra alternativa más que el sistema evolucione hacia la formación del mismopara llegar al equilibrio, ya que los demás productos (o reactivos) no pueden reaccionar si hayalguno que falta. Veamos lo dicho en el siguiente esquema:A + 2 B 3 C + DC i (M) CA CB 0 0 hacia la formación de productosC i (M) CA CB 0 CDC i (M) 0 0 CC CD hacia la formación de reactivosC i (M) CA 0 CC CDC i (M) CA CB CC CD ¿......?Pero: ¿qué sucede si inicialmente se colocan todos los reactivos y todos los productos comoen el último caso del ejemplo? A priori no podemos saber cómo va a evolucionar el sistema paraalcanzar el equilibrio. Eso depende de los valores que tengan esas concentraciones iniciales. Sinembargo hay una manera sencilla de poder saber cuál va a ser la reacción neta que se producirá(directa o inversa) hasta que el sistema llegue al estado de equilibrio. Es mediante el cálculo de loque llamamos QC.El cociente de reacción QC tiene la misma expresión que KC , pero se puededeterminar en cualquier momento de la reacción.Esto significa que las concentraciones que se colocan en la expresión matemática de QC sonlas concentraciones en cualquier momento y no necesariamente una vez alcanzado el equilibrio.Como lo que usualmente se conocen son las concentraciones iniciales, es habitual calcular QC condichas concentraciones. Para la reacción de nuestro ejemplo:[C]3. [D] CC3. CDQC = = (concentraciones iniciales)[A] . [B]2CA . CB2
    • QC no es una constante, como lo es KC , va ir variando con el tiempo hasta que,cuando se llegue al equilibrio, coincidirá con el valor de KC .Por lo tanto si al calcular QC se encuentra que su valor es menor que KC, eso significa quepara llegar al equilibrio, donde los valores de KC y QC son iguales, el valor de QC debe aumentar, ypor lo tanto deben aumentar las concentraciones de los productos (numerador) y disminuir las delos reactivos (denominador). El sistema evolucionará hacia la formación de productos. Por elcontrario, si el valor de QC es mayor que el de KC, para llegar a igualar el valor de KC (lo que ocurreal alcanzar el equilibrio), QC debe disminuir, con lo cual deben disminuir las concentraciones de losproductos y aumentar las de los reactivos. El sistema evolucionará hacia la formación de reactivos.El cálculo de QC también permite saber si un sistema, en el cual se encuentrandeterminadas concentraciones de reactivos o productos, está o no en equilibrio. Si el sistema seencuentra en equilibrio el valor de QC será igual al de KC.Resumiendo:QC < KC hacia la formación de productosQC = KC el sistema está en equilibrioQC > KC hacia la formación de reactivos
    • PRINCIPIO DE LE CHATELIERLic. Lidia IñigoHasta ahora hemos visto que un sistema en el que ocurre una reacción química reversiblellega a un estado de equilibrio, cómo calcular su constante de equilibrio y las concentraciones quequedan en el mismo. Ahora veremos que pasa si a un sistema que está en equilibrio lo sacamosde ese estado de equilibrio.¿De qué manera podemos sacar de su estado de equilibrio a un sistema que seencuentra en él?Si por alguna perturbación externa sacamos del equilibrio a un sistema que se encontrabaen él, el sistema evolucionará nuevamente hacia el equilibrio. Ese equilibrio al que llega el sistemano es igual al equilibrio inicial, sino que es un nuevo equilibrio, ya que las concentraciones, tantode reactivos como de productos, son distintas.La pregunta que inmediatamente surge es: ¿hacia dónde evolucionará el sistema parallegar a su nuevo estado de equilibrio? La respuesta a esta pregunta depende de lo que hayamoshecho para sacar al sistema de su equilibrio inicial.Existe un principio que permite predecir cualitativamente hacia dónde va a evolucionar elsistema para llegar a su nuevo equilibrio, es el principio de Le Chatelier, y su enunciado es elsiguiente:Si a un sistema que se encuentra inicialmente en equilibrio se lo somete a unaperturbación externa, el sistema evolucionará en el sentido de disminuir el efecto de dichaperturbación.Podemos analizar entonces que sucederá en cada caso:Agregar o sacar reactivos o productos (a temperatura constante).Si aumentamos la concentración de un reactivo, según el principio de Le Chatelier, elsistema evolucionará de manera de tratar de contrarrestar el cambio que se le produce, por lotanto evolucionará de manera de disminuir la concentración del reactivo que se agregó, y habráuna reacción neta hacia la formación de productos hasta alcanzar el nuevo estado de equilibrio.¿Qué sucede con el valor de la constante de equilibrio cuando se agregan o sacanreactivos o productos a temperatura constante?También se puede hacer el razonamiento a partir de la expresión de QC: si aumenta laconcentración de un reactivo, disminuye el valor del cociente, ya que su concentración forma partedel denominador. En este nuevo estado el valor de QC es menor que el de KC y el sistemaevoluciona hacia la formación de productos.12
    • ¿Cómo evolucionará un sistema en equilibrio si agregamos un producto?Una aplicación práctica del principio de Le Chatelier es cuando se desplaza el estado deequilibrio de un sistema sacando un producto del medio de reacción. Por ejemplo la reacción entreun ácido carboxílico y un alcohol para formar el éster es reversible (si no conocés la nomenclaturade química orgánica podés verla en el tema Compuestos Orgánicos, Nomenclatura e IsomeríaEstructural; aunque no es imprescindible para el ejemplo).R−COOH + R´−OH R−COO−R´ + H2OSi tanto el ácido como el alcohol son de cadena larga, y por lo tanto poco volátiles, sepuede destilar el agua del medio de reacción. Al hacer esto el sistema evoluciona hacia laformación de productos. Si se continúa destilando el agua obtenida se sigue desplazando el estadode equilibrio y se logra que una reacción que en principio no podría llegar a completarse, secomplete, logrando el máximo rendimiento.Variación del volumen (y la presión) a temperatura constante.Otra forma de sacar a un sistema (en fase gaseosa) de su estado de equilibrio es variar elvolumen del recipiente. Al variar el volumen del recipiente manteniendo la temperatura constante,variará la presión (recordá que se cumple la teoría cinética de gases y por lo tanto la ecuacióngeneral de un gas ideal).Existen dos formas en que se puede analizar este caso:A - Si se disminuye el volumen del recipiente, aumenta la presión. Como el sistemaevolucionará de manera de disminuir dicha perturbación, lo hará en el sentido en que se produzcamenor número de moles, lo que hace disminuir la presión. El número de moles y la presión sondirectamente proporcionales.Por ejemplo en la reacción de síntesis de dióxido de carbono, cuya ecuación es:2 CO + O2 2 CO2Si se disminuye el volumen del recipiente el sistema evolucionará hacia la formación deproductos, ya que formando productos disminuye el número de moles totales (hay mayor cantidadde moles cuando sólo están presentes los reactivos que cuando se forma el producto).En las reacciones que ocurren sin cambio en el número de moles totales al pasar dereactivos a productos (donde señalamos que se podía calcular KC sin conocer el volumen delrecipiente), un cambio en el volumen del recipiente no afecta el estado de equilibrio, es decir, nosaca al sistema de su estado de equilibrio.B - Otra forma de analizar esta situación es pensando que una disminución en el volumenimplica un aumento en todas las concentraciones (tanto de reactivos como de productos) como elsistema evoluciona de manera de minimizar el efecto producido, hasta alcanzar el equilibrio habráuna reacción neta en el sentido en que se produzca menor numero de moles, porque de esa formadisminuyen las concentraciones.3
    • Variación de la temperatura.Para poder analizar lo que sucede al variar la temperatura en un sistema en equilibrio,debemos saber que hay reacciones que ocurren con liberación de energía (en forma de calor) yreacciones en las cuales se necesita entregar energía para que ocurran.Una reacción es EXOTÉRMICA cuando al formarse los productos se libera calor.Por el contrario una reacción es ENDOTÉRMICA cuando al formarse los productos se“consume” calor, o sea se necesita entregar energía al sistema para que se formenproductos.Debemos aclarar que en una reacción reversible, si la reacción que ocurre en el sentidoque se escribe la ecuación (recordá que es convención denominar productos a lo escrito a laderecha) es exotérmica, cuando la reacción ocurre en el sentido inverso será endotérmica.Si en un sistema que está en equilibrio, donde ocurre una reacción exotérmica, se aumentala temperatura; el sistema evolucionará de manera tal de disminuirla para contrarrestar dichaperturbación, por lo tanto la reacción se verá favorecida en el sentido en el cual se “consume”energía, para ello debe evolucionar hacia la formación de reactivos.Si en un sistema que está en equilibrio, donde ocurre reacción exotérmica, se disminuye latemperatura; el sistema evolucionará de manera de disminuir el efecto de esta perturbación,tratando de aumentar la temperatura. Para ello debe liberarse calor, y por lo tanto, se producirá laformación de productos hasta llegar a un nuevo estado de equilibrio.¿Qué sucede con la constante de equilibrio de la reacción en el caso de variar latemperatura?¿Qué pasa en un sistema en equilibrio, cuya reacción es endotérmica, si se aumentala temperatura o si se disminuye la misma?Cuando al cambiar la temperatura, el sistema evoluciona hacia la formación de productos,significa que en el nuevo estado de equilibrio al que se llega hay mayor concentración deproductos y menor de reactivos, por lo tanto, si tenemos en cuenta la expresión de KC, su valoraumenta. Si al cambiar la temperatura el sistema evoluciona hacia la formación de reactivos, en elnuevo estado de equilibrio al que se llega habrá mayor concentración de reactivos y menor deproductos, eso implica que el valor de KC disminuye.Podemos resumir el efecto de variación de la temperatura en el siguiente esquema:Reacción exotérmica Reacción endotérmicaT hacia reactivos KC T hacia productos KCT hacia productos KC T hacia reactivos KC45
    • Te recomendamos no memorizar este esquema (que no es unajustificación) sino razonar los cambios que se producen en un sistema enequilibrio utilizando los conceptos teóricos (principio de Le Chatelier y expresiónde KC ).En los ejercicios de aplicación del principio de Le Chatelier cuando hay variación de latemperatura, existen dos posibles tipos de enunciados:1) Que se de como dato que la reacción es exotérmica o endotérmica y se pregunte hacia dóndeevolucionará el sistema al aumentar o disminuir la temperatura.2) Que se de cómo dato hacia dónde evolucionó el sistema, o cómo varió el valor de KC, y sepregunte si la reacción es endotérmica o exotérmica.En todos los ejercicios de aplicación del principio de Le Chatelier lo importante es lajustificación. Para que tengas un ejemplo más de justificación te proponemos que resuelvas elsiguiente ejercicio y luego verifiques si lo justificaste correctamente.El NO2 , gas pardo rojizo, se combina consigo mismo para formar N2O4 , incoloro. Unamezcla que está en equilibrio a 0 °C es casi incolora, mientras que a 100 °C toma uncolor rojizo. Indicar si la reacción 2 NO2 N2O4 es endotérmica oexotérmica, justificando la respuesta.En la práctica, una modificación de la temperatura puede ser útil para obtener una mayorcantidad de producto. Una reacción exotérmica conviene realizarla a la menor temperaturaposible, ya que a menor temperatura es mayor el valor de KC y por lo tanto mayor será elrendimiento de la reacción. Por el contrario, si la reacción es endotérmica, a mayor temperatura sefavorecerá la formación de productos y se tendrá un mayor rendimiento.Pero en la práctica no solamente hay que tener en cuenta lo dicho en el párrafo anterior,sino también la velocidad con que ocurre la reacción. Por ejemplo la síntesis del amoníaco,3 H2 + N2 2 NH3, es una reacción exotérmica; a 200 ºC se obtiene amoníaco con unrendimiento del 80%, mientras que a 400 ºC sólo se logra un rendimiento del 20 %. No obstanteen la industria la reacción se desarrolla a 500 ºC, donde si bien el rendimiento es bajo, lavelocidad es alta. La síntesis a 200 ºC tendría un rendimiento alto, pero tardaría horas en llevarsea cabo.6
    • RespuestasUna de las formas en que podemos sacar a un sistema de su equilibrio es agregando osacando cierta cantidad de reactivos o de productos. Otra forma es variar la temperatura, ya queal variar la temperatura varía el valor de KC. En sistemas gaseosos también se puede variar elvolumen del recipiente, lo cual a temperatura constante implica un cambio en la presión.El valor de KC no se modifica, ya que KC depende sólo de la temperatura. KC varía sólo si semodifica la temperatura. El sistema llegará a un nuevo equilibrio donde las concentraciones dereactivos y de productos serán diferentes de las del estado de equilibrio inicial, perocompensándose de tal manera que KC sigue siendo el mismo.Si aumentamos la concentración de un producto, como establece el principio de LeChatelier, el sistema evolucionará de manera de disminuir el efecto de esa perturbación, en estecaso disminuirá la concentración del producto agregado. Para esto el sistema evolucionará haciala formación de reactivos.Como KC depende de la temperatura, al variar la temperatura, no solamente cambiará lacomposición en el nuevo estado de equilibrio, sino que también variará el valor de KC.1234
    • En un sistema en equilibrio, donde la reacción es endotérmica, cuando se aumenta latemperatura, el sistema evoluciona de manera de minimizar el cambio producido, o sea, dedisminuir la temperatura; por ello se ve favorecida la reacción en el sentido de “consumir”energía, o sea, hacia la formación de productos.Por el contrario, si se disminuye la temperatura, el sistema para disminuir el efecto de laperturbación, evolucionará de manera de elevar la temperatura, favoreciéndose entonces lareacción exotérmica, hacia la formación de reactivos.Al decir en el enunciado que el sistema en equilibrio a 0 °C es casi incoloro, está diciendoque en ese estado de equilibrio existe mucho de producto (N2O4, incoloro) y casi nada de reactivo(NO2, pardo rojizo). Al aumentar la temperatura a 100 °C toma color rojizo, lo que indica que elequilibrio se desplazó hacia la formación de reactivos. Teniendo en cuenta el principio de LeChatelier, el sistema evolucionará de manera de disminuir el cambio que se le produjo, esosignifica que al aumentar la temperatura el sistema evolucionará de manera de “consumir”energía, y como se deduce del enunciado, lo hizo hacia la formación de reactivos. Si al formarsereactivos el sistema “consume” energía, cuando se formen productos el sistema liberará calor, ypor eso la reacción es exotérmica.56
    • TEORÍA DE BRØNSTED Y LOWRYLic. Lidia IñigoComenzaremos por definir qué es un ácido y qué es una base. Ya debés conocer los ácidosporque se nombran con la palabra ácido delante de su nombre. En el tema Electrolitos yDisociación Iónica, dentro de Soluciones Acuosas de Compuestos Iónicos; se mencionó que losácidos son electrolitos porque en solución acuosa se ionizan perdiendo sus hidrógenos comoprotones. Precisamente esa es la definición más antigua de ácido, que corresponde a la teoría deSvante Arrhenius (1859 – 1927).Según la teoría de Arrhenius un ácido es toda sustancia que posee por lo menos un átomode hidrógeno en su molécula y que en solución acuosa se ioniza formando protones (H+) y unabase es toda sustancia que posee por lo menos un ión hidróxido (OH−) en su fórmula empírica yque en solución acuosa se disocia, de manera que los iones hidróxido quedan en solución.¿Qué sustancias iónicas se estudiaron en nomenclatura que corresponden a ladefinición de base según la teoría de Arrhenius?La teoría de Arrhenius tenía ciertas limitaciones:1. Se restringía a soluciones acuosas, y se sabe que existen reacciones ácido – base en mediosno acuosos.2. Si bien en solución acuosa todos los iones se encuentran hidratados (rodeados por moléculasde agua), el protón no se encuentra “libre” en solución acuosa, sino que está íntimamenteasociado a una molécula de agua formando el ión hidronio u oxonio (H3O+) y ademáshidratado con más moléculas de agua.3. No explicaba el carácter básico de sustancias que no tenían iones hidróxido, como elamoníaco.En 1923, en forma independiente Jhoannes Brønsted y Thomas Lowry desarrollaron unateoría más general, que no tenía las limitaciones de la teoría de Arrhenius que acabamos demencionar.Según la teoría de Brønsted y Lowry un ácido es toda especie (molécula o ión)capaz de ceder un proton y una base es toda especie capaz de aceptar un protón.De acuerdo con la teoría de Brønsted y Lowry, los considerados ácidos no cambian conrespecto a la teoría de Arrhenius, porque para ceder un protón es necesario que la sustanciaposea por lo menos un átomo de hidrógeno. Pero en el caso de las bases; ahora no solamenteserán los hidróxidos, porque para aceptar un protón no es necesario que la sustancia tenga ioneshidróxido.El amoníaco, que no puede considerase como base según la teoría de Arrhenius, sí lo essegún la teoría de Brønsted y Lowry.1
    • En solución acuosa ocurre la siguiente reacción:NH3 + H2O NH4++ OH −Podemos apreciar en esta reacción que el amoníaco acepta un protón del agua y setransforma en ión amonio, por lo tanto, está actuando como base. Al ocurrir la reacción seproducen los iones hidróxido. A su vez el agua cede un protón al amoníaco y está actuando comoácido.Según la teoría de Brønsted y Lowry en una reacción ácido – base ocurre la transferenciade un protón. El ácido cede un protón y al hacerlo se transforma en una base, ya que ésta puedevolver a aceptar un protón. Se dice que esa base es la base conjugada de dicho ácido. La baseacepta un protón y se transforma en su ácido conjugado.En una reacción existen entonces dos pares ácido – base conjugados, que en nuestroejemplo son:NH3 + H2O NH4++ OH −base 1 ácido 1ácido 2 base 2Se dice entonces que el ión amonio es el ácido conjugado de la base amoníaco o elamoníaco es la base conjugada del ácido amonio. De igual manera el ión hidróxido es la baseconjugada del ácido agua, o el agua es el ácido conjugado de la base hidróxido.En solución acuosa los ácidos se ionizan porque ceden su protón al agua, y precisamentepor eso están actuando como ácidos. Por ejemplo para el ácido fluorhídrico la reacción es:HF + H2O F −+ H3O +En este caso el agua se comporta como base, ya que acepta un protón del ácidofluorhídrico. El ión hidronio es el ácido conjugado de la base agua.En el caso de ácidos con más de un hidrógeno en su molécula, la pérdida de los protonesse produce en forma secuencial y quedan iones intermedios que pueden actuar frente al aguacomo ácidos o como bases. Por ejemplo el ión sulfuro ácido (HS−): si actúa como base acepta unprotón y su ácido conjugado es el ácido sulfhídrico (H2S); si actúa como ácido cede un protón y subase conjugada es el ión sulfuro (S2−).¿Cuáles son el ácido conjugado y la base conjugada del ión H2 PO4−?¿En qué se diferencia la fórmula de un ácido de la de su base conjugada?23
    • Notá que frente a una base el agua se comporta como ácido y frente a un ácido el agua secomporta como una base. Esto es porque se tomó el agua cono el punto de neutralidad conrespecto a acidez o basicidad. El agua “es el cero” para medir ácidos o bases y por lo tanto elagua es neutra. A toda especie que sea más básica que el agua, que acepte un protóndel agua, la llamamos base y a toda especie que sea más ácida que el agua, que cedaun protón al agua la llamamos ácido.Además de los ácidos inorgánicos existen los ácidos orgánicos o ácidos carboxílicos (si noconocés los compuestos orgánicos podés verlo en el tema Compuestos de Carbono Nomenclaturae Isomería Estructural. Las bases orgánicas son las aminas, que actúan de la misma forma que elamoníaco. En los ejercicios de la guía de ejercitación aparecen varios ejemplos de ácidos y basesorgánicos.Debido a que el agua puede actuar como ácido o como base podríamos suponer que en elagua pura una molécula actúe como ácido y otra como base y se produzca la siguiente reacción:H2O + H2O H3O ++ OH −De hecho, en el agua pura esta reacción ocurre y es una reacción reversible, por eso ladoble flecha que lo indica. Es la denominada reacción de autoionización o autoprotólisis delagua. Como en toda reacción reversible podemos escribir la expresión de su constante deequilibrio:[H3O+] . [OH−]KC =[H2O]2En el agua pura el estado de equilibrio está muy desplazado hacia el agua sin ionizar.¿Cómo será el valor de KC para la reacción de autoionización del agua, muy grande omuy chico?En el agua pura, la concentración molar del agua en sí misma, es decir, la cantidad demoles de agua que hay en un litro de agua no cambia (es constante). Ese valor es 55,55 M, Comoes un número muy grande, la cantidad que pueda haber reaccionado para formar los iones esdespreciable. Al ser constante se puede pasar de término multiplicando a KC y se forma una nuevaconstante denominada constante del producto iónico del agua (KW).KW = KC . [H2O]2= [H3O+] . [OH−]KW = [H3O+] . [OH−]Como toda constante de equilibrio, KW depende de la temperatura. El valor de KW a 25 ºCes 1 . 10−14.4
    • En agua pura la única fuente de formación de iones hidronio y de iones hidróxido es lareacción de autoionización del agua. Si tenemos en cuenta la estequiometría de la reacción,cuando se forma un mol de iones hidronio también se forma un mol de iones hidróxido, por lotanto las concentraciones molares de los mismos son iguales. Al ser iguales se puede reemplazaruna por otra en la expresión de KW, de la siguiente forma:KW = [H3O+] . [OH−] = [H3O+]2= [OH−]2= 10−14(a 25 ºC)[H3O+] = [OH−] = KW = 10−14= 10−7MEn el agua pura, a 25 ºC, habrá entonces 10−7moles por litro de iones hidronio y 10−7moles por litro de iones hidróxido.Escribí las ecuaciones que representan la reacción de un ácido (en forma genérica HA)y de una base (en forma genérica B) con el agua.Observá que cuando un ácido reacciona con el agua se producen iones hidronio, y cuandouna base reacciona con el agua se producen iones hidróxido. Pero el equilibrio de autoionizacióndel agua sigue existiendo, sigue siendo válido que KW = [H3O+] . [OH−]. Como KW es constante,si aumenta la concentración de iones hidronio eso significa que la concentración de iones hidróxidodisminuye y viceversa.KW = [H3O+] . [OH−]al agregar ácidoal agregar baseComo el agua es neutra, y en ella las concentraciones molares de iones hidronio y de ioneshidróxido son iguales, definimos una solución neutra como una solución en la cual lasconcentraciones molares de iones hidronio y de iones hidróxido son iguales. En unasolución ácida la concentración molar de iones hidronio es mayor que la de iones hidróxido y enuna solución básica o alcalina la concentración molar de iones hidróxido es mayor que la de ioneshidronio.La concentración molar de iones hidronio es una medida de la acidez, cuantomayor es la misma, más ácida será la solución.La concentración molar de iones hidróxido es una medida de la basicidad, cuantomayor es la misma, más básica será la solución.Generalmente se trabaja con soluciones diluidas, y las concentraciones molares expresadasen notación científica quedan como potencias negativas de 10. Para utilizar números más fácilesde manejar se creo una escala logarítmica para medir acidez o basicidad. Esa escala es la escala5
    • de pH. Se define pH como menos el logaritmo decimal de la concentración molar deH3O+y pOH como menos el logaritmo decimal de la concentración molar de OH−.pH = −log [H3O+] y pOH = −log [OH −]En realidad p es lo que se denomina un operador matemático que está indicando “Calculáel logaritmo decimal y cambía su signo”.¿Qué es el logaritmo decimal?¿Cuál es la definición de pKW? ¿Qué valor tiene pKW a 25 ºC?Como en el agua pura a 25 ºC [H3O+] = [OH−] = 10−7M eso implica que pH = pOH = 7.Entonces una solución neutra tendrá pH = pOH y específicamente si está a 25 ºC su valor es 7.¿Cómo será pH respecto a pOH en una solución ácida, mayor o menor? ¿Y en unasolución básica?Podemos resumir lo expresado hasta ahora en un cuadro:a cualquier temperatura a 25ºCSc. neutra [H3O+] = [OH−] pH = pOH pH = pOH = 7Sc. ácida [H3O+] > [OH−] pH < pOH pH < 7 pOH > 7Sc. básica [H3O+] < [OH−] pH > pOH pH > 7 pOH < 7Si en la expresión de KW calculamos menos el logaritmo decimal en ambos términos, dadoque el logaritmo decimal de un producto es igual a la suma de los logaritmos de los factores dedicho producto ( log a . b = log a + log b ) queda:KW = [H3O+] . [OH−]− log KW = − log [H3O+] + (− log [OH−] )p KW = pH + pOH678
    • Esta es otra forma en la que se puede utilizar la expresión del producto iónico del agua.A través de la expresión de KW quedan vinculadas las concentraciones molares de H3O+yde OH−; y a través de su expresión logarítmica quedan vinculados pH y pOH. Esto se utiliza paracalcular uno conociendo el otro en forma indistinta.Si a partir del dato de pH se debe calcular la [H3O+], o a partir de pOH la [OH−], o KW apartir de pKW; como la función inversa del logaritmo decimal es 10x:[H3O+] = 10−pH[OH−] = 10−pOHy KW = 10−pKwDebés asegurarte de saber manejar correctamente la calculadora parahacer los cálculos necesarios.Si en una solución la [OH −] = 6,28 10 −8¿Cuál es el pH de dicha solución?Si en lugar de estar a 25 ºC, la solución acuosa se encuentra a otra temperatura, variará elvalor de KW. Resolveremos un problema en el cual se puede ver el efecto que produce el cambiode temperatura:Calcular las concentraciones molares de H3O+y de OH−en agua a 50 ºC. Definiruna solución neutra desde el punto de vista ácido – base a esa temperatura. Calcular elpH de neutralidad a 50 ºC y compararlo con el correspondiente a 25 ºC.Datos: KW (25 ºC) = 10−14KW (50 ºC) = 5,46 10−14.A cualquier temperatura sigue existiendo el equilibrio de autoionización del agua y siguensiendo válidas las expresiones que usamos a 25 ºC, sólo cambia el valor de KW.KW = [H3O+] . [OH−] = [H3O+]2= [OH−]2= 5,46 10−14(a 50 ºC)[H3O+] = [OH−] = KW = 5,46 10−14= 2,34 10−7MUna solución neutra se define como una solución en la cual las concentraciones molares deiones hidronio y de iones hidróxido son iguales. Esto es válido a cualquier temperatura.En una solución neutra a 50 ºC [H3O+] = 2,34 10−7M, por lo tanto:pH = −log [H3O+] = −log 2,34 10−7pH = pOH = 6,63Se puede apreciar que a 50 ºC el pH de neutralidad cambió porque el valor de KW aumentóy como consecuencia el agua se ionizó más. Al aumentar la concentración de iones hidronio9
    • disminuye el valor del pH y lo mismo sucede con la concentración de iones hidróxido y el valor depOH.¿Cómo es una solución acuosa que se encuentra a 50 ºC y tiene pH = 7; ácida, básicao neutra?Sabiendo que KW (25 ºC) = 10−14y KW (50 ºC) = 5,46 10−14, ¿cómo es la reacción deautoinización del agua, endotérmica o exotérmica? Justificalo en base al principio deLe Chatelier.En el problema anterior se puede observar el cambio de pH con la temperatura, pero elefecto no es muy grande. Se tuvo que elevar la temperatura de 25 ºC hasta 50 ºC y el valor delpH de neutralidad sólo cambió en 0,37 unidades de pH. Por eso a temperatura ambiente no existeun error apreciable al suponer que KW = 10−14y que el pH de una solución neutra es 7. Inclusoen las reacciones que se producen en nuestro organismo, a 37 ºC, el error no es muy grande. Poresta razón en la guía de ejercitación dice que salvo que se indique lo contrario, se supone que elsistema se encuentra a temperatura ambiente y KW = 10−14.Los ácidos y las bases fuertes se disocian totalmente, es decir, la reacción que ocurrecon el agua es una reacción completa. Los ácidos y las bases débiles se disocianparcialmente; la reacción con el agua es una reacción reversible, y el sistema llega a unestado de equilibrio. En dicho estado quedará ácido o base sin disociar.Todos los ácidos orgánicos (ácidos carboxílicos) son ácidos débiles, salvo algún caso en elque haya sustituyentes que aumenten mucho la acidez, pero no se verán en este curso. Dentro delos ácidos inorgánicos hay fuertes y hay débiles.Todos los hidróxidos de metales alcalinos o alcalino – térreos son bases fuertes. Las basesdébiles son el amoníaco y las aminas.Ácidos y Bases FuertesDebés tener en cuenta que en el caso de los hidróxidos, no puede interpretarse la reacciónsegún la teoría de Brønsted y Lowry, ya que no existe la transferencia de un protón. Debeinterpretarse según la teoría de Arrhenius. Es la disociación del hidróxido y el agua no intervieneen la reacción sino que simplemente queda hidratando los iones.1011
    • NaOH (s) + H2O Na+(aq) + OH −(aq)En el caso de un ácido fuerte, por ejemplo el ácido clorhídrico, como la reacción escompleta, se puede plantear de acuerdo con su estequiometría:HCl + H2O Cl −+ H3O +Ci (M) Ci exc. 0 ≈ 0Cf (M) 0 Ci CiComo en este curso se verán solamente ácidos monopróticos (con un solo hidrógeno), laecuación siempre quedará igual, y la concentración molar de iones hidronio será igual a laconcentración molar del ácido.Debe recordarse que el equilibrio de autoionización del agua sigue existiendo, y que esto esválido en los casos en los que se pueda despreciar la concentración de iones hidronio provenientedel equilibrio del agua. Por eso se puso el signo de aproximadamente (≈ 0). Consideramos unacantidad despreciable frente a otra cuando es por lo menos 100 veces menor.En todos los problemas que se vean en este curso, tanto en el caso de ácidos o basesfuertes, como en el caso de ácidos o bases débiles, las concentraciones de iones hidronio o deiones hidróxido provenientes del equilibrio del agua serán despreciables con respecto a lasconcentraciones de los mismos provenientes del ácido o de la base.Calcular el pH de una solución de un ácido fuerte 10−8M, a temperatura ambiente.Calcular el pOH de una solución de hidróxido de calcio 10−3M, A 25 ºC.Como el cálculo de pH o POH de ácidos o bases fuertes en las condiciones en las que sepuede despreciar la concentración de iones hidronio o hidróxido provenientes del equilibrio delagua es muy sencillo, usualmente los ejercicios se integran con el tema soluciones. Por ejemplo unproblema de dilución donde el soluto es un ácido o una base fuerte. Este es el caso de los últimosejercicios de ácidos y bases fuertes que aparecen en la guía de ejercitación.Si te olvidaste o no estás muy seguro en el tema Soluciones, terecomendamos que lo repases.1213
    • Ácidos y bases débilesCuando el ácido o la base son débiles, la reacción con el agua es reversible y la resolucióndel ejercicio debe ser hecha como en cualquier sistema que llegue a un estado de equilibrio.HA + H2O A −+ H3O +Ci (M) Ci exc. 0 ≈ 0Ceq (M) Ci − x x xDonde la x es la concentración molar de iones hidronio en el equilibrio, y también laconcentración de A−en el equilibrio. Si necesitamos calcular el pH de la solución de ese ácido débildebemos calcular el valor de x.Podemos plantear la constante de equilibrio de la reacción:[A−] . [H3O+]Kc =[HA] . [H2O]Donde como siempre las concentraciones son en el equilibrio. Al igual que en el caso deKW, como se trata de soluciones diluidas, la concentración molar del agua es muy grande y lacantidad de agua que reacciona con el ácido es despreciable. La concentración molar del agua esconstante y puede pasarse de término multiplicando a Kc y formando una nueva constante.Ka = Kc . [H2O] Esa constante, en el caso de un ácido, es la constante de acidez oconstante de ionización del ácido (Ka).[A−] . [H3O+]Ka =[HA]Si reemplazamos en la expresión de Ka las concentraciones en el equilibrio por lasexpresiones que quedan en el planteo teórico hecho anteriormente queda:x2Ka =Ci − xTeniendo como datos Ka y Ci, esta es una ecuación cuadrática en x y para hallar su valorse utiliza la fórmula para resolver una ecuación cuadrática de la forma a x2+ b x + c = 0
    • −b ± b2− 4 a . cx =2 aPasando de término: Ka Ci – Ka x = x20 = x2+ Ka x – Ka Cise llega a una ecuación de la forma indicada donde: a = 1 b = Ka y c = − Ka Ci.Matemáticamente x puede tomar dos valores (que vienen de sumar o restar la raízcuadrada), pero aplicado al problema en concreto uno de esos dos valores es absurdo. Un valornegativo de x es absurdo porque no existen concentraciones negativas. Si x es positivo peromayor que Ci también es absurdo porque sería negativa la concentración del ácido sin disociar enel equilibrio (Ci − x), estaría diciendo que se ionizó más de lo que había inicialmente. De la formaen que se despejó la ecuación, como a y b son positivos, solamente tiene valor lógico la suma dela raíz cuadrada, porque la resta da un número negativo.El cálculo se puede simplificar en el caso en que x sea despreciable con respecto a Ci, enese caso Ka = x2/ Ci y por lo tanto x = Ka . Ci .¿En qué caso x será despreciable con respecto a Ci ?Aunque uno no se de cuenta si va a poder despreciar la x con respecto a Ci, puede enprincipio considerarla despreciable y luego verificar si el desprecio era correcto.Si consideramos despreciable la x, hacemos la cuenta x = Ka . Ci , y luego comparamosel valor obtenido para x con el valor de Ci.Si Ci / x > 100, indica que el desprecio es correcto y el valor x es correcto. En este caso sepuede evitar hacer todas las cuentas de la cuadrática, perdiendo menos tiempo y teniendo menosriesgo de equivocarse en el cálculo.Si Ci / x < 100, indica que x no era despreciable, entonces hay que hacer todos los cálculosde la cuadrática.Si en un problema en el cual se plantea una solución de un ácido débil se da como datos elpH y Ci y se pide averiguar Ka, la resolución es mucho más sencilla. Teniendo el dato de pHinmediatamente se puede conocer la [H3O+], ya que [H3O+] = 10−pH. La concentración de ioneshidronio es la x en el planteo del equilibrio y simplemente se debe reemplazar por los valores en laecuación: Ka = x2/ Ci − x y hacer el cálculo.Lo mismo sucede si se dieran como datos pH y Ka y se pidiera averiguar la concentracióndel ácido (Ci), simplemente debe despejarse Ci de la ecuación anterior y hacer el cálculo. Tambiénen el caso que se pida la concentración del ácido sin disociar en el equilibrio (Ci – x).14
    • En el caso de una base débil queda el planteo:B + H2O BH ++ OH −Ci (M) Ci exc. 0 ≈ 0Ceq (M) Ci − x x xy en este caso la x corresponde a la concentración de iones hidróxido y a la concentración delácido conjugado de la base débil, ambas en el equilibrio. Tendremos Kb (constante debasicidad o constante de ionización de la base) en lugar de Ka.[BH+] . [OH−]Kb =[B]pero el planteo queda igual:x2Kb =Ci − xlas ecuaciones son similares y se trabaja de igual manera que en el caso de un ácido.¿Qué son pKa y pKb? ¿cómo se calculan Ka y Kb a partir de los mismos?Teniendo en cuenta que Ka y Kb son constantes de equilibrio: ¿Qué es lo que estánmidiendo las mismas?Es importante que cuando en el parcial se pregunten magnitudes logarítmicas (pH,pOH, pKa ó pKb) el resultado esté expresado con dos decimales, ya que el error que setoma en la corrección es de dos centésimas. Esas dos centésimas, por ejemplo en el pH,corresponden a más del 3 % en la concentración molar de iones hidronio. Si el resultadocorrecto de un pH es 10,26 y por expresarlo con un solo decimal ponen 10,3 el resultadodebe tomarse como incorrecto.Como en todo sistema que llega a un estado de equilibrio se puede analizar, teniendo encuenta el principio de Le Chatelier, hacia dónde evolucionará el sistema cuando se lo saca de suestado de equilibrio por alguna perturbación externa. En este caso la evolución del sistemaimplicará un cambio en el pH de la solución. En los ejercicios propuestos en la guía de ejercitaciónaparecen preguntas de este tipo. El razonamiento y la justificación son similares a los vistos en eltema Equilibrio.1516
    • RespuestasLas sustancias estudiadas que corresponden a la definición de base según la teoría deArrhenius son los hidróxidos. Se trató su disociación en el tema Electrolitos y Disociación Iónica,dentro de Soluciones Acuosas de Compuestos Iónicos.El ácido conjugado es H3PO4 y la base conjugada es el ión HPO42−La fórmula del ácido tiene un protón más que la de su base conjugada.Si el agua se ioniza muy poco, eso quiere decir que en el estado de equilibrio hay muypoco de los productos y como KC es una medida de cuánto se completa una reacción eso significaque el valor de KC debe ser muy chico.HA + H2O A−+ H3O+B + H2O HB++ OH−12345
    • El logaritmo decimal es la función inversa de 10x. el logaritmo decimal de n es igual a x si nes igual a 10 elevado a la x. log n = x si n = 10xlog 104= 4 log 10−4= −4pKW es menos el logaritmo decimal de KW. pKW = − log KW A 25 ºC pKW = 14En una solución ácida pH será menor que pOH y en una solución básica pH será mayor quepOH. Debido al signo negativo del logaritmo a mayor concentración de iones hidronio implica unpH menor. Si [H3O+] = 10−3pH = 3 y si [H3O+] = 10−5pH = 5 ( 10−3> 10−5)Existen dos caminos para hacer este cálculo:1) Calcular la [H3O+] a partir de KW = [H3O+] . [OH−] y luego pH a partir de su definición.KW 10−14[H3O+] = = = 1,59 10−7pH = −log [H3O+] = 6,80[OH−] 6,28 10−82) Calcular primero pOH a partir de su definición y luego pH a partir de pKW = pH + pOHpOH = −log [OH−] = 7,20 pH = pKW − pOH = 14 − 7,20 = 6,807689
    • Una solución acuosa que tiene pH = 7 a 50 ºC será levemente básica, ya que una soluciónneutra a esa temperatura tiene pH = 6,63Al aumentar la temperatura aumentó el valor de KW, lo que significa que el sistemaevolucionó hacia la formación de productos (el agua se ionizó más). Teniendo en cuenta elprincipio de Le Chatelier, el sistema evoluciona de manera de disminuir la perturbación que se lecausó, por lo que al aumentar la temperatura evolucionará en el sentido de “consumir” calor paradisminuirla. Como el sistema evolucionó hacia la formación de productos, al formar productos elsistema “consume” calor, la reacción es ENDOTÉRMICA.Si tu respuesta fue pH = 8 es absurda. Un ácido no puede tener pH mayor que 7 atemperatura ambiente. Lo que sucede es que en este caso la concentración de iones hidronio queproviene del ácido es muy pequeña, alrededor de diez veces menor que la concentración de ioneshidronio provenientes del equilibrio del agua. El cálculo sencillo que hacemos para ácidos o basesfuertes es válido solamente cuando la concentración de iones hidronio (o hidróxido) provenientesdel equilibrio del agua es despreciable. Un cálculo aproximado sería sumar 1 . 10−8(provenientedel ácido) + 1 . 10−7(proveniente del equilibrio del agua, aunque se afecta el equilibrio y seríaalgo menor), lo que da como resultado 1,1 . 10−7, y si calculamos el pH = 6,96. Es prácticamente7, pero nunca puede ser mayor.Como dijimos no se van a ver en este curso casos en los que no se pueda despreciar laconcentración de iones hidronio provenientes del equilibrio del agua, pero es bueno que se dencuenta de dos cosas:1) Siempre cuando se obtiene un resultado hay que fijarse si el mismo es algo lógico o es unabsurdo.2) Aunque no se vea en este curso no siempre el cálculo es tan sencillo.101112
    • Ca(OH)2 Ca2++ 2 OH−Ci (M) 10−30 ≈ 0Cf (M) 0 10−32 10−3Como por cada mol de Ca(OH)2 se producen dos moles de iones hidróxido, la concentraciónmolar de OH−será el doble de la concentración inicial. Es un error muy común que los alumnosresuelvan este ejercicio sin tener en cuenta la fórmula del hidróxido de calcio y su disociación yden como respuesta pOH = 3, porque consideran que la concentración molar de OH−es 10−3M.pOH = −log [OH−] = −log 2 10−3= 2,7X va a ser despreciable con respecto a Ci cuando el ácido se ionice poco, o sea cuando Kasea chica. También en el caso en que Ci sea grande.pKa = −log Ka y pKb = −log Kb Ka = 10−pKaKb = 10−pKbKa y Kb son una medida de cuanto se ioniza ese ácido o base débil, y por lo tanto son unamedida de su fuerza como ácido o base. Cuanto mayor sea Ka, más fuerte (dentro de lo débil) omenos débil será ese ácido, estará más cerca de ser fuerte. Lo mismo sucederá con una basedébil.13141516
    • RELACIÓN ENTRE Ka Y Kb EN UN PAR ÁCIDO – BASE CONJUGADOLic. Lidia IñigoSi planteamos la ecuación que representa la reacción de un ácido débil con el agua y suconstante de acidez:HA + H2O A−+ H3O+[A−] . [H3O+]Ka =[HA]Y hacemos lo mismo para su base conjugada:A−+ H2O HA + OH−[HA] . [OH−]Kb =[A−]Si ahora multiplicamos Ka x Kb, tanto [A−] como [HA] se simplifican y queda:[A−] . [H3O+] [HA] . [OH−]Ka . Kb = . = [H3O+] . [OH−] = KW[HA] [A−]Por lo tanto, el producto de Ka . Kb en un par ácido – base conjugado es igual a laconstante del producto iónico del agua, son inversamente proporcionales. Como KW es unaconstante, eso indica que cuanto mayor es Ka, menor será Kb. Cuanto más fuerte es el ácido, másdébil es su base conjugada y viceversa.Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos términos de la ecuación:KW = Ka . Kb−log KW = −log Ka + (−log Kb)pKW = pKa + pKbEsta ecuación en su forma original da la relación entre la constante de acidez de un ácidodébil y la constante de basicidad de su base conjugada. Utilizándola es muy fácil obtener el valorde una conociendo el de la otra. La ecuación en la forma logarítmica da la relación entre pKa ypKb, a temperatura ambiente su suma es 14. Conociendo uno inmediatamente se puede conocerel otro.
    • Si pensamos en el caso de un ácido o una base fuertes, que se disocian totalmente,tendrían una constante de acidez o basicidad infinitamente grande. Eso implica que su conjugadono actúa como ácido (o como base) frente al agua, “es tan débil que no es”.El conjugado de un ácido fuerte o una base fuerte es neutro.Por ejemplo:HCl + H2O Cl−+ H3O+NaOH + H2O Na++ OH−El que sería la base conjugada del ácido clorhídrico, el ión cloruro, en realidad es neutro yno actúa como base frente al agua. De la misma forma el que sería el ácido conjugado de la basehidróxido de sodio, el catión sodio, no actúa como ácido frente al agua.Reacción ácida o básica en soluciones de sales.Las sales son compuestos iónicos que en agua se disocian totalmente en sus respectivosiones. Se forman por la neutralización de un ácido con una base. Dependiendo de si el ácido o labase de la cual provienen son débiles o fuertes el ión reaccionará como ácido o base frente alagua o será neutro. Si la sal viene de un ácido débil y una base fuerte, por ejemplo el acetato desodio, ocurrirán las siguientes reacciones:NaAc Na++ Ac−Ac−+ H2O HAc + OH−El ión acetato (Ac−) es la base conjugada del ácido acético, que es un ácido débil. Dichoión actuará frente al agua como una base débil. El ión sodio es el conjugado de la base hidróxidode sodio, que es una base fuerte. El ión sodio no actúa como ácido frente al agua, es neutro yqueda en solución sin reaccionar.La solución de una sal proveniente de un ácido débil y una base fuerte será básica.Se producen iones hidróxido, ya que lo que está reaccionando con el agua es la baseconjugada del ácido débil. Es equivalente a tener una solución de la base débil (Ac−ennuestro ejemplo).De manera similar en una solución de una sal que viene de un ácido fuerte y una basedébil, por ejemplo cloruro de amonio ocurrirán las siguientes reacciones:NH4Cl NH4++ Cl−NH4++ H2O NH3 + H3O+El ión amonio (NH4+), es el ácido conjugado de la base débil amoníaco, y por lo tantoactuará como ácido débil frente al agua. El ión cloruro (Cl−) es el conjugado del ácido clorhídrico,que es un ácido fuerte, y por lo tanto no actúa como base frente al agua, es neutro.
    • La solución de una sal proveniente de un ácido fuerte y una base débil será ácida.Se producen iones hidronio, ya que lo que está reaccionando con el agua es el ácidoconjugado de la base débil. Es equivalente a tener una solución del ácido débil (NH4+ennuestro ejemplo).Si la sal proviene de un ácido y una base fuertes, la solución será neutra.Los iones son neutros y no reaccionan con el agua. Solo se produce la disociación de lasal en sus respectivos iones. Es el caso del cloruro de sodioNaCl Na++ Cl−Si la sal proviene de un ácido y una base débiles, los dos iones reaccionarán con el agua,uno como base y el otro como ácido. En ese caso el que la solución sea ácida, básica o neutradependerá de la fuerza de dichos iones como ácido o base. Este caso no se analizará en estecurso.Indicá que reacción (ácida, básica o neutra) tendrán en agua las siguientes sales.Escribí la ecuación de disociación en agua y la correspondiente reacción ácido – basecuando corresponda.a) NaClO (lavandina) b) Ca(Br)2 c) Mg(CN)2 d) ClC2H5NH3 e) KNO3 f) Na2S1
    • SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)Lic. Lidia IñigoUna solución reguladora del pH o buffer es una solución que tiene la capacidad deamortiguar o minimizar los cambios de pH.Pequeñas cantidades de iones H3O+ó OH−que agregadas al agua o a una solución que notenga poder regulador harían variar el pH en varias unidades, al ser agregadas a un bufferproducen un cambio de pH que es mínimo o inapreciable.La regulación del pH es muy importante no sólo cuando se hacen en el laboratorioreacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reacción, sino en todas lasreacciones que ocurren en los organismos vivos. Las reacciones biológicas están catalizadas(aceleradas) por enzimas, que son proteínas. Las enzimas no solamente pueden destruirse(desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH, sino que tienen un rango de pH óptimo para sutrabajo. Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimáticas es necesario regular elpH. De la misma manera en los organismos vivos el pH está regulado.Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre. El pH normal del plasma dela sangre, medido a temperatura ambiente, es aproximadamente 7,40. Valores de pH menores de7,30 o mayores de 7,50 pueden provocar la muerte. Como consecuencia de esto existen en lasangre varios sistemas que actúan como reguladores, de los cuales los más importantes son lospares H2CO3 / HCO3–y H2PO4–/ HPO42–además de las proteínas, entre las cuales en la sangre laprincipal es la hemoglobina. Además también existen en la sangre reguladores fisiológicos del pH.Para comprender como se forma una solución buffer veamos que ocurre si colocamos enla misma solución un ácido débil y su base conjugada. Al hacer esto estarán ocurriendosimultáneamente las dos reacciones reversibles, y los dos equilibrios se influirán mutuamente,cada uno afecta al otro.HA + H2O A−+ H3O+A−+ H2O HA + OH−Ci (M) Ca exc. 0 ≈ 0 Cb exc. 0 ≈ 0Ceq (M) Ca − xa xa xa Cb − xb xb xbRecordemos que la x es despreciable con respecto a la concentración inicial cuando laconcentración inicial es grande, o cuando el ácido o la base se disocian poco (Ka o Kb chicas). Eneste caso, si tenemos concentraciones razonablemente grandes de Ca y Cb es mucho más válidoel despreciar xa y xb. El equilibrio del ácido se verá afectado por una gran concentración de A−(Cb)con lo cual el ácido se inonizará menos y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veráafectado por una gran concentración del ácido (Ca) y el estado de equilibrio estará desplazadohacia la formación de reactivos.
    • Por lo expresado en el párrafo anterior la concentración del ácido en el equilibrio será Ca yla concentración de la base conjugada en el equilibrio será Cb. Si planteamos la constante deionización del ácido queda:[A−] . [H3O+] Cb . [H3O+] Ka . CaKa = = [H3O+] =[HA] Ca CbAplicando menos el logaritmo en ambos términos para que quede PH:−log [H3O+] = −log Ka + (−log Ca / Cb )Siendo: −log Ca / Cb = log Cb / Ca queda:pH = pKa + log Cb / CaEsta ecuación se conoce como ecuación de Henderson – Hasselbalch o ecuaciónbuffer. Una solución con estas características tendrá la capacidad de regular el pH. Ante elagregado de iones hidronio, éstos se neutralizarán con la base A−, su concentración en elequilibrio disminuirá algo, y aumentará en la misma cantidad la concentración en el equilibrio deel ácido HA, pero al ir a la ecuación de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmoy el pH varía en forma mínima o inapreciable. Lo mismo sucede ante el agregado de ioneshidróxido, éstos se neutralizarán con el ácido HA, su concentración en el equilibrio disminuiráalgo, y aumentará algo la concentración en el equilibrio de la base A−.Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican cómo actúa unasolución reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un ácidofuerte o una base fuerte. Debemos recordar que un ácido o una base fuertes se disociantotalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentración molar de un ácidomonoprótico es equivalente al agregado de la misma concentración molar de iones hidronio y elagregado de una determinada concentración molar de un hidroxido de un metal alcalino esequivalente al agregado de la misma concentración molar de iones hidróxido.Si tenemos el buffer formado por el ácido débil HA y su base conjugada A−, y agregamosuna pequeña cantidad de moles de un ácido fuerte monoprótico (la misma de moles de ioneshidronio) se produce:A −+ H3O +HA + H2OLa base débil A−neutraliza los iones hidronio y forma agua. Como la cantidad de ioneshidronio agregada es pequeña y la cantidad de A−es grande el estado de equilibrio está casitotalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como unareacción completa.Si agregamos una pequeña cantidad de base fuerte (equivalente a agregar ioneshidróxido) se produce:
    • HA + OH −A −+ H2OEl ácido débil HA neutraliza los iones hidróxido y forma agua. Por igual razón que en elcaso anterior también puede considerarse como reacción completa.El buffer actúa neutralizando los agregados de iones hidronio o hidróxido yformando agua, con lo cual minimiza el cambio de pH de la solución. Esta es la acciónreguladora de un buffer.Para poder tener una solución buffer partimos de una solución que contiene un ácido yuna base débiles conjugados. Esta es la primera condición para que la solución tenga poderregulador. El buffer se puede formar poniendo un ácido débil y su base conjugada como sal delácido débil con una base fuerte, por ejemplo ácido acético y acetato de sodio; o poniendo unabase débil y su ácido conjugado como sal de la base débil con un ácido fuerte, por ejemploamoníaco y cloruro de amonio (recordá lo explicado en el tema anterior, relación entre Ka y Kb enun par ácido base conjugado, con respecto a las sales).La segunda condición para que la solución tenga buen poder regulador es que tanto elácido como su base conjugada estén en concentraciones grandes. No solamente para que seaválido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la “reserva” del buffer para neutralizar elagregado de ácido o base. Si el buffer es muy diluido soportará menos agregado de iones H3O+óOH−y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al ácido o su baseconjugada el buffer se destruye y la solución pierde por completo su capacidad reguladora. En losbuffers de uso más frecuente Ca y Cb se hallan entre 0,05 M y 1,00 M. Dentro de este rango esválido utilizar la ecuación de Henderson.Queda una tercera condición, experimentalmente puede concluirse que cuanto menor seala diferencia entre Ca y Cb, es decir, cuanto más cercana a 1 sea la relación Cb / Ca, mejor es elpoder regulador del buffer. Si 0,1 < Cb / Ca < 10, o sea que una no es más de 10 veces mayorque la otra, el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable. Matemáticamente, si se cumpleesta condición el pH no puede variar en más de una unidad con respecto al pKa del ácido débilque forma el buffer.Utilizando la ecuación de Henderson:pH = pKa + log Cb / CaSi Cb / Ca = 0,1 como log 0,1 = –1 pH = pKa – 1Si Cb / Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKaSi Cb / Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1Resumiendo: deben cumplirse estas tres condiciones para que una solución tenga buenpoder regulador, si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de lasolución se verá disminuida o será nula.
    • Las tres condiciones para que una solución tenga buen poder regulador son:1) La solución debe contener un ácido débil y su base débil conjugada.2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes, usualmente entre 0,05 M y 1,00 M.3) La relación Cb / Ca debe estar entre 0,1 y 10Verificando si se cumplen estas condiciones se puede saber si una determinada solucióntendrá buen poder regulador (si es un buffer) o no. Esto es lo que se pide en el problemasiguiente, donde se pide determinar si las soluciones indicadas tienen poder regulador del pH.Tratá de resolver los ejemplos dados.Dadas las siguientes soluciones, indicar cuál o cuales tienen buen comportamientoregulador. Explicar en cada caso el por qué (justificar).a) Solución 0,200 M de un ácido débil. b) Solución 0,500 M de una base débil.c) Un litro de solución que contiene 0,50 mol de NH4I a la que se le agregan0,50 mol de NaOH.d) Un litro de solución que contiene 0,50 mol de NH4I a la que se le agregan0,25 mol de NaOH.e) Solución 0,200 M en K3PO4 y 0,250 M en K2HPO4.Del ejercicio anterior (item d) se puede deducir que el buffer no solamente puedeformarse en la práctica mezclando un ácido débil y su sal de una base fuerte, o mezclando unabase débil y su sal de un ácido fuerte como se explicó antes. El buffer también puede formarseponiendo un ácido débil y neutralizando parte (de manera que quede una relación Cb / Cacorrecta) con una base fuerte, ya que al hacerlo se formará su base conjugada; o poniendo unabase débil y neutralizando parte con un ácido fuerte, ya que al hacerlo se formará su ácidoconjugado.Una vez que sabemos que la solución es un buffer, calcular su pH conociendo Ka (ó Kb) ylas concentraciones Ca y Cb es muy sencillo ya que simplemente utilizamos la ecuación deHenderson, que es válida si se cumplen las condiciones para tener buen poder regulador. Loúnico importante es saber identificar quién es el ácido y quién es la base, para colocarcorrectamente Ca y Cb en la ecuación de Henderson.Esta ecuación tiene cuatro variables. Otra opción sería calcular Ka (ó Kb) teniendo comodatos Ca, Cb y el pH; lo cual se hace con un simple despeje. También se puede calcular Ca ó Cbteniendo como datos la restante, pH y Ka; o las relaciones Cb / Ca ó Ca / Cb conociendo comodatos pH y Ka (ó Kb). En estos dos últimos casos es común que los alumnos tengan dificultad endespejar correctamente.Despejá las relaciones Cb / Ca y Ca / Cb de la ecuación de Henderson.¿Qué sucede con el pH de un buffer cuando éste se diluye? ¿Afecta la dilución lacapacidad reguladora del buffer?234
    • Si a un buffer se le agrega una base o un ácido fuertes que se encuentran en solución elvolumen de la solución cambia y hay una dilución. Siempre que las concentraciones del buffer semantengan en el rango adecuado se puede utilizar la ecuación de Henderson y como el pH de unbuffer no cambia al diluir, es mucho más práctico trabajar en moles.Tomemos un problema como ejemplo en donde se aplican todos los conocimientos queacabamos de explicar sobre soluciones reguladoras.Se mezclan 100 cm3de una solución 0,300 M de HNO2 con 200 cm3de unasolución 0,200 M de NaNO2 para formar un buffer. Dato: pKa (HNO2) = 3,29. Al bufferobtenido se le agregan 20,0 cm3de solución de HCl 1,00 10–2M.1) Calcular la variación de pH que se produjo al agregar la sc. de HCl.2) Calcular la variación de pH si la sc. de HCl, en lugar de agregarla al buffer, seagrega al mismo volumen de agua.Como los volúmenes son aditivos al mezclar 100 cm3de la solución del ácido con 200 cm3de la solución de la sal se obtendrán 300 cm3de sc. buffer.Para calcular la variación de pH debemos calcular primero el pH inicial que tiene el buffer yluego el pH final, una vez agregada la sc. de HCl.Calculamos primero la cantidad de moles que agregamos de cada uno:1000 cm3de sc. …………………… 0,300 mol de HNO2100 cm3de sc. …………………. 0,0300 mol de HNO21000 cm3de sc. ………………… 0,200 mol de NO2–200 cm3de sc. ………………. 0,0400 mol de NO2–Estos moles están en el volumen final de 300 cm3de sc. buffer. Podemos calcular laconcentración molar de cada uno, pero como el volumen es el mismo, si dejamos expresada laconcentración molar como los moles dividido el volumen en dm3en la ecuación de Hendersondicho volumen se simplifica y podemos calcular el pH con los moles.pHi = pKa + log Cb / Ca0,04 mol / 0,300 dm3pHi = 3,29 + log = 3,29 + log 1,3333 = 3,29 + 0,1250,03 mol / 0,300 dm3pHi = 3,415Calculamos la cantidad de moles de HCl agregados:1000 cm3de sc. …………………… 0,01 mol de HCl20,0 cm3de sc. ………………… 2,00 10–4mol de HCl
    • Al agregar la sc. de HCl el volumen total pasa a ser de 320 cm3de sc. Teniendo en cuentaque la dilución es la misma tanto para el ácido como para su base conjugada es más practicotrabajar en moles. Al agregar el ácido fuerte HCl se está agregando la misma cantidad de molesde iones hidronio y estos reaccionan con la base que los neutraliza.HCl + H2 O Cl −+ H3O +NO2–+ H3 O +HNO2 + H2 Omoles iniciales 0,04 2, 10 –40,03moles finales 0,04 – 2, 10 –40 0,03 + 2, 10 –4moles finales 0,0398 0,0302La cantidad de moles de la base disminuye en la cantidad de moles de iones hidronioagregados y la cantidad de moles del ácido aumenta en la misma cantidad. Lo mismo sucedería sien lugar de hacer el planteo en moles lo hacemos en concentración.0,0398 mol / 0,320 dm3pHf = 3,29 + log = 3,29 + log 1,3179 = 3,29 + 0,1200,0302 mol / 0,320 dm3pHf = 3,410∆ pH = pHf – pHi = 3,410 – 3,415 = – 0,005 ∆ pH = – 0,005Para contestar la segunda pregunta sabemos que el pH inicial, que es el del agua, es 7. Enlos 20 cm3de sc de HCl calculamos que hay 2,00 10–4mol de HCl. Al agregarlos a 300 cm3deagua esos moles quedarán en un volumen final de 320 cm3.320 cm3de sc. …………………… 2,00 10–4mol de HCl1000 cm3de sc. …………………… 6,25 10–4mol de HClLa concentración molar del ácido clorhídrico será por lo tanto 6,25 10–4M, y al ser un ácidofuerte la concentración de iones hidronio será la misma, por lo tanto:pHf = −log [H3 O +] = −log 6,25 10 –4= 3,20∆ pH = pHf – pHi = 3,20 – 7,00 ∆ pH = – 3,80En este ejemplo podemos apreciar el poder regulador del buffer. La misma cantidad deiones hidronio que agregada al agua hace descender el pH en 3,80 unidades cuando se agrega albuffer el pH sólo desciende en 5 milésimas de unidad, que es prácticamente indetectable.
    • SELECCIÓN DEL SISTEMA BUFFER MÁS ADECUADO.Al explicar las condiciones que debe cumplir una solución para tener poder regulador sedijo que si 0,1 < Cb / Ca < 10, el pH no puede variar en más de una unidad con respecto al pKadel ácido débil que forma el buffer. Por lo tanto podemos afirmar que:Un buffer va a regular en el rango de pH comprendido entre pKa – 1 y pKa + 1.Determiná en que rango de pH actuarán como buffers las siguientes soluciones,considerando concentraciones adecuadas: a) HF / NaF ( pKa = 3,20 )b) HBrO / KBrO ( pKa = 8,60 ) c) ácido acético / acetato de sodio ( pKa = 4,74 )Si formulamos la pregunta al revés; es decir, si queremos regular el pH en un determinadovalor ¿qué buffer debemos elegir? Todo buffer cuyo pKa del ácido esté en el rango de más menosuna unidad con respecto al pH al cual se quiere regular puede servir. Por ejemplo, si se quiereregular el pH en 7,00, no servirá un buffer cuyo pKa sea 8,60 ó 5,50, pero sí cualquier buffer cuyopKa esté entre 6,00 y 8,00. Pero las preguntas que surgen son: ¿todos serán iguales? ¿cuál serámejor? Debido a que el poder regulador del buffer es mejor cuanto más cercana a 1 sea larelación Cb / Ca, y que cuando dicha relación es igual a 1 pH es igual a pKa, cuánto más cercanoesté el pKa al pH al cual se quiere regular, mejor será el buffer para regular a ese pH.¿Cuál de los siguientes buffers, en las concentraciones adecuadas, elegiría para regularel pH en 7,00? a) H2PO4–/ HPO42–pKa = 7,21 b) HBrO / KBrO pKa = 8,60c) H2S / HS–pKa = 7,04 d) H2CO3 / NaHCO3 pKa = 6,35e) ácido acético / acetato de sodio pKa = 4,8556
    • Respuestasa) básica NaClO Na++ ClO−ClO−+ H2O HClO + OH−b) neutra Ca(Br)2 Ca2++ 2 Br−c) básica Mg(CN)2 Mg2++ 2 CN−CN−+ H2O HCN + OH−d) ácida ClC2H5NH3 Cl–+ C2H5NH3+C2H5NH3++ H2O C2H5NH2 + H3O+e) neutra KNO3 K++ NO3−f) básica Na2S 2 Na++ S2−S2−+ H2O HS−+ OH−a) Al tener una solución de un ácido débil, debido a que la reacción con el agua esreversible, se forma su base conjugada. Existe en solución el par formado por el ácido débil y subase conjugada, con lo cual la primera condición se cumple. Pero si bien la concentración delácido es suficientemente grande, la concentración de la base conjugada que se forme será muychica. La concentración de la base conjugada no estará entre 0,05 M y 1,00 M, con lo cual lasegunda condición no se cumple. Tampoco se cumple la tercera condición, ya que laconcentración de la base será más de 10 veces menor que la del ácido. No tiene poderregulador, no es un buffer.b) Es la misma situación que en el caso a), Lo que pueda formarse del ácido conjugadopor reacción con el agua será muy poco. No se cumplen ni la segunda ni la tercera condición. Notiene poder regulador, no es un buffer.c) El ioduro de amonio es una sal que viene de un ácido fuerte (HI) y una base débil(amoníaco). Por lo tanto el ión ioduro es neutro y tenemos una solución del ácido débil NH4+. Si leagregamos NaOH, que al disociarse produce la misma cantidad de moles de iones hidróxido,dichos iones se neutralizarán y la reacción de neutralización se considera completa.NH4I NH4++ Cl−NH4++ OH−NH3 + H2OCi (M) 0,50 0,50 0Cf (M) 0 0 0,5012
    • Como los iones hidróxido y amonio están en cantidades estequiométricas, ambosreaccionarán completamente y queda una solución de la base débil amoníaco. No tiene poderregulador, no es un buffer.d) Es el mismo caso que el c) pero ahora los iones hidróxido y amonio no están encantidades estequiométricas, el primero es el reactivo limitante y por lo tanto quedará amonio sinreaccionar.NH4I NH4++ Cl−NH4++ OH−NH3 + H2OCi (M) 0,50 0,25 0Cf (M) 0,25 0 0,25En este caso queda una solución 0,25 M en ión amonio y 0,25 M en amoníaco, que son unácido débil y su respectiva base conjugada. La segunda y tercer condición también se cumplenpor lo tanto tiene poder regulador, es un buffer.e) En este caso hay en la solución dos sales provenientes del ácido ortofosfórico, que esun ácido débil y del hidróxido de potasio que es una base fuerte. Su disociación es la siguiente:K3PO4 3 K++ PO43–K2HPO4 2 K++ HPO42–El ión potasio es neutro y no actúa como ácido frente al agua. Los iones ortofosfato (PO43–)y ortofosfato ácido (HPO42–) son un par ácido base conjugado donde el primero es la base y elsegundo el ácido. Están en concentraciones suficientemente grandes y la relación entre dichasconcentraciones está entre 0,1 y 10 por lo tanto tiene poder regulador, es un buffer.pH = pKa + log Cb / Ca log Cb / Ca = pH – pKa = n Cb / Ca = 10nComo log Ca / Cb = – log Cb / Ca ó Ca / Cb = 1 / 10nentonces Ca / Cb = 10−n3
    • Si se diluye un buffer debemos tener en cuenta que se están diluyendo simultáneamente yen la misma proporción el ácido y la base que lo forman (Ca y Cb), si aplicamos la ecuación deHenderson se deduce que el pH no cambia. Por ejemplo si diluimos al medio (se aumenta elvolumen al doble) la concentración disminuye a la mitad.pH = pKa + log Cb / CaCb / 2al diluir: pH = pKa + logCa / 2Como se puede apreciar el dos se simplifica y el pH no cambia su valor. Pero la dilución sipuede afectar el poder regulador del buffer. Debe tenerse en cuenta que las concentraciones Ca yCb deben mantenerse entre 0,05 M y 1,00 M para que el buffer tenga un poder reguladoraceptable.a) 2,20 – 4,20 b) 7,60 – 9,60 c) 3,74 – 5,74Los casos b) y e) no sirven para regular el pH en 7 porque están fuera del rango de pHentre 6 y 8. Los casos a) c) y d) pueden servir, pero el mejor es el c) ya que formando un buffercuyo pH sea 7 la relación Cb / Ca será la más cercana a 1 y por lo tanto tendrá el mejor poderregulador.456