QUÍMICA 14 de Febrero de 2002

EXAMEN FINAL TEORÍA

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1 Describa brevemente cuál es a su entender la principal aportación de cada uno de los siguiente científicos al conocimiento sobre la estructura del átomo: Ernest Rutherford, Niels Bohr y Erwin Schrödinger.

Ernest Rutherford: Modelo planetario del átomo (1911). En el átomo toda la carga positiva y casi toda la masa se concentran en un pequeño punto denominado núcleo atómico, alrededor del cual giran los electrones de carga negativa.

Niels Bohr: (1913) Acepta el modelo planetario de Rutherford, pero aplica las teorías cuánticas de Planck y Einstein para calcular la energía del electrón en el átomo de hidrógeno en los diferentes orbitales posibles.

Erwin Schrödinger: (1926) Aplicó el carácter ondulatorio del electrón postulado por Louis de Broglie en 1924 en la descripción de la estructura del átomo de hidrógeno. Elabora una ecuación de onda que relaciona la energía con la función de onda del electrón. Las soluciones coherentes se llamaron orbitales atómicos y están definidos por tres número cuánticos.

2 Defina los siguientes conceptos: Número atómico; Número másico; Masa atómica; Isótopos de un elemento; Nucleones.

Número atómico: número de protones que contiene un núcleo

Número másico: número total de protones más neutrones de un núcleo

Masa atómica: masa de todas las partículas del átomo

Isótopos de un elemento: átomo con el mismo número de protones y electrones pero con diferente número de neutrones.

Nucleones: partículas del núcleo atómico, tanto protones como neutrones.

3 Describa las ideas básicas de la Teoría de Orbitales Moleculares para explicar el enlace covalente.

Cuando dos o más átomos pasan a formar parte de una molécula comparten todos sus electrones que pasan a formar parte de nuevos orbitales moleculares.

Los orbitales moleculares se generan por combinación lineal de orbitales atómicos de la misma o parecida energía. Se obtiene una nueva función de onda para el orbital molecular.

Por combinación de dos orbitales atómicos se obtienen dos orbitales moleculares diferentes, uno enlazante, cuya ocupación tiende a cohesionar la molécula, y otro antienlazante, cuya ocupación tiende a desunirla.

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• Explique brevemente qué son las Fuerzas de Van der Waals, las Fuerzas de London, el Enlace o Puente de Hidrógeno y el Efecto Hidrófobo.

Fuerzas de Van der Waals: Interacciones electrostáticas débiles entre moléculas, átomos y/o iones

Fuerzas de London: Fuerzas de Van der Waals entre moléculas o átomos apolares. Son FDW dipolo inducido-dipolo inducido.

Enlace de Hidrógeno: FDW entre una molécula polar que contenga enlaces N-H, O-H, F-H y otra molécula polar que contenga un átomo pequeño, electronegativo con pares de electrones no compartidos como O, N y F. El hidrógeno con una carga parcial positiva muy grande interacciona fuertemente con el átomo electronegativo.

Efecto Hidrófobo: Tendencia de las moléculas apolares a agruparse en un solvente polar por razones energéticas.

• Describa detalladamente la estructura de la molécula de benceno (y dibújela).

Anillo hexagonal regular plano en el que los seis carbonos están hibridados en sp2. Cada carbono está unido a su vecino por un enlace sigma sp2-sp2. Con los seis orbitales pz sin hibridar de estos carbonos se van a formar seis orbitales moleculares ð. Los tres ð enlazantes presentan geometrías que tomadas juntas dan lugar a una nube electrónica ð distribuida homogéneamente por todo el anillo, con densidades ð por encima y por debajo del anillo hexagonal. Esta peculiar estructura ð da al benceno una enorme estabilidad estructural y energética que hace que la molécula sea muy poco reactiva.

• Defina brevemente los siguiente conceptos: Reacción Polar; Reacción por Radicales; Reacción de Sustitución; Agente Electrófilo.

Reacción Polar: Reacción donde la ruptura o formación de un enlace es electrónicamente asimétrica; uno de los dos reactivos aporta o se lleva el par de electrones del enlace.

Reacción por Radicales: Reacción donde la ruptura o formación de un enlace es electrónicamente simétrica; los dos reactivos aportan o se llevan un electrón del enlace.

Reacción de Sustitución: Reacción donde dos reactivos intercambian partes para formar dos productos nuevos.

Agente Electrófilo: Átomo o molécula con carga positiva parcial o completa, que tiene por tanto apetencia por los electrones.

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• Explique detalladamente las diferencias estructurales, en propiedades físicas y en reactividad química entre alcanos y alquenos.

La única diferencia estructural entre alcanos y alquenos es que estos últimos poseen uno o más dobles enlaces. Donde hay un doble enlace está impedido el giro libre entorno a ese enlace. Esto implica que los alquenos presentan zonas en la molécula muy rígida sin posibilidad de cambio conformacionales. Esta mayor rigidez en alquenos determina que presenten propiedades físicas (punto de fusión, ebullición, etc.) inferiores a los alcanos de peso molecular similar puesto que se ven dificultadas sus interacciones por fuerzas de Van der Waals. Los alquenos son más reactivos que los alcanos puesto que los dobles enlaces son puntos de ataque químico de agentes electrófilos. Sufren reacciones de adición al doble enlace. Los alcanos son muy poco reactivos y puede sufrir sustituciones de hidrógeno.

• Defina en términos químicos a un alcohol y a un fenol. Describa en qué se parecen y en qué se diferencian ambos tipos de compuestos orgánicos a nivel de propiedades físicas y químicas.

Un alcohol es un compuesto que presenta un grupo OH unido a un carbono hibridado en sp3 (carbono de carbinol). Un fenol es un compuesto que presenta un grupo OH unido a un carbono sp2 de un anillo de benceno. Los alcoholes y los fenoles forman puentes de hidrógeno por lo que sus propiedades físicas son elevadas en comparación con los hidrocarburos. Ambos pueden liberar el protón del grupo OH, aunque los fenoles con más fuerza por que su enlace está más polarizado y el ión fenolato está estabilizado por resonancia. Los fenoles a diferencia de los alcoholes no sufren reacciones de rotura del enlace C-OH (ni sustitución ni deshidratación), porque está muy estabilizado por el efecto del anillo aromático. Su principal reacción es la sustitución aromática electrofílica como en el benceno.

• Describa el grupo funcional carbonilo (y dibújelo). Explique cuál es a su entender la principal reacción química que sufren los compuestos que poseen el grupo carbonilo (aldehídos, cetonas, ácido carboxílicos y derivados de ácidos).

Un carbono hibridazo en sp2 unido a un oxígeno sin hibridar mediante un doble enlace. Un enlace de tipo sigma se forma por solapamiento longitudinal entre un orbital híbrido sp2 del carbono y un orbital del oxígeno. El orbital no híbrido del carbono solapa lateralmente con un orbital del oxígeno en su mismo eje formando el segundo enlace, de tipo ð. La hibridación sp2 del carbono determina una geometría trigonal plana para el grupo carbonilo. Es un grupo muy polar que presenta cargas parciales importante, positiva en el carbono y negativa en el oxígeno.

La principal reacción química de los compuestos con grupo carbonilo es el ataque de un agente nucleófilo a la carga parcial positiva del carbono del carbonilo. El resultado es una adición en los aldehídos y cetonas, y una sustitución en los ácidos y derivados de ácidos.

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• Describa detalladamente el mecanismo de una cualquiera de las reacciones orgánicas que hemos estudiado.

Hemos estudiado el mecanismo de la sustitución nucleofílica en alcoholes terciarios. En la reacción de sustitución nucleofílica de un alcohol (SN) el grupo -OH es sustituido por otro átomo habitualmente un halógeno de un ácido hidrácido fuerte obteniéndose un haluro de alquilo.

El mecanismo se inicia con la protonación de grupo OH (ataque de uno de los dos pares de electrones del oxígeno al hidrógeno del ácido) formándose un ión alcoxonio (el oxígeno queda cargado positivamente). El segundo paso es la generación de un ión carbonio al romperse el enlace entre el oxígeno y el carbono del carbinol debido a la desestabilización por la carga positiva. El carbono adquiere hibridación sp2 y su orbital pz posee una carga positiva estabilizada por los tres radicales del alcohol. El ión carbonio, extremadamente reactivo, interacciona rápidamente con su carga positiva con el ión haluro negativo resultante del primer paso del mecanismo (ataque nucleofílico del ión haluro) generándose el producto final.