QUIMICA ORGANICA PARA INGENIERIA QUIMICA UNIDAD DIDACTICA I CAPITULO II: ATOMOS Y MOLECULAS Dra. Ing. Amanda Maldonado Farfán amanda.maldonado@unsaac.edu.pe CONTENIDO ▪ Átomos y moléculas ▪ Estructura electrónica de los átomos ▪ Electronegatividad ▪ Enlaces covalentes y momentos de enlace ▪ Polaridad molecular ▪ Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades químicas La posición del carbono en la Tabla Periódica Los elementos más importantes son: C, H, O, N ESTRUCTURA ELECTRONICA DE LOS ATOMOS • Cada nivel electrónico esta asociado con cierta cantidad de energía. La capa electrónica mas cerca al núcleo es la de energía mínima. • No es posible determinar con toda precisión la posición de 1 econ respecto al núcleo del átomo, pero si la localización mas probable. ESTRUCTURA ELECTRONICA DE LOS ATOMOS • Cada nivel electrónico de un átomo se subdivide en ORBITALES ATOMICOS, que es la región del espacio, donde la probabilidad de encontrar un electrón de un contenido de energía especifico, es muy elevada. Se usa también el concepto de DENSIDAD ELECTRONICA Diagrama de la densidad electrónica del orbital atómico 1s La densidad electrónica es más alta cerca del núcleo y disminuye exponencialmente al aumentar la distancia al núcleo en cualquier dirección. Diagrama de la densidad electrónica del orbital atómica 2s. Los orbitales 2s tienen una pequeña región de densidad electrónica elevada próxima al núcleo, pero la mayor parte de la densidad electrónica está alejada del núcleo, más allá del nodo o región de densidad electrónica cero. Representaciones de los orbitales 2p y su diagrama de la densidad electrónica. Hay tres orbitales 2p, orientados unos con respecto a los otros perpendicularmente. Se nombran según su orientación a lo largo del eje x, y o z. Puesto que estos orbitales son equivalentes en forma y distancia al núcleo y poseen igual contenido energético se denominan DEGENERADOS Cualquier orbital puede alojar un máximo de 2 e-, pero estos han de poseer spin opuesto. Teniendo en cuenta, el numero de orbitales en cada nivel energético. Estos alojan 2,8,18 e-respectivamente. A la descripción de la estructura electrónica de un elemento dado se llama CONFIGURACION ELECTRONICA. Regla Hund, Al llenar los OA, no se produce el apareamiento de 2 e en orbitales degenerados hasta que cada uno de estos contenga ya 1 e EJERCICIO: Realizar la configuración electrónica de los elementos de los períodos 1º y 2º: Ejm H : 1S1 Electrones de valencia • Son los electrones que se encuentran en la última capa del átomo. • A través de la configuración electrónica podemos saber el número de electrones de valencia que tiene un átomo y por lo tanto el número de enlaces que puede formar. Por ejemplo: – Hidrógeno No. atómico = 1 – Configuración electrónica 1s1 Puede formar solamente 1 enlace covalente porque presenta un orbital s a medio llenar. H H H C C H H H Electrones de valencia – Carbono No. atómico = 6 – Configuración electrónica 1s2 / 2s2 2px12py1 – Tiene 4 electrones de valencia El C forma exclusivamente 4 enlaces covalente . H H H C C H H H RADIO COVALENTE ES LA DISTANCIA DESDE EL CENTRO DEL NUCLEO HASTA LOS ELECTRONES MAS ALEJADOS. DETERMINA MIDIENDO LA LONGITUD DE ENLACE, Los radios atómicos varían según la fuerza atractiva entre el núcleo y sus e-, cuanto mayor es la atracción, menor es el radio atómico. Que factores influyen sobre esta atracción? -El Nº de protones en el núcleo - El Nº de niveles electrónicos ocupados SE ELECTRONEGATIVIDAD Es una medida de la capacidad de un átomo para atraer sus electrones externos o de valencia, ya que son estos e- los que se usan para el enlace Que factores influyen sobre esta propiedad? -El No de protones en el núcleo - El No de niveles electrónicos ocupados La electronegatividad es de utilidad para predecir y explicar la reactividad química Electronegatividad :Escala de Paulling ENLACE QUIMICO • A causa de sus diferentes estructuras electrónicas los átomos pueden enlazarse unos con otros, través de ENLACES, para formar moléculas de diversas maneras. El tipo de enlaces influye en las propiedades químicas de las moléculas Cuando forman los átomos enlaces iónicos y cuando covalentes? Los enlaces ionicos se forman cuando la diferencia de electronegatividad entre dos atomos es elevada , mayor a 1.7 Los enlaces covalentes se forman cuando la diferencia de electronegatividad entre dos átomos es menor a 1.7 TIPOS DE ENLACES COVALENTES No polares que se forman con átomos de igual o parecida electronegatividad. Los átomos ejercen una atracción igual o muy semejante sobre los e de enlace Polares que se forman con átomos de diferente electronegatividad, donde el átomo mas electronegativo tiene una atracción mas fuerte por los e- de enlace, no tanto para separarse en forma iónica pero si suficiente para llevar hacia el, gran parte de la densidad electrónica de dicho enlace ENLACE COV. NO P0LAR ENLACE COV. P0LAR Electronegatividad y polarización del enlace. El grado de polaridad de un enlace depende: - diferencia de electronegatividades de los átomos que lo constituyen - del tamaño de los átomos. MOMENTO DE ENLACE Es una medida de la polaridad del enlace puede calcularse a partir del valor de la fuerza experimentada por dicho enlace, en Debyes , D. Los momentos de enlace varían de 0.4 D para un enlace no polar C-H, hasta 3.5 D para el altamente polar CΞN Enlace Longitud típica (A) Momento de enlace (D) Energía de disociación (kcal/mol) C-H 1.07 0.4 99 C-C 1.54 0 83 C=C 1.33 0 146 CºC 1.2 0 200 C-N 1.47 0.22 73 C=N 1.3 1.9 147 CºN 1.16 3.5 213 C-O 1.43 0.74 86 C=O 1.23 2.3 184 C-Cl 1.78 1.46 81 C-Br 1.93 1.38 68 C-I 2.14 1.19 51 POLARIDAD DE LAS MOLECULAS NO POLARES .Enlaces no polares Enlaces polares que se cancelan POLARES Enlaces polares que NO se cancelan Efecto de la polaridad Influye en la temperatura de fusión de los compuestos orgánicos • Moléculas con mayor µ poseen mayor temperatura de fusión. Ejm 1) Clorometano PM 50 Butano 58 2) Etanol 46 Propano 44 3) Decanol 158 4) Undecano 154 pf -57 C -138.3 C -113.3 C -187.7 C 6C -25.6 C Efecto de la polaridad • Moléculas con mayor simetría molecular, presentan mayor temp de fusión. Ejm 2-metil pentano 2,3-dimetil-butano Hexano Ciclohexano p.f. -153.6 C -128.4 C - 95.3 C 6.6 C La temp de fusión de los isómeros trans son igualmente mas altas, esto se debe al mejor empaquetamiento de las moléculas en los cristales Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 1.- DIPOLO-DIPOLO: En las moléculas polares se atraen y repelen. Por ejm. las moléculas de CH3I en estado liquido puede atraerse o repelerse mutuamente, según su orientación relativa (FUERZAS DIPOLO-DIPOLO). Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 2.- DIPOLOS INDUCIDOS: Las moleculas no polares se atraen entre si, mediante interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas FUERZAS DE LONDON, que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por otra. Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas Las diferentes interacciones dipolo-dipolo y dipolos inducidos, atractivas y repulsivas se denominan conjuntamente FUERZAS DE VAN DER WAALS Se llama RADIO DE VAN DER WAALS a la distancia a la que la que la fuerza atractiva es máxima Cuando 2 atomos se aproximan a distancias mas cortas que este radio, se desarrollan FUERZAS REPULSIVAS Cuando la distancia entre 2 moléculas es superior a dicho radio, las fuerzas atractivas disminuyen Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION Moléculas de cadena lineal como el n-heptano pueden alinearse paralelamente en zig-zag, dando ocasión a los átomos de diferentes moléculas de adoptar posiciones coherentes con los radios de Van Der Waals, de forma que las fuerzas atractivas entre las cadenas alcancen su valor máximo. Hay mayor superficie de contacto entre las moléculas Las moléculas con cadenas ramificadas no pueden aproximarse tan estrechamente y las fuerzas de Van Der Waals son consiguientemente menores Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION Para liberar moléculas en estado liquido es preciso proporcionar mucha energía, para vencer las atracciones de Van Der Waals, entonces los compuestos con moléculas lineales poseen puntos de ebullición superiores a los compuestos con moléculas ramificadas de estructura y peso molecular similares. Asi el n-octano hierve a 125.7ºC y el 2,2,3,3tetrametil butano hierve a 106.3ºC. Es cierto? Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION • .La superficie efectiva de contacto entre dos moléculas disminuye cuanto más ramificadas sean éstas. • Las fuerzas intermoleculares son menores en los alcanos ramificados y tienen puntos de ebullición más bajos Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION ¿Encuentras alguna pauta de comportamiento en los puntos de ebullición de los alcanos? Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION Lo mismo sucede con los derivados funcionales de los hidrocarburos. Por ejm n-butanol 2-metil-propanol Trimetil-metanol P.eb. 117ºC 107ºC 85º C (alcohol-t-butilico) Las moléculas de los hidrocarburos son las que tienen una menor atracción intermolecular y sus puntos de ebullición, son los mas bajos, para pesos moleculares análogos Un buen punto de referencia para las moléculas no asociadas es el heptano, que tiene un peso molecular de 100 y P.eb 100ºC Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas EFECTO EN LA TEMP DE EBULLICION Cuando las moléculas tienen sustituyentes que le dan fuerte polaridad el punto de ebullición es mayor Metano Nitrometano Butano P.eb. -161.7 C 105.5 C -0.5 C PM 16 61 58 El nitrometano posee un P.eb mas elevado, debido a las atracciones dipolo-dipolo que suponen una mayor energia, que hay que aportar para separar las moleculas Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO Un tipo de interacción dipolo-dipolo, especialmente fuerte se produce en las moléculas que contienen átomos de H enlazados a N, O o F. Estos elementos son muy electronegativos ( 3, 3.5 y 4) y poseen pares de e no compartidos Ejm: H2O, CH3OH, NH3, CH3NH2, HF. Las moléculas de estos compuestos experimentan fuertes atracciones mutuas en estado liquido La unión se produce entre el atomo de hidrogeno parcialmente positivo (δ+) de una molecula, que es atraido por el par de e no compartidos del atomo electronegativo (δ-) de la otra molecula, dando lugar a la interaccion llamado ENLACE DE HIDROGENO Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO Las energías de disociación en comparación son: - Enlace covalente típico: 80 -110 Kcal/mol ( 96 pm) - Enlace puente hidrogeno: 5 – 10 Kcal/mol (207 pm) - Fuerzas de Van Der Waals: 0.05 - 0.5 Kcal/mol La razón de esta ultima diferencia reside en el tamaño de los átomos implicados No todos los enlaces de H presentan la misma fuerza. Un enlace O…HO es mas fuerte que un enlace N…HN. Cual es la causa? Ejm Metanol y metil-amina Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO La cantidad de energía que se necesita para romper algunos tipos de enlace H en Kcal/mol es: OH…N 7 Kcal/mol OH…O 5 Kcal/mol NH…N 3 Kcal/mol NH…O 2 Kcal/mol El enlace OH…N es el mas fuerte, debido a que el N es menos electronegativo que el O, su par electrónico libre esta retenido con menos intensidad y es mas fácilmente atraído por otro átomo. Por otra parte, el enlace OH, posee un H mas positivo que el NH. Ambos factores se combinan, para dar un enlace H bastante fuerte. Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO Los compuestos apolares no forman enlaces de H por dos razones: - Al no ser polar el enlace C-H, la molécula no posee átomos de H parcialmente positivos - El átomo de C no posee pares de e libres para atraer al átomo de H Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO: EFECTO EN LA TEMPERATURA DE EBULLICION Los enlaces de H actúan en cierto modo como aglutinante entre moléculas El enlace H afecta al punto de ebullición en mayor grado que la ramificación. Para volatilizar un liquido con enlace de H, es preciso suministrar una energía adicional para romper dichos enlaces de H intermoleculares. Ejm Etanol Dimetil-eter Propano PM:46 46 44 P.eb 78.5ºC Estado: liquido -23.6ºC gas -45ºC gas Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO: EFECTO EN LA TEMPERATURA DE EBULLICION Ejm Metano PM:16 P.eb -161ºC Metanol 32 65ºC Etano 30 -88ºC Ejm n-propanol PM:60 P.eb 97.2ºC N-propilamina 59 50ºC Metil-etil-amina 59 36ºC Trimetil-amina 59 4ºC Las aminas dan puentes H que son menos fuerte que los de los alcoholes, por la menor polaridad del enlace N-H Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3- ENLACE PUENTE HIDROGENO: IMPORTANCIA INDUSTRIAL El elevado costo energético de la concentración de zumos y soluciones acuosas por evaporación y el de la destilación del alcohol se debe a los enlaces por puente H Asimismo, los puentes H están implicados en la resistencia de la fibra de la celulosa y la fortaleza de los troncos y tallos, en las propiedades de las proteínas, en la estructura y funciones el ADN, etc Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas 3- ENLACE PUENTE HIDROGENO: EFECTO EN LA SOLUBILIDAD La solubilidad de los compuestos covalentes en agua, es otra propiedad directamente afectada por el enlace H. Un compuesto que puede formar enlace H con el agua, tiende a ser mas soluble en ella que uno que no los forma Los azucares tales como la glucosa, contienen varios grupos OH y son bastante solubles en agua. En contraposición el hexano no puede formar enlaces H y no puede tampoco romper los existentes en el agua, por tanto es insoluble en este Enlaces intermoleculares y su influencia en las propiedades físicasEFECTO EN LA 3.- ENLACE PUENTE HIDROGENO: SOLUBILIDAD El acido acético, metanol, etano, son solubles en agua en todas las proporciones. Sin embargo la influencia de dichos grupos solubilizadores, se debilita cuando aumenta el numero de carbonos de la molécula La solubilidad en agua de los 6 primeros alcoholes es: Metanol: todas las proporciones Etanol: todas las proporciones n- propanol: todas las proporciones n- butanol: 7.9 g/100 ml n- pentanol: 2.2 g/100 ml n-hexanol: 0.7 g/100 ml La ramificación de las cadenas aumenta la hidrosolubilidad, al disminuir la superficie hidrofóbica. Asi, el alcohol t-butilico es muy soluble en agua TRABAJO COLABORATIVO 2 RESOLVER LAS SIGUIENTES PREGUNTAS EN FORMA GRUPAL: 1.- Analizando las estructuras químicas de las moléculas siguientes, asignar las respectivas temperaturas de ebullición (de < a >). Fundamentar las respuestas: A) 2-metil-butano, pentano, tetrametil-metano: 28ºC, 36ºC y 9.5ºC B) n-hexano, 2-metil-pentano y 2,2-dimetil-butano: 60.3ºC, 49.7ºC y 68.7ºC 2.- a) ¿Por qué hay diferencia en las temperaturas de ebullición de los siguientes compuestos: dietil-éter, butano, 1butanol y n-butóxido de sodio?.Las respuestas deben incluir además, la demostración con estructuras de las moléculas y las respectivas fuerzas intermoleculares 3,- Cuál de las siguientes sustancias NO puede formar enlaces por puentes de hidrógeno, entre sus moléculas y por qué? A) CH3OH B) CH4 C) H2O D) HF E) NH3 INSTRUCCIONES: EL TRABAJO LO REMITE SOLO EL DELEGADO(A) DE CADA GRUPO, ADJUNTANDO EL ARCHIVO (FOTO).
