La química del carbono

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La química del carbono

  1. 1. BLADIS FERNANDO DE LA PEÑA MANCERA Q.F. Universidad del Atlántico. Docente de Aula : Ciencias Naturales y Química Aspirante a Especialista en Química Orgánica U. Del Atl.
  2. 2. La siguiente clase contiene escenas de sexo ,violencia, torcidas de ojos, manotazos, escupitajos. Se recomienda estar acompañado del profesor: BLADIS DE LA PEÑA MANCERA Q.F.
  3. 3. “Es como si el Creador nos ha dado servido un conjunto de cosas o partes prefabricadas, listas para funcionar” (Robert E. D. Clark, El Universo: ¿Planificado o Accidental?, Londres, Paternóster Press, 1961, p. 98).
  4. 4. UNIDAD 1. Introducción a la Química Orgánica Tema1. El Carbono. 1.1. Introducción. 1.2. Características. 1.3. Fuentes naturales de carbono. 1.2. Capacidad del enlace del carbono.  Desarrollo de competencias
  5. 5. Tal vez la principal característica del átomo de carbono, como base para la amplia gama de compuestos orgánicos, es su capacidad para formar enlaces estables con otros átomos de carbono, con lo cual es posible la existencia de compuestos de cadena largas de carbonos a los que pueden además unirse otros bioelementos. Muy pocos elementos poseen esta capacidad; el mas destacado es el silicio, aunque este elemento forma cadenas cortas e inestables. El silicio (Si) y el carbono pertenecen al mismo grupo de la tabla periódica, grupo IVA, del que también forman parte los elementos Ge, Sn y Pb.
  6. 6. DESARROLLO DE COMPETENCIAS. Elabora una lista de las características físicas y químicas de los elementos del grupo IVA. ¿Qué similitudes puedes encontrar entre el Carbono y el Silicio?
  7. 7. El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante respectivamente. Es el pilar básico de la química orgánica; se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos 500.000 compuestos por año, y forma parte de todos los seres vivos conocidos. Forma el 0,2 % de la corteza terrestre.
  8. 8. El carbono es un elemento ampliamente difundido en la naturaleza, en la corteza terrestre, se encuentra principalmente en forma de carbonatos de calcio o magnesio. En la atmósfera lo encontramos principalmente como gas carbónico(CO₂) y monóxido de carbono (CO). El carbono se conoce desde la antigüedad. Los egipcios obtenían carbón de leña de forma similar a la actual. El término carbono procede del latín carbo que significa carbón de leña. Se encuentra puro en la naturaleza en tres variedades alotrópicas: diamante, grafito y carbono amorfo, que son sólidos con puntos de fusión sumamente altos.
  9. 9. El GRAFITO: la palabra grafito procede del griego graphein que significa escribir. El grafito se encuentra muy difundido en la naturaleza. Es una sustancia blanda, untuosa, de color negro brillante. Su estructura consiste en capas planas de átomos organizados en anillos hexagonales que se unen débilmente unos a otros. Las capas pueden deslizarse horizontalmente con facilidad al romperse los enlaces y formarse otros nuevos. Debido a ello el grafito se utiliza como lubricante, como aditivo para aceite de motores y en la fabricación de minas para lápices.
  10. 10. El DIAMANTE : Su nombre proviene de la palabra latina adamas cuyo significado es invencible, pues , a diferencia del grafito, el diamante es una de las sustancias más duras que se conoce. Es incoloro. No conduce la electricidad, es más denso que el grafito (3,53 g/cm³) y tiene el punto de fusión más elevado que se conoce de un elemento (cerca de 3.823 C). Estas propiedades corresponden a su estructura: una red de átomos de carbono distribuidos en forma de tetraedro, separados de sus átomos vecinos por sólo 1,54 Å ( en vez de las separaciones de 1,42 Å en el plano y 3,40 Å entre planos del grafito.
  11. 11.  LOS FULLERENOS: son moléculas con forma de balones de fútbol que contienen alrededor de 60 a 70 átomos de carbono y que poseen propiedades únicas que permitirán la fabricación de nuevos medicamentos y materiales sofisticados.
  12. 12.  LOS NANOTUBOS: como sus nombre lo indica, son tubos formados exclusivamente por átomos de carbono y que permitirán diseñar nano máquinas gracias a los avances de la nanotecnología. Los nanotubos de carbono se investigan para fabricar micro cables para implantes cerebrales.
  13. 13.  CARBONO AMORFO: Como su nombre lo indica, el carbono amorfo es un tipo de carbono deforme debido a la falta de la estructura cristalina. Si bien el carbono amorfo puede ser fabricado artificialmente por el ser humano, existe también carbono amorfo natural como es el caso del HOLLÍN. El carbono amorfo natural contiene cristales microscópicos de grafito y en ocasiones también de diamante. Si lo vemos a simple vista, es decir a una escala macroscópìca, veremos que el carbono amorfo no posee una estructura definida sino que consiste en un gran cantidad de pequeño cristales irregulares. De todas formas, si lo miramos a lo que sería una escala nanomacroscópica, veremos que está compuesto por átomos de carbono regulares.
  14. 14.  Otras fuentes de Carbono: Son los combustibles fósiles, como el carbón, el gas natural y el petróleo, originados a partir de restos animales y vegetales en un proceso que abarca millones de años. Dependiendo de la edad geológica, el carbón se encuentra como: HULLA: posee de 70 a 90% de carbono y llega a tener un 45% de materiales volátiles. De la hulla, por destilación en ausencia de aire, se obtienen: gases amoniacales, alquitrán y un 20% de coque Destilando el alquitrán se separa una gama enorme de productos que tienen aplicación como disolventes, colorantes, plásticos, explosivos y medicinas. ANTRACITA: Material rico en carbono(98%), posee de 5 a 6% de materiales volátiles y una alta potencia calorífica
  15. 15. DESARROLLO DE COMPETENCIAS (interpretativa). ¿Qué aplicaciones tienen en la industria? ¿Cuáles son las características de cada una de ellas? El átomo de carbono presenta una gran variedad de formas alotrópicas que tienen diversos usos. Consulta sobre cuatro formas alotrópicas. Luego, contesta las siguientes preguntas y registra la información en la tabla? Formas alotrópicas Del carbono Aplicaciones Características
  16. 16. La configuración electrónica del Carbono explica sus elevadas posibilidades de combinación consigo mismo y con otros elementos, dando lugar a una gran cantidad de compuestos.
  17. 17. El carbono tiene un número atómico (Z) igual a 6 y presenta la siguiente configuración electrónica en estado basal o fundamental:
  18. 18. Es la distribución de los electrones en los subniveles y orbitales de un átomo. La configuración electrónica de los elementos se rige según el diagrama de Moeller: (ver esquema del frente): Se muestran gráficamente la aplicación de los números cuánticos y los principios mencionados. Los números del 1 al 7 indican el nivel de energía y se pueden representar con las letras mayúsculas K, L,M,N,O,P, Q; Las letras minúsculas s, p, d y f representan los subniveles y, Los exponentes, el número máximo de electrones que puede albergar cada subnivel. Así, 2 para s, 6 en p, 10 en d y, 14 en f
  19. 19. Regla del serrucho o de las diagonales Para llenar los orbitales correctamente, siga la dirección de la flecha tal como se muestra en la gráfica. Primero 1s, luego 2s, después sube a 2p y baja 3s, 3p y baja a 4s. En este punto, el siguiente nivel de energía más bajo no es 4p, sino que sube a 3d para luego bajar a 4p y 5s. Y así, sucesivamente. Se le llama la regla del serrucho, debido a la acción de subir y bajar del modo descrito: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p... REGLA SERRUCHO o REGLA DIAGONAL. También existe otra en al cual ya están relacionados como por ejemplo en la misma regla ya se pone directo eso de : 1s2... así sucesivamente.
  20. 20. DESARROLLO DE COMPETENCIAS(Argumenta). ¿porqué es importante conocer cómo están distribuidos los electrones en la zona periférica de un átomo? R/: porque una gran parte de las propiedades físicas y todas las propiedades químicas de un elemento dependen de la corteza electrónica de los átomos que la componen.
  21. 21. Para construir una especie de mapa, que describa como están dispuestos los electrones en la periferia del núcleo atómico, deben tenerse en cuenta los siguientes principios:  Principio de ordenamiento: Al ordenar los elementos de manera creciente de números atómicos, cada átomo de un elemento tendrá un electrón más que el elemento que le precede. Por ejemplo, cada átomo de carbono (Z= 6) tendrá un electrón más que cada átomo de boro (Z= 5)  Principio de Aufbau : es complemento del anterior y establece que el electrón que distingue a un elemento del elemento se ubica en el orbital atómico de menor energía disponible ( s ó p)
  22. 22. Principio de exclusión de Pauli.: Un orbital no puede contener más de dos electrones, y los espines de dichos electrones deben tener valores opuestos. Se representan (↑↓). Principio de máxima multiplicidad de carga (Regla de Hund): Los electrones que pertenecen a un mismo subnivel se disponen de manera que exista el mayor número posible de electrones desapareados con el mismo valor de espín. Cuando un orbital contiene únicamente un electrón, se dice que ese electrón está desapareado.
  23. 23. DESARROLLO DE COMPETENCIAS. La estructura electrónica del arbono (Z= 6) se expresa de la siguiente manera: 1s² 2s² 2p² Con lo cual estamos indicando que:  En el nivel de energía 1, subnivel s, hay 2 electrones, En el nivel 2, subnivel s, hay 2 electrones y En el nivel 2, subnivel p, hay 2 electrones. Así se tiene un total de 6 electrones que es igual a Z. La configuración electrónica del C se puede expresar también esquemáticamente, como sigue: Observa que según la regla de Hund, en el subnivel p se coloca un electrón en cada orbital (representados por cajas en este caso), y se denomina diagrama de orbitales.
  24. 24. DESARROLLO DE COMPETENCIAS. La estructura electrónica y el diagrama de orbitales para el Cloro(Z= 17) se expresa de la siguiente manera: 1s² ……….? Con lo cual estamos indicando que:  En el nivel de energía 1, subnivel s, hay _____ electrones, En el nivel 2, subnivel s, hay _______electrones , En el nivel 2, subnivel p, hay _______electrones. En el nivel 3, subnivel s, hay _______ electrones y, En el nivel 3, subnivel p, hay _______electrones Así se tiene un total de 17 electrones que es igual a Z. La configuración electrónica del Cl se puede expresar también esquemáticamente, como sigue:
  25. 25. DESARROLLO DE COMPETENCIAS. Siguiendo el mismo procedimiento elabora la configuración electrónica y el diagrama de orbitales de los siguientes elementos:  Argón (Z=18) Potasio (Z= 19 Calcio (Z= 20) Hierro (Z= 26)
  26. 26. DESARROLLO DE COMPETENCIAS. ¿porqué el átomo de carbono puede formar moléculas complejas? ¿porqué es difícil que una forma de vida extraterrestre esté basada en átomos de silicio? ¿Cuáles son las propiedades químicas que hacen tan especial el átomo de carbono?
  27. 27. Erwin Rudolf Josef Margarito Alexander Schrödinger (conocido sólo por su nombre artístico: Erwin Shrödinger) es o fue un famoso criminal austríaco nacionalizado irlandés. Antes de ser enjuiciado por las autoridades era modelo de pasarelas y además, en sus ratos libres, estudiaba Física. Para costear los gastos de la universidad cuidaba gatos y demás mascotas. Practicó muchos experimentos ilegales con gatos por lo cuál fue enjuiciado y es recordado uno de los científicos más retorcidos y crueles de la Historia. Luego de salir de prisión colaboraría en trabajos relativistas junto a Albert Einstein en unos años... pero por cosas de la relatividad éstos serían siglos para Einstein, quién no soportaba su presencia porque siempre le decía que no hacer. Además de tener una linda ecuación con su nombre con la cuál ganó un premio Nobel, y la cual comenzaría un arduo estudio sobre los agujeros negros.
  28. 28.  Vida y Obras El experimento del gato de Schrödinger o paradoja de Schrödinger es un experimento imaginario concebido en 1935 por elfísico Erwin Schrödinger para exponer una de las consecuencias menos intuitivas de la mecánica cuántica. Erwin Schrödinger plantea un sistema que se encuentra formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato en su interior, una botella de gas venenoso y un dispositivo, el cual contiene una partícula radiactiva con una probabilidad del 50% de desintegrarse en un tiempo dado, de manera que si la partícula se desintegra, el veneno se libera y el gato muere. Al terminar el tiempo establecido, hay una probabilidad del 50% de que el dispositivo se haya activado y el gato esté muerto, y la misma probabilidad de que el dispositivo no se haya activado y el gato esté vivo. Según los principios de la mecánica cuántica, la descripción correcta del sistema en ese momento (su función de onda) será el resultado de la superposición de los estados "vivo" y "muerto" (a su vez descritos por su función de onda). Sin embargo, una vez abramos la caja para comprobar el estado del gato, éste estará vivo o muerto. Ahí radica la paradoja. Mientras que en la descripción clásica del sistema el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y comprobemos su estado, en la mecánica cuántica el sistema se encuentra en una superposición de los estados posibles hasta que interviene el observador. El paso de una superposición de estados a un estado definido se produce como consecuencia del proceso de medida, y no puede predecirse el estado final del sistema: sólo la probabilidad de obtener cada resultado. La naturaleza del proceso sigue siendo una incógnita, que ha dado lugar a distintas interpretaciones de carácter especulativo.
  29. 29. En 1926 Erwin Rudolf Josef Margarito Alexander Schrödinger (1887 – 1961) describió el comportamiento del electrón en un átomo de acuerdo con consideraciones estadísticas, es decir, en términos probabilísticos. Schrödinger consideró que la trayectoria definida del electrón, según Bhor, debe sustituirse por la probabilidad de hallarlo en una zona del espacio periférico al núcleo atómico. Esta probabilidad es también la densidad electrónica o nube de carga electrónica, de modo que las regiones donde existe una probabilidad de encontrar al electrón, son las zonas de alta densidad electrónica. Las ecuaciones de schrödinger delimitan regiones en el espacio, que corresponden, más o menos a los orbitales establecidos por Bhor, pero que designan las zonas en las cuales la probabilidad de hallar un electrón, en un momento dado, es muy alta. Es decir,, no podemos decir donde estará ese electrón en un momento t, sino cual es la probabilidad de que dicha partícula se encuentre en la zona observada en ese momento
  30. 30. Los números cuánticos son unos números asociados a magnitudes físicas conservadas en ciertos sistemas cuánticos.Los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema. En física atómica, los números cuánticos son valores numéricos discretos que indican las características de los electrones en los átomos, esto está basado en la teoría atómica de Niels Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos por su simplicidad.
  31. 31. Para describir las características de un electrón situado en un determinado orbital, se necesita cuatro (4) Números Cuánticos, que se representan mediante las letras n, l, mı y mṣ I) El número cuántico principal (n) Este número cuántico está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos, aunque la distancia media en unidades de longitud también crece monótonamente con n. Los valores de este número, que corresponde al número del nivel energético, varían teóricamente entre 1 e infinito, pero solo se conocen átomos que tengan hasta 8 niveles energéticos en su estado fundamental (ya que el número atómico y el número cuántico principal se relacionan mediante 2n2 = Z < 110.
  32. 32. II) El número cuántico azimutal o azimutal (l = 0,1,2,3,4,5,...,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energía en el que se encuentra el electrón. Los posible valores de l dependen de n , de modo que, para cada valor de n, l puede tomar todos los valores comprendidos entre 0 y (n-1) Por ejemplo, si n = 4, el número l puede tomar los valores 0, 1, 2, y 3. Se acostumbra a simbolizar con letras los valores numéricos que puede tomar el número cuántico l : l = 0: Subórbita "s" (forma circular) →s proviene de sharp (nítido) (*) l = 1: Subórbita "p" (forma semicircular achatada) →p proviene de principal (*) l = 2: Subórbita "d" (forma lobular, con anillo nodal) →d proviene de difuse (difuso) (*) l = 3: Subórbita "f" (lobulares con nodos radiales) →f proviene de fundamental (*) l = 4: Subórbita "g" (*) l = 5: Subórbita "h" (*)
  33. 33. III) El número cuántico magnético (m, ml), Define la orientación que pueden presentar los orbitales de un mismo subnivel en relación con un campo magnético externo. Para cada valor de l, mı puede tomar todos los valores enteros comprendidos entre -1 y +1. Así. Si l = 2, los valores posibles de mı serían: -2, -1. 0. 1 y 2
  34. 34. IV) El número cuántico de espín (s, ms), El espín (del inglés spin 'giro, girar') Indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Toma valores 1/2 y -1/2. Un orbital puede albergar como máximo dos electrones. Dichos electrones se diferencian entre sí por el sentido de giro sobre su eje. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, sus sentidos de giro son opuestos. Como solo son posibles dos sentidos de giro, el número cuántico ms Puede tomar solamente dos valores, que son + ½ y -1/2, y que también se simboliza con flechas contrarias ( . Como el electrón es una partícula cargada se comporta como un pequeño imán, por lo cual se dice que tiene un espín o giro
  35. 35. DESARROLLO DE COMPETENCIAS El número cuántico secundario (l) determina la forma del orbital, es decir, la región donde se mueve el electrón. Por ejemplo, el orbital p presenta tres regiones: pᵪ, pᵪ, pᵪ: a) Qué significa que una configuración electrónica termine en 2p1? b) Qué diferencias existe entre las regiones pᵪ, pᵪ, y pᵪ? c) Por qué las regiones s y p son diferentes?
  36. 36. DESARROLLO DE COMPETENCIAS ¿Qué es una configuración Electrónica? ¿ Qué es un Orbital? ¿Qué es una Órbita?
  37. 37. El carbono es capaz de formar macromoléculas de compuestos con átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo, con los que forman compuestos muy complejos, como las proteínas y los ácidos nuclèicos que hacen posible la vida. La capacidad de formar moléculas basadas exclusivamente en átomos de carbono es un hecho sorprendente de la química del carbono. Aparte de los tradicionales y bien conocidos grafito y diamante, en los últimos años se ha incrementado la investigación en la síntesis de alótropos como los fullerenos y nanotubos.
  38. 38. http://es.wikipedia.org/wiki/Quimica_orgnica HIPERTEXTO SANTILLANA, QUÍMICA 2. 2010 EDITORIAL SANTILLANA

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