Resúmen de Química general para ingeniería, Apuntes de Química

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Los compuestos del carbono se estudian separadamente de los inorgánicos porque tienen propiedades muy diferentes al resto, constituyen una enorme

mayoría (el 90%) y al separarlos se hace más racional el estudio.

-una misma fórmula puede representar varios compuestos

• se sintetizan nuevos en laboratorios para mejorar la calidad de vida de las personas

Hay tantos porque: - los átomos de carbono tienen una capacidad excepcional de unirse a otros por enlaces químicos fuertes y estables, formando cadenas.

1. BASES PARA CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA

Las sustancias orgánicas pueden agruparse en pocas familias caracterizadas por un dado grupo funcional, el cual es uno o varios átomos unidos entre sí y

con la molécula de una determinada forma.

Para nomenclar se toma como base el nombre de los alcanos (hidrocarburos saturados), los primeros de la tabla no son sistemáticos y a partir del quinto se

incluyen prefijos:

2. HIDROCARBUROS

Contamos el nro. De átomos de carbono de la sustancia y se toma el

hidrocarburo se la tabla, luego se cambia el sufijo - ano por el que

corresponda del grupo funcional (se debe hacer referencia a la

cadena más larga que contiene el grupo funcional).

Alifáticos

(Son no aromáticos)

Aromáticos

(Presentan anillos bencénicos, formados por

6 átomos de C unidos por enlaces simples

y dobles alternados; a cada C se une un hidrógeno)

Acíclicos (cadenas abiertas)

Cíclicos (cadenas cerradas)

Saturados

(sólo enlace simple entre C)

No saturados

Alcanos o parafinas

Alquenos (enlace doble)

Alquinos (enlace triple)

1. Cadenas rectas: Usando como base los hidrocarburos, cambiando el sufijo.

Cadenas ramificadas (suponer que todas son del grupo alquilo o fenilo):

a) Elegir la cadena principal más larga.

b) Si hay varias opciones, escoger la que tenga más grupos funcionales unidos.

c) Numerar los carbonos para dar la menor numeración a las ramificaciones.

d) Indicar las posiciones y nombres de las ramificaciones en orden alfabético.

e) Si hay varias del mismo tipo, usar prefijos como "di-", "tri-", etc.

Alcanos: 𝐶

௡

𝐻

ଶ௡ାଶ

fórmula general, sufijo - ANO. Para nombrarlos

Grupos alquilo: cadenas laterales derivadas de alcanos al quitar un hidrógeno.

Grupo fenilo: deriva del benceno (C₆H₅) al quitar un hidrógeno.

Propiedades: son poco o nada reactivos pues son compuestos saturados ….. Etc

Alquenos: 𝐶 ௡

𝐻 ଶ௡

fórmula general, sufijo - ENO. Para nombrarlos se sigue la misma regla

que antes pero la cadena mas larga debe incluir el grupo C=C (doble enlace).

Propiedades: ………

Alquinos: 𝐶 ௡

𝐻 ଶ௡ି ଶ

fórmula general, sufijo -INO. Para nombrarlos se sigue lo mismo pero

incluyendo el grupo triple enlace.

Presentan propiedades de combustión y adición como los alquenos.

3. ÁCIDOS ORGÁNICOS

Compuestos del carbono. Capítulo 11.

lunes, 6 de enero de 2025 11:

3.ÁCIDOS ORGÁNICOS

Reacciones con agua: Son ácidos moleculares que frente al agua suelen actuar como ácidos débiles (sus soluciones

acuosas son electrolitos débiles), son malos conductores de electricidad. Pueden ceder catión H+ a las sustancias básicas

como los ácidos inorgánicos.

• Reacciones con bases: reaccionan con los hidróxidos formando sus sales correspondientes y agua.

○ Reaccionan con los alcoholes formando ésteres (grupo OH se elimina con un átomo de H formándose agua y éster)

Reaccionan con las aminas formando aminas (grupo OH se elimina con un átomo de H formándose 1 molécula

agua y la amida correspondiente)

○

• Reacciones de condensación:

Propiedades:

Para nombrarlos se agrega el sufijo - ICO.

4. ALCOHOLES

○ Un solo grupo alcohol: metanol, etanol, 1-propanol.

○ Dos o más grupos (polialcoholes): nombre del alcano + sufijo indicando número de grupos + - OL. Ej. Propanotriol, etanodiol.

Primarios, secundarios y terciarios: según si el nro. de carbonos al que está unido el C donde se une el grupo alcohol. Es una diferencia

estructural por lo que pueden aparecer isómeros. Ej., etanol, 2-propanol, metil 2-propanol respectivamente.

○

• Nomenclatura y clasificación:

○ Combustión: la mayoría son inflamables y los productos de la combustión completa son CO2 y agua.

○ Oxidación: una suave produce aldehídos y una más intensa produce el ácido orgánico correspondiente.

○ Condensación: reaccionan con los ácidos formando ésteres

• Propiedades:

Se nombran con el sufijo -OL aunque suelen tener nombres de fantasía. Sus moléculas se atraen por puente hidrógeno por el grupo hidroxilo OH unido

a un átomo de C, lo que lo hace más soluble. Esta solubilidad disminuye a cadenas hidrocarbonadas más largas por la acción del resto hidrocarbonado

apolar.

5. ALDEHIDOS

Su grupo es un átomo de O unido a un C primario por un doble enlace covalente. Se nombran con el alcano correspondiente y el sufijo - AL. No se presentan

isómeros ya que el C es primario. Tienen la propiedad de oxidarse fácilmente transformándose al acido correspondiente, por eso estas sustancias se encuentran

en líquidos utilizados para inhibir la corrosión (se oxidan más fácil que el hierro)

6. CETONAS

Su grupo es un átomo de O unido a un C secundario por un doble enlace covalente. Se nombran con el alcano correspondiente y el sufijo - ONA. Presentan

isómeros. Pueden formar puente hidrogeno a través del grupo funcional con las moléculas de agua, las de cadenas más largas tienen menor solubilidad en agua.

7. AMINAS

En su grupo el N posee un par de electrones no ligados, por eso es una sustancia básica. Su nombre se da con el sufijo -INA. Se clasifican según la cantidad de

grupos orgánicos al que esté unido el átomo de N como primarias, secundarias o terciarias.

Se usan como inhibidores de la corrosión (especialmente las terciarias) y son solubles en agua ya que forman puente hidrógeno.

8. ÉTERES

Se utiliza el sufijo -ÉTER. Son sustancias inflamables, la combustión completa produce CO2 y agua.

9. ÉSTERES

Se nombran indicando nombre del anión del ácido orgánico + de + nombre del grupo alquino unido al átomo de O. Cuanto menor es la proporción de dobles

enlaces en la cadena hidrocarbonada, aumenta el punto de fusión y son sólidos. (Hay varios ejemplos: biodiesel, poliéster, Etc)

Al unirse en gran cantidad forman polímeros llamados poliésteres.

10. AMIDAS

Se forman por la reacción de los ácidos orgánicos con las aminas. Al unirse en gran cantidad forman polímeros llamados poliamidas.

Las partículas deben chocar con una energía igual o mayor a la Energía de Activación E(act), que es el mínimo necesario para que

ocurra la reacción.

○ Solo un porcentaje de partículas tiene esta energía, y ese porcentaje aumenta con la temperatura.

○ Las partículas deben chocar con la orientación correcta para formar el producto.

3. Orientación adecuada:

Si se cumplen estas tres condiciones, ocurre un choque efectivo que forma un complejo activado, un estado intermedio con alta energía e

inestabilidad. Este complejo se descompone rápidamente, formando los productos de la reacción.

La mayoría de las reacciones químicas ocurren en varias etapas, cada una con su propio complejo activado. La velocidad de la reacción completa

está determinada por la etapa más lenta, que es la que requiere la mayor Energía de Activación. En un diagrama de energía para una reacción de

varias etapas, la etapa más lenta se identifica por el pico más alto de energía.

Por ejemplo, en una reacción de tres etapas, si la segunda etapa tiene el mayor valor de E(act), será la que controle la velocidad de la reacción.

FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

En determinadas condiciones una reacción puede ser lenta pero en otras puede ser veloz. Los factores que modifican esta velocidad son la

temperatura, la presencia de catalizadores o inhibidores, la superficie de contacto entre reactivos en diferentes fases y la concentración de los

reactivos.

• Influencia de la temperatura:

Podemos definir la constante de velocidad específica, k, como la velocidad de la reacción cuando en determinadas condiciones todas las

concentraciones de los reactivos son unitarias. Con la ecuación de Arrhenius podemos relacionarla con E(act) y T: 𝑘 = 𝐴 𝑒

షಶ (ೌ೎೟ )

ೃ೅

⎯⎯⎯⎯⎯

Al aumentar la temperatura, las moléculas adquieren

mayores velocidades y energías.

Más moléculas alcanzan la Energía de Activación,

necesaria para que ocurra la reacción (valor arbitrario

llamado E(act))

Esto explica el aumento de la velocidad de reacción al

elevar la temperatura: hay más partículas con energía

suficiente para reaccionar.

Ejemplos:

a) La reacción entre N₂ y O₂ en el aire es muy lenta, pero

a altas temperaturas (como en motores de combustión),

los gases reaccionan más rápido, formando óxidos de

nitrógeno que contaminan y contribuyen al efecto

invernadero y la lluvia ácida.

b) La corrosión de metales en medios ácidos aumenta al

incrementar la temperatura.

• Influencia de los catalizadores o inhibidores:

Los catalizadores son especies químicas capaces de aumentar con su presencia la velocidad de una reacción. Sus características son que actúan por

presencia, es decir se incorporan en la reacción pero al final de esta se recuperan; se necesitan pequeñas cantidades o bajas concentraciones; y no

cambia el rendimiento de la reacción.

El complejo activado se muestra como el

punto más alto de energía.

La diferencia entre la energía del complejo

activado y la de los reactivos es la Energía de

Activación.

Este modelo es especialmente útil para

reacciones simples, donde una sola etapa

lleva a la formación de los productos.

Aumenta la velocidad porque lleva la reacción por un

camino energéticamente menos exigente: la energía de

activación es menor.

Para una dada temperatura es mayor la cantidad de

partículas de reactivos con energía ≥ E (act)

Por otra parte, los inhibidores son especies químicas que disminuyen la velocidad de reacción. Se utilizan principalmente para reacciones

indeseables como la corrosión de los metales o el fraguado del yeso para construcción.

• Influencia de la superficie de contacto entre los reactivos:

La velocidad aumenta cuanto mayor sea la superficie específica, es decir la superficie por unidad de masa. Utilizando la teoría de choque,

diremos que esta velocidad es mayor cuanto más alta sea la superficie de contacto entre los reactivos ya que en estas condiciones es mayor

el número de choques entre las partículas de los reactivos por unidad de tiempo.

• Influencia de las concentraciones de los reactivos:

Cuando una reacción ocurre con reactivos más concentrados la velocidad del fenómeno es mayor, esto ocurre para reactivos en soluciones

más concentradas y para reactivos gaseosos a presiones más altas.

Según la teoría de choque cuando se utilizan reactivos más concentrados, es mayor la cantidad de partículas reactivas por unidad de

volumen y también la probabilidad de encuentro entre estas partículas, por lo que ocurrirán más choques por unidad de tiempo u por lo

tanto la velocidad de reacción será más alta.

Analíticamente, para la reacción genérica: a A(g) + b B(g) → c C(g) podemos usar la ley de velocidad 𝑣 = 𝑘 [𝐴]

ை(஺)

[𝐵]

ை(஻)

, donde O es el

orden de reacción de cada reactivo y k constante de velocidad (aumenta al subir T y con un catalizador).

Los valores de O se determinan experimentalmente, aunque en mecanismos simples (una sola etapa) coinciden con los coeficientes

estequiométricos.

CINÉTICA DE LAS REACCIONES IRREVERSIBLES

∆H

଴

0 reacción endotérmica, si T sube → k sube

∆H

଴

< 0 reacción exotérmica, si T sube → k baja

Cuanto más negativo es el cambio de energía libre estándar, más alto el valor de k y por lo tanto es mayor el grado de

transformación de reactivos en productos.

Relación entre k y la energía libre estándar: ∆𝐺

଴

= −𝑅𝑇 ln 𝑘

La relación entre los valores de Q (cociente de reacción) y K (constante de equilibrio) permite determinar si un sistema químico

está en equilibrio o hacia dónde evolucionará. El cociente de reacción Q se calcula igual que K pero usando concentraciones

actuales y no las de equilibrio.

○ El sistema está en equilibrio.

○ Las concentraciones actuales de reactivos y productos corresponden

1. Q = K:

a las del estado de equilibrio.

El sistema no está en equilibrio.

○

○ Hay menos productos y más reactivos de lo necesario.

○ El sistema evolucionará hacia la derecha (→), transformando reactivos en productos.

2. Q < K:

○ El sistema no está en equilibrio.

○ Hay más productos y menos reactivos de lo necesario.

○ El sistema evolucionará hacia la izquierda (←), transformando productos en reactivos.

3. Q > K:

Existen tres posibles casos:

POSICIÓN DEL SISTEMA RESPECTO DEL ESTADO DE EQUILIBRIO

• Principio de Le Chatelier:

"Al ejercer una perturbación externa sobre un sistema en equilibrio dinámico, éste evolucionará espontáneamente hacia otro estado

de equilibrio de manera de atenuar o anular el efecto de la perturbación."

1. El nuevo estado de equilibrio: hacia qué estado de equilibrio evolucionará el sistema al aplicarse una perturbación externa.
2. Condiciones óptimas para el rendimiento: identifica cuáles maximizan el rendimiento de la reacción.

Este principio permite predecir:

Para poder aplicarlo se debe modificar solamente una de las variables del sistema, manteniendo las demás constantes.

• Análisis cuantitativo: consiste en calcular el cociente de reacción y las cttes de equilibrio luego de las perturbaciones externas.

PERTURBACIONES A LOS SISTEMAS EN EL ESTADO DE EQUILIBRIO

Δn es la diferencia entre el número de moles de productos gaseosos y

reactivos gaseosos.

Para la reacción el único gas es CO2, por lo que: Δn=1−0=

○ Se ionizan de forma limitada.

La cantidad de H

ଷ

O

ା

○ se calcula con la constante Ka.

Para ácidos débiles con valores pequeños de Ka se puede usar la fórmula aproximada: 𝐾

௔

௑

మ

ெ

○ Si tienen más de un H+, las ionizaciones adicionales suelen ser despreciables.

2. SOLUCIONES ACUOSAS DE ÁCIDOS DÉBILES

○ Se disocian completamente en agua, por lo que no es necesario usar constantes de equilibrio.

○ En hidróxidos del grupo 2 (Ca, Sr, Ba), la concentración de OH− es el doble de la molaridad: [OH−]=2M

3. SOLUCIONES ACUOSAS DE BASES FUERTES

○ Se ionizan parcialmente en agua.

○ La cantidad de OH− se calcula usando la constante de equilibrio Kb.

Para bases con valores bajos de Kb, se aplica la fórmula aproximada: 𝐾 ௕

௑

మ

ெ

4. SOLUCIONES ACUOSAS DE BASES DÉBILES

5. SOLUCIONES ACUOSAS DE SALES :

• cationes neutros: no tienen comportamiento ácido ni básico,
• cationes ácidos: tiene comportamiento ácido.
• aniones neutros: no tienen comportamiento ácido ni básico,
• aniones básicos: tiene comportamiento básico

○ Los iones pueden clasificarse en:

a. Con Catión Neutro y Anión Neutro:

El agua disolverá la sal y disociará sus iones. Como estos iones son neutros, la solución mantendrá la concentración de H3O+ del agua

pura; a 25°C el pH será igual a 7.

b. Con Catión Ácido y Anión Neutro:

El agua disolverá la sal y disociará sus iones. Los aniones de estas sales son neutros y no reaccionarán con el agua. Sin embargo, el catión

actuará como un ácido débil, aumentando la concentración de H3O+ y haciendo que el pH sea menor que 7.

c. Con Catión Neutro y Anión Básico:

Si las sales son solubles en agua, esta disolverá la sal y disociará sus iones. Los cationes serán neutros y no reaccionarán con el agua. En

cambio, el anión actuará como una base débil, incrementando la concentración de OH−, lo que reducirá la concentración de H3O+ y

elevará el pH a un valor mayor que 7.

d. Con Catión Neutro y Anión Anfolito:

El agua disolverá el sólido y disociará sus iones. Los cationes neutros no reaccionarán con el agua, pero el anión anfolito podrá actuar

como una base débil y como un ácido débil. El pH de la solución estará determinado por la relación entre estas dos tendencias, como la

semisuma de los valores de pKa del anfolito y del ácido del cual este es su base conjugada.

Presentan a los iones de las sales completamente disociados.

Los ácidos reaccionan con sustancias básicas consumiéndose parcial o totalmente, dependiendo de las proporciones presentes. Si el ácido

desaparece por completo, decimos que ha sido neutralizado por la base.

EL VALOR pH DE LAS MEZCLAS DE ÁCIDOS CON BASES:

○ Tienen la capacidad de mantener el pH relativamente constante ante la adición de pequeñas cantidades de ácidos o bases fuertes.

○ Están compuestas por un ácido débil y una base débil, ambos formando un par conjugado.

El ácido débil permanece mayoritariamente en su forma molecular no disociada, funcionando como la reserva ácida del

sistema. Su función es amortiguar los agregados de bases fuertes.

La sal agregada aporta aniones básicos, que actúan como la reserva básica del sistema. Su función es amortiguar los

agregados de ácidos fuertes.

i. BUFFERES DE ÁCIDOS DÉBILES Y SUS SALES:

La base débil permanece en su forma molecular no disociada, funcionando como la reserva básica del sistema. Su función

es amortiguar los agregados de ácidos fuertes.

La sal aporta cationes ácidos, que actúan como la reserva ácida del sistema. Su función es amortiguar los agregados de

bases fuertes.

ii. BUFFERES DE BASES DÉBILES Y SUS SALES:

Ambas especies deben estar presentes en concentraciones similares y relativamente altas para que la solución funcione

eficientemente como reguladora.

SOLUCIONES REGULADORAS DE pH:

La neutralización completa ocurre cuando los reactivos están en la proporción estequiométrica, sin importar la fuerza relativa del ácido o la base.

El pH de la mezcla estará determinado por los productos de la reacción que tuvo lugar.