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Tema 5: Química del carbono
1.- El átomo de carbono
1.1.- Configuración electrónica del carbono
El carbono tiene número atómico Z=6, luego tiene 6 protones, y sin ionizar tiene 6 electrones también. Su configuración electrónica es; 1 s2 2 s2p2. Así, tiene cuatro electrones de valencia, que según la ley de máxima multiplicidad de Hund se disponen según el esquema:
Hay dos orbitales p del segundo nivel semillenos. Se dice que tiene covalencia 2.
Pero con muy poca energía (que ocurre a temperatura ambiente), se alcanza un estado muy estable en el cual hay cuatro orbitales semillenos, tal y como se muestra en la figura:
Así, quedan cuatro orbitales semillenos. En este caso el carbono tiene covalencia 4.
La covalencia nos indica el número de enlaces covalentes que puede formar el carbono. Por tanto, el carbono formará cuatro enlaces covalente, es decir, compartirá cuatro electrones con otros cuatro de otros átomos, completando el nivel dos, y alcanzando, por tanto, una gran estabilidad energética.
1.2.- Tipos de enlaces
El carbono tiene cuatro electrones de valencia, y por tanto, tiende a formar cuatro enlaces covalentes (recuerda la regla del octeto). Mediante diagramas de Lewis lo representamos así:
Cada puntito representa un electrón de valencia que podrá compartir con otro átomo, como por ejemplo:
done los comparte con el electrón de cuatro hidrógenos. Así, el carbono consigue sus ocho electrones mientras que el hidrógeno consigue dos, que son los que le da estabilidad al alcanzar la configuración electrónica del helio.
Los pares de electrones de cada enlace, se suelen representar por segmentos, como en la figura:
Esta molécula es la de metano: CH4.
2 En esta molécula cada carbono forma un doble enlace y dos simples enlaces. Pudiera ocurrir que un carbono formara dos dobles enlaces, como ocurre con el átomo central de carbono en la molécula de propandieno:
Por último, un carbono puede formar un triple enlace junto con uno simple, como sucede en las moléculas de etino o acetileno (C2H2):
Cuando un carbono forma un triple enlace con otro carbono forma una molécula lineal, sin embargo, cuando lo hace con un doble enlace forma una molécula plana. Por último, si el carbono se enlaza con simples enlaces la estructura es tridimensional, ya que los cuatro enlaces simples se orientan en las tres dimensiones espaciales; como si el carbono estuviera en el centro de un tetraedro y sus enlaces se dirigieran hacia los vértices de éste:
Así, la apariencia de la molécula de metilbutano es:
1.3.- Cadenas de carbonos
El carbono tiene la propiedad de unirse a otros carbonos formando cadenas desde pocos átomos hasta miles o más. Pueden formarse cadenas abiertas, cerradas, con o sin ramificaciones, superficies planas o curvadas, etc.
En las cadenas lineales de carbonos, se denomina carbono primario a aquellos que están unidos únicamente a otro carbono, pudiendo estar unido también a otros elementos como el hidrógeno. Los carbonos secundarios son los que están unidos a dos carbonos, los terciarios a tres y los cuaternarios a cuatro.
En el ejemplo, los carbonos A, E, L, K, G y H son primarios. Los carbonos B, I y D son secundarios. Los carbonos F y J son terciarios, y el carbono C es cuaternario.
1.4.- Compuestos orgánicos
3 posteriormente otras sustancias orgánicas. Se conocen más de quince millones de compuestos orgánicos, formados por moléculas más o menos complejas basadas en cadenas de átomos de carbono. Gracias a la complejidad de las moléculas que se pueden formar con el carbono es posible producir seres vivos, con la complejidad que ello supone. Por eso, al carbono muchas veces se le ha llamado el elemento de la vida.
1.5.- Formulación de las sustancias
Con las fórmulas, representamos los distintos elementos que forman un compuesto. Podemos distinguir tres tipos de fórmulas:
- Fórmula molecular. En ella sólo se especifica los elementos que forman el compuesto y la cantidad. Por ejemplo, el metilpropano sería:
- Fórmula semidesarrollada. En este tipo se despliegan los distintos carbonos de la cadena. El metilpropano sería:
También, suele escribirse de la siguiente manera:
- Fórmula desarrollada. Se muestran todos los enlaces. El metilpropano sería:
2.- Clasificación de las sustancias con carbono
2.1.- Variaciones alotrópicas del carbono
El carbono puro se muestra en la naturaleza formando distintas estructuras cristalinas cuando se encuentra en estado sólido. Las más conocidas son el diamante y el grafito. Ambas son carbono puro, únicamente se diferencian en la manera en la que se enlazan los átomos de carbono.
4 También se están encontrando otras estructuras más complejas, como el grafeno, que consiste únicamente en una lámina de grafito:
O el fullereno:
O los nanotubos:
Además, existen formas amorfas de carbono mezclado con otras sustancias, es lo que llamamos carbón. Dependiendo de la pureza, clasificamos el carbón en antracita (mayor del 85% de pureza de carbono), hulla (entre el 70% y el 80%), lignito (entre 60% y 70%), etc.
2.2.- Compuestos del carbono
El carbono se encuentra también formando parte de compuestos inorgánicos, como el CO, el CO2 y los carbonatos, como los carbonatos de calcio formando principalmente calcita, o distintas rocas como el mármol o la caliza.
Pero la mayoría de los compuestos formados por el carbono son orgánicos; sustancias que los seres vivos forman: hidrocarburos, alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, ésteres, aminas, amidas, nitrilos, nitrocompuestos, etc.
5 obtiene a partir del CH2=CHCl (cloroeteno); –CH2-CHCl–. Al ser muy resistente se fabrican perfiles para ventanas, tubos para cañerías, etc. Por último, consideraremos el Poliestileno, que es un plástico con el que se fabrican carcasas para aparatos electrónicos, ordenadores, etc.
3.- Grupos funcionales y series homólogas
Un grupo funcional consiste en una agregación de uno o más átomos unidos siempre de la misma manera en la cadena carbonatada. Es responsable de las propiedades químicas de la molécula.
Entendemos por una serie homóloga a aquellas moléculas del mismo grupo funcional que únicamente se diferencian en el número de metilenos (-CH2-). Tienen por tanto, propiedades químicas parecidas, mientras que las propiedades físicas dependen del tamaño de la molécula. Así, la temperatura de fusión y ebullición van aumentando con el tamaño de éstas.
Los compuestos polifuncionales son aquellos que tienen varios grupos funcionales. A la hora de nombrarlos se da prioridad al grupo cuyas propiedades son más visibles. Según esto, los grupos funcionales ordenados de mayor prioridad a menor son:
4.- Reglas de formulación y nomenclatura
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5.- Propiedades generales de algunos compuestos orgánicos
5.1.- Alcanos
Los alcanos se obtienen del gas natural y del petróleo fundamentalmente. El metano y el etano, en estado gaseoso, se extraen del gas natural, ya que éste está formado por un 85% de metano y el 10% de etano aproximadamente. El propano y el butano gaseosos se separan del petróleo, ya que aparecen disueltos en éste. A partir del pentano, ya son líquidos, se obtienen mediante destilación fraccionada del petróleo.
Los alcanos son sustancias insolubles en agua, flotando en ella. Su temperatura de fusión y ebullición van aumentando con el tamaño de las moléculas. Así, desde el metano al butano son gases a temperatura ambiente, desde el pentano hasta las cadenas de 17 carbonos son líquidos y a partir de 18 carbonos son sólidos.
Los alcanos son bastante estables químicamente, por lo que reaccionan con muy pocas sustancias. La principal reacción es la de combustión, en la que se combina con el oxígeno del aire produciendo una gran cantidad de energía.
Otra reacción que pueden producir es la halogenización, en la que un hidrógeno es sustituido por un halógeno.
5.2.- Alquenos y alquinos
Con respecto a las propiedades físicas podemos decir lo mismo que de los alcanos. Y con respecto a sus propiedades químicas, pueden producir reacciones de adición al doble enlace, donde se rompe un doble enlace y se enlaza una molécula de agua, formando un alcohol, o un haluro de hidrógeno, formando un derivado halogenado. Pueden producir reacciones de polimeración, como por ejemplo, a partir del eteno formar el polietileno. Por último, pueden producir reacciones de combustión, dando lugar a gran cantidad de energía.
5.3.- Propiedades de los compuestos oxigenados
Las propiedades que diferencian estos compuestos de los hidrocarburos viene dada por la presencia del enlace C-O. Este enlace es muy polar, con la parte negativa hacia el oxígeno. Esto hace que las sustancias más ligeras sean solubles en agua, ya que las moléculas polares de agua pueden atacar estas zonas cargadas y extraer átomos de la molécula. También, sus puntos de fusión y ebullición son más altos que los de sus correspondientes hidrocarburos, puesto que las fuerzas de cohesión entre las moléculas es mayor debido a la atracción entre los distintos dipolos de las moléculas. Además, son más activos químicamente, ya que son muchas las sustancias que se pueden ser atraídas por las zonas de carga eléctrica en la molécula.
5.4.- Propiedades de los compuestos nitrogenados
Estas sustancias se caracterizan generalmente por el enlace muy polar N-O. Las fuerzas de cohesión que aparecen entre moléculas hacen que sus puntos de fusión y ebullición sean bastante elevados, por ejemplo, las amidas se presentan en estado sólido a temperatura ambiente. Además, podemos destacar que las aminas se comportan como una base frente al agua, por eso, no podemos decir que las aminas se disuelvan en agua, sino que experimentan una reacción ácido-base con ella.
6.- Isomerías
Dos sustancias isómeras son aquellas que responden a la misma fórmula molecular, pero sin embargo son sustancias distintas. Se pueden diferenciar la isomería estructural o plana y la estereoisomería o del espacio.
6.1- Isomería estructural
Se trata de moléculas cuya diferencia se puede observar en su fórmula plana. La podemos clasificar en:
7 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentano)
CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 (metilbutano) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C5H12.
O por ejemplo:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (hexano)
CH3-CH(CH3)(CH3)-CH2-CH2-CH3 (2,2-dimetilbutano) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C6H14.
- Isomería de posición: las moléculas tienen la misma cadena, y con el mismo grupo funcional pero en distinta posición (puede ser también un doble o triple enlace). Ejemplo:
CH2=CH-CH2-CH2-CH3 (pent-1-eno) CH3-CH=CH-CH2-CH3 (pent-2-eno) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C5H10.
Otro ejemplo:
CH3-CH(OH)-CH2-CH2-CH2-CH3 (hexano-2-ol) CH3-CH2-CH(OH)-CH2-CH2-CH3 (hexano-3-ol) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C6H14O.
Otro ejemplo:
CH3-CH(O)-CH2-CH2-CH3 (pentan-2-ona; metilpropilcetona) CH3-CH2-CH(O)-CH2-CH3 (pentan-3-ona; dietilcetona) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C5H10O.
O también:
CH3-O-CH2-CH2-CH3 (metoxipropano; metilpropiléter) CH3-CH2-O-CH2-CH3 (etoxietano; dietiléter) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C4H10O.
- Isomería de función: las moléculas tienen distinto grupo funcional. Por ejemplo: CH3-CH2-O-CH3 (metoxietano; etilmetiléter)
CH3-CH2-CH2-OH (propano-1-ol) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C3H8O.
Otro ejemplo:
CH3-CH2-CHO (propanal)
CH3-C(O)-CH3 (propanona; dimetilcetona) Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C3H6O.
También:
8 CH3-CH2-COOH (ácido propanoico)
Estas dos sustancias responden a la fórmula molecular C3H6O2. O también puede ser en una función secundaria:
CH3-C(O)-COOH (ácido oxopropanoico) CH2=C(OH)-COOH (ácido 2-hidroxiprop-2-enoico)
6.2- Estereoisomería
Para entender este tipo de isomería hay que imaginar la molécula en el espacio tridimensional.
- Isomería geométrica: este tipo de isomería la presentan los compuestos con algún doble enlace. Nosotros podemos imaginar la molécula de but-2,3-diol en el espacio así:
o así:
realmente se trata de la misma molécula puesto que los átomos pueden girar en torno a los enlaces simples. Por eso, si el carbono que tiene un grupo OH se gira 180° se obtiene la otra molécula. De hecho, debido a la agitación térmica de las moléculas, estos giros se producen continuamente y la molécula tiene una apariencia en unos instantes y la otra en otros. Sin embargo, cuando dos carbonos están enlazados mediante un doble enlace, el giro ya no es posible, y entonces existirán las dos versiones de las moléculas. Una de ellas no se puede transformar en la otra mediante giro. Por tanto, existen dos moléculas distintas del but-2-en-2,3-diol:
(cis) y (trans)
La primera es la versión cis y la segunda la trans. Si al nombrarlas queremos distinguirlas, debemos incluir este término al principio: cis but-2-en-2,3-diol, y trans but-2-en-2,3-diol.
Otro ejemplo es el but-2-eno:
(cis) y (trans) Un último ejemplo con el 4-etil-3-metilhept-3-eno:
(cis) y (trans)
9 o así:
No son realmente la misma molécula. Girando la primera molécula nunca podremos conseguir la segunda. Una es la imagen especular de la otra, análogamente ocurre con nuestras manos, una es imagen especular de la otra. No se puede girar la mano derecha y conseguir la mano izquierda.
Por tanto, la molécula 3-metilhexano presenta esta isomería puesto que tiene un carbono asimétrico:
Otro ejemplo es el 4-etil-4-metiloctano:
Otro, ácido 2-nitropropanoico:
Otro, 3-metilhexano-3-ol:
Otro, ácido 2-hidroxipropanoico:
Otro, ácido 2-aminobutanoico:
Otro, 1-metilpropilamina:
Último ejemplo, metoxi-1-etil-1-metiletano-2-ol:
7.- Reacciones de interés
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7.1.- Reacciones de combustión
En esta reacción la sustancia orgánica reacciona con el oxígeno produciendo dióxido de carbono, agua y una gran cantidad de energía. Es la manera en la que nuestro organismo extrae la energía de los alimentos. Así, cuando los alimentos se descomponen en los distintos nutrientes son “quemados” por etapas en las mitocondrias obteniendo la energía que se necesita para realizar las distintas funciones vitales (respiración mitocondrial). Los glúcidos son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno que forman más del 50 % de la masa de los alimentos. El más simple de todos los glúcidos es la glucosa (2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal), cuya ecuación termoquímica cuando sufre la combustión es:
Como vemos, por cada mol de glucosa se obtiene 2800 kJ que son unas 670 kcal.
El proceso de fotosíntesis en los cloroplastos de las plantas es el inverso; con dióxido de carbono, agua y energía solar se forma glucosa.
7.2.- Reacciones de condensación
Son reacciones en las que se desprende agua.
- Se denomina reacción de esterificación a la formación de un éster (grasas y aceites) a partir de un ácido carboxílico y un alcohol, desprendiendo además agua. Por ejemplo, el ácido etanoico (ácido acético) puede reaccionar con el etanol para producir etanoato de etilo y agua:
O con más detalle:
- En las reacciones de amidación se forma una amida mediante un ácido carboxílico y una amina, desprendiéndose agua. Por ejemplo, el ácido propanoico puede reaccionar con el metilamina para formar N-metilpropanamida y agua.
O más detalladamente:
La unión –CONH– recibe el nombre de enlace peptídico, y es muy importante en biología. - Reacciones entre aminoácidos. De manera análoga a como se forma
11 El aminoácido más simple es la glicina (ácido 2-aminoetanoico), y el siguiente la alanina (ácido 2-aminopropanoico). Veamos la ecuación química de la unión de una molécula de glicina con otra de alanina, formando el dipéptico glicina-alanina más una molécula de agua.
