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SOLUCIONARIO DEL LIBRO DE QUÍMICA DE 2 DE BACHILLERATO Unidad didáctica 10: La química orgánica Principales constantes físicas Magnitud Constante de Planck Velocidad de la luz en el vacío Carga elemental Masa del electrón Masa del protón Masa del neutrón Factor de conversión masaenergía Constante de Avogadro Volumen molar (C.N.) Constante de los gases ideales
Símbolo h c e me mp mn
Valor en el Sistema Internacional -34 6,626 $ 10 J $ s 2,998 $ 108 m $ s-1 1,602 $ 10-19 C 9,109 $ 10-31 kg = 5,49 $ 10-4 u 1,673 $ 10-27 kg = 1,0073 u 1,675 $ 10-27 kg = 1,0087 u -2 u = 931,5 MeV $ c
NA Vm R
Constante de Faraday Constante de Rydberg Cero escala Celsius
F R 0 (C
6,02 $ 10 partículas $ mol 22,4 L $ mol-1 -1 -1 8,314 J $ K mol 0,082 atm $ L $ K-1 $ mol-1 1,98 cal $ K-1 $ mol-1 4 -1 9,649 $ 10 C $ mol 7 -1 1,097 $ 10 m 273,16 K
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Algunas unidades prácticas y su equivalencia en unidades del Sistema Internacional Magnitud volumen masa densidad energía
presión concentración
Unidad litro tonelada unidad atómica de masa gramo/centímetro cúbico kilowatio - hora electronvoltio caloría atmósfera $ litro atmósfera bar parte por millón (en masa) parte por mil millones (en masa) parte por millón de millones (en masa)
Símbolo L t u g $ cm-3 kW $ h eV cal atm $ L atm bar ppm ppb ppt
Equivalencia 10-3 m3 103 kg 1,6603 $ 10-27 kg 10-3 kg $ m-3 3,6 $ 106 J 1,602 $ 10-19 J 4,184 J 1,013 $ 102 J 1,013 $ 105 Pa 105 Pa ȝg soluto $ g-1 disolución -1 ȝg soluto$ kg disolución pg soluto $ g-1 disolución
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Z 89 13 51 18 33 85 16 56 4 83 5 35 48 20 6 58 55 30 40 17 27 29 36 24 21 50 38 9 15 87 31 32 72 2 1 26 49 77 57
Elementos químicos más utilizados y sus masas atómicas en u Símbolo Nombre masa Z Símbolo Nombre Masa Ac Actinio 227 3 Li Litio 6,491 Al Aluminio 26,98 12 Mg Magnesio 24,31 Sb Antimonio 121,8 25 Mn Manganeso 54,94 Ar Argón 39,95 80 Hg Mercurio 200,6 As Arsénico 74,92 42 Mo Molibdeno 95,94 At Astato 210 60 Nd Neodimio 144,2 S Azufre 32,07 10 Ne Neón 20,18 Ba Bario 137,3 28 Ni Níquel 58,69 Be Berilio 9,012 7 N Nitrógeno 14,01 Bi Bismuto 209,0 102 No Nobelio 253 B Boro 10,81 79 Au Oro 197,0 Br Bromo 79,90 76 Os Osmio 190,2 Cd Cadmio 112,4 8 O Oxígeno 16,00 Ca Calcio 40,08 46 Pd Paladio 106,4 C Carbono 12,01 47 Ag Plata 107,9 Ce Cerio 140,1 78 Pt Platino 195,1 Cs Cesio 132,9 82 Pb Plomo 207,2 Zn Cinc 65,39 94 Pu Plutonio 242 Zr Circonio 91,22 84 Po Polonio 210 Cl Cloro 35,45 19 K Potasio 39,10 Co Cobalto 58,93 59 Pr Praseodimio 140,9 Cu Cobre 63,55 91 Pa Protoactinio 231 Kr Criptón 83,80 88 Ra Radio 226 Cr Cromo 52,00 86 Rn Radón 222 Sc Escandio 44,96 45 Rh Rodio 102,9 Sn Estaño 118,7 37 Rb Rubidio 85,47 Sr Estroncio 87,62 34 Se Selenio 78,96 F Flúor 19,00 14 Si Silicio 28,09 P Fósforo 30,97 11 Na Sodio 22,99 Fr Francio 223 81 Tl Talio 204,4 Ga Galio 69,72 43 Tc Tecnecio 99 Ge Germanio 72,59 52 Te Telurio 127,6 Hf Hafnio 178,5 22 Ti Titanio 47,88 He Helio 4,003 90 Th Torio 232,0 H Hidrógeno 1,008 74 W Volframio 183,9 Fe Hierro 55,85 92 U Uranio 238 In Indio 114,8 23 V Vanadio 50,94 Ir Iridio 192,2 54 Xe Xenón 131,3 La Lantano 138,9 53 I Yodo 126,9 2
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Cuestiones iniciales 1. El amoníaco y el metano son dos hidruros, pero mientras el primero es un compuesto químico inorgánico, el segundo es orgánico. Por qué? Por definición la química orgánica es la química de los compuestos químicos del carbono con la excepción de los óxidos de carbono y las sales carbonatos y bicarbonatos, cuyo estudio se realiza dentro del reino mineral. Según esta definición, el amoníaco, NH3, no es un compuesto orgánico y el metano, CH4, sí. 2. Con qué compuesto químico orgánico guarda cierta relación la amida: a) Ácido carboxílico. b) Amina. c) Éster. d) Cetona. O Una amida contiene la función R-C-NH2 y por tanto al igual que el éster se puede considerar un derivado del ácido carboxílico. Aunque la amida contiene el grupo carbonilo unido a un carbono que soporta una unión con el grupo -NH2, sus propiedades son muy diferentes de la cetona. La amida contiene el grupo amino como las aminas, pero unido a un carbono con un grupo carbonilo, lo que hace que ambos compuestos sean diferentes. 3. ¿Por qué el hidrocarburo benceno, que es un hidrocarburo cíclico hexagonal, presenta una serie de propiedades muy diferentes a las del ciclohexano? Los tres dobles enlaces alternados que posee el benceno en su ciclo hexagonal confieren al mismo unas propiedades muy específicas, que hace que se le considere un hidrocarburo diferente a los alquenos o cicloalquenos. El benceno pertenece a la familia de los hidrocarburos aromáticos, que se caracterizan por dar reacciones de sustitución en vez de reacciones de adición a los dobles enlaces. INVESTIGA Busca información en Internet a través del buscador google sobre el principio de precaución y contesta las preguntas: 1. ¿Cuál es la síntesis de la resolución del Consejo Europeo de diciembre de 2000 sobre el principio de precaución?
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El principio de precaución puede invocarse cuando es urgente intervenir ante un posible peligro para la salud humana, animal o vegetal, o cuando éste se requiere para proteger el medio ambiente en caso de que los datos científicos no permitan una determinación completa del riesgo. Este principio no puede utilizarse como pretexto para adoptar medidas proteccionistas, sino que se aplica sobre todo en los casos de peligro para la salud pública. Gracias a él es posible, por ejemplo, impedir la distribución de productos que puedan entrañar un peligro para la salud o incluso proceder a su retirada del mercado. El principio de precaución ha sido reconocido en diferentes convenios internacionales y figura, en particular, en el Acuerdo sobre la Aplicación de Medidas Sanitarias y Fitosanitarias (MSF) celebrado en el marco de la Organización Mundial del Comercio (OMC). Los debates ya iniciados en los foros internacionales pueden enriquecerse gracias a una definición clara de la manera en que la Comunidad tiene intención de recurrir al principio de precaución a fin de garantizar un nivel apropiado de protección del medio ambiente y de la salud. En su Comunicación, la Comisión Europea en Niza de 2000 analiza tanto los factores que desencadenan el recurso al principio de precaución como las medidas resultantes de dicho recurso. Acto seguido, propone líneas directrices para la aplicación del principio. Según la Comisión, puede invocarse el principio de precaución cuando se hayan detectado los efectos potencialmente peligrosos de un fenómeno, de un producto o de un procedimiento mediante una evaluación científica y objetiva que, por su parte, no permite determinar el riesgo con certeza suficiente. Así pues, el recurso al principio está incluido en el ámbito general del análisis de riesgos (que abarca, aparte de la determinación del riesgo, la gestión y la comunicación del mismo), y más en particular en el marco de la gestión del riesgo vinculada a la toma de decisiones. La Comisión subraya que el principio de precaución sólo puede invocarse en la hipótesis de un riesgo potencial y que en ningún caso puede justificar una toma de decisión arbitraria. El recurso al principio de precaución sólo está justificado cuando se cumplen las tres condiciones previas, a saber: identificación de los efectos potencialmente negativos, evaluación de los datos científicos disponibles y determinación del grado de incertidumbre científica. Medidas que se derivan del recurso al principio de precaución Por lo que se refiere a las medidas derivadas del recurso al principio de precaución, éstas pueden adoptar la forma de una decisión de actuar o de no actuar. La respuesta escogida depende de una decisión política, en función del nivel de riesgo considerado «aceptable» por la sociedad que debe soportar el riesgo. Cuando la respuesta apropiada a un riesgo en virtud de la aplicación del principio de precaución parece ser actuar sin aguardar más información, es preciso determinar también qué forma debe adoptar dicha acción. Aparte de la adopción de actos jurídicos que puedan ser objeto de un control jurisdiccional, los responsables políticos disponen de toda una serie de medidas (financiación de un programa de investigación, información del público sobre 4
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los efectos negativos de un producto o de un procedimiento, etc.). La elección de una medida no debería basarse en ningún caso en una decisión arbitraria. Directrices para el recurso al principio de precaución El recurso al principio de precaución debe guiarse por tres principios específicos: •
La aplicación del principio debe basarse en una evaluación científica lo más completa posible; en cada etapa esta evaluación debe determinar, en la medida de lo posible, el grado de incertidumbre científica;
•
Toda decisión de actuar o de no actuar en virtud del principio de precaución debe ir precedida de una determinación del riesgo y de las consecuencias potenciales de la inacción;
•
Tan pronto como se disponga de los resultados de la evaluación científica o de la determinación del riesgo, todas las partes interesadas deben tener la posibilidad de participar, con la máxima transparencia, en el estudio de las diferentes acciones que pueden preverse.
Aparte de estos principios específicos, siguen siendo aplicables los principios generales de una buena gestión de los riesgos cuando se invoca el principio de precaución. Se trata de los cinco principios siguientes: •
La proporcionalidad entre las medidas adoptadas y el nivel de protección elegido;
•
La no discriminación en la aplicación de las medidas;
•
La coherencia de las medidas con las ya adoptadas en situaciones similares o utilizando planteamientos similares;
•
El análisis de las ventajas y los inconvenientes que se derivan de la acción o de la inacción;
•
la revisión de las medidas a la luz de la evolución científica.
Carga de la prueba Aparte de las normas que se aplican a productos como los medicamentos, los plaguicidas o los aditivos alimentarios, la legislación comunitaria no prevé un sistema de autorización previa a la comercialización de los productos. En la mayoría de los casos, corresponde al usuario, a los ciudadanos o a las asociaciones de consumidores demostrar el riesgo que entraña un procedimiento o un producto una vez comercializado. Según la Comisión, una acción adoptada en virtud del principio de precaución puede implicar en algunos casos una cláusula que invierta la carga de la prueba para hacerla recaer en el productor, el fabricante o el importador. Esta posibilidad debería examinarse en cada caso; la Comisión no propugna la aplicación general de dicha obligación a todos los productos.
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ACTOS CONEXOS: Reglamento (CE) nº 178/2002 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 28 de enero de 2002, por el que se establecen los principios y los requisitos generales de la legislación alimentaria, se crea la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria y se fijan procedimientos relativos a la seguridad alimentaria [Diario Oficial L 31 de 1.2.2002]. Cuando exista la posibilidad de que un alimento produzca efectos nocivos para la salud, podrá invocarse el principio de precaución (con arreglo al artículo 7) con el fin de actuar rápidamente y de adoptar las medidas pertinentes. Este principio se aplicará en particular mientras subsista la incertidumbre o mientras no se disponga de informaciones científicas completas sobre el riesgo potencial. Las medidas deben ser proporcionales al riesgo y se revisarán en un plazo razonable. 2. ¿Por qué es necesario que exista el principio de precaución? Cuando una actividad es potencialmente amenazadora para el ambiente o la salud humana deben tomarse medidas precautorias aún si las relaciones causa-efecto no están científicamente establecidas. Frecuentemente las demostraciones definitivas no son rápidas; las condiciones que la ciencia requiere para establecer causalidad son muy exigentes. El retraso en establecer criterios de precaución permite la acumulación de daños. El ser humano y el resto del mundo natural sólo tiene una capacidad limitada de absorber conductas riesgosas. Numerosas regulaciones existentes expresan un criterio de precaución: - La exigencia de Estudios de Impacto Ambiental para muchas obras. - Las regulaciones sobre alimentos, medicamentos, disposición de residuos, salubridad laboral, etc. expresan límites considerados aceptables para el normal desarrollo de la vida. El Principio de Precaución apunta a la Prevención, pues mientras no se extienda su empleo, y amparados en el principio de ”inocente mientras no se demuestre lo contrario”, muchas sustancias y tecnologías han provocado y seguirán provocando daños irreversibles sobre la salud humana y el medio ambiente. Además, los riesgos generalmente son tomados inconcientemente o en condiciones de indefensión. El principio de Precaución es necesario pues la liberación y empleo de sustancias tóxicas, la explotación desmedida de recursos no renovables y la alteración del medio ambiente nos traen a un presente preocupado por la extinción de especies, la disminución de la capa de ozono, la preocupación por el cambio climático global, la contaminación de la Antártida, el incremento del cáncer, el asma, las malformaciones congénitas, etc. El Principio de Precaución es necesario por: - La comunidad tiene la obligación de realizar actividades anticipatorias para prevenir daños. - La responsabilidad de demostrar la inocuidad de una nueva tecnología, proceso, actividad o sustancia es del que la propone, no de la comunidad. 6
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- Antes de emplear una nueva tecnología, proceso, actividad o sustancia la comunidad tiene la obligación de examinar toda alternativa posible, incluyendo la de no hacer nada. - Las decisiones que resulten de aplicar el Principio de Precaución deben ser abiertas, informadas y democráticas, incluyendo a todos los sectores involucrados. Seis conceptos para el principio de precaución: - Anticipación preventiva. Tomar medidas antes de tener pruebas definitivas es menos costoso para la sociedad y la naturaleza, y en el largo plazo menos egoísta e injusto con las futuras generaciones. - Salvaguarda del medio ambiente. Preservar en la mayor medida posible la capacidad de los sistemas naturales para asimilar los efectos de la actividad humana incluyendo el uso innecesario de recursos naturales. - Proporcionalidad de la respuesta. Analizar en téminos de costo-efectividad para reducir los márgenes de error, ponderando la ignorancia y el futuro. - Obligación de cuidar. Buscar el punto de equilibrio entre preservar el derecho a innovar y tomar riesgos calculados y el de llevar riesgos a la salud y al medio ambiente. - Promoción de la causa de los derechos naturales intrínsecos. La noción legal de daño ecológico se amplía para incluir la necesidad de permitir que los procesos naturales operen de manera tal que mantengan el soporte esencial para todas las formas de vida sobre el planeta. - Pago por el daño ecológico realizado. Más reciente, resume la propuesta que debe reconocerse responsabilidad diferencial a aquellas personas u organizaciones que tienen antecedentes de haber sido insuficientemente cautas en el pasado, voluntaria o involuntariamente. 3. Explica la frase: La ausencia de una evidencia no es evidencia de ausencia. Sabemos que certeza científica es todo aquello que no puede ser probado, por lo que científicamente no es cierto, pero muchas veces demostrar la relación causa-efecto no siempre es sencillo por las limitaciones del conocimiento científico, el poder de la estadística no es absoluto, los efectos adversos a bajas dosis/concentraciones, las dificultades para dar cuenta de los efectos acumulativos y la existencia de limitaciones de recursos, incluyendo los económicos, por lo que se puede afirmar que la ausencia de una evidencia no quiere decir necesariamente que no haya evidencia de ausencia de la misma. Test de evaluación 1. Rellena los huecos en la siguiente frase: Un medicamento es todo ________ que se destina a la curación, al _____, a la prevención o al diagnóstico de las _________ de 7
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un ser vivo. La respuesta correcta es: Un medicamento es todo fármaco que se destina a la curación, al alivio, a la prevención o al diagnóstico de las enfermedades de un ser vivo. 2. Marca como V (verdadera) o F (falsa) cada una de las siguientes afirmaciones sobre lo que se entiende por reactivo electrófilo: a) Que pueda ceder pares de electrones. b) Que pueda ceder grupos OH-. c) Que tenga orbitales vacíos. d) Que pueda aceptar protones. a) Que pueda ceder pares de electrones es falsa, pues es precisamente lo contrario. b) Que pueda ceder grupos OH- es falsa en concordancia con la anterior respuesta. c) Que tenga orbitales vacíos puede ser verdadera, pues muchos reactivos electrófilos posen orbitales vacíos, donde se pueden alojar parare de electrones de otra especie química. d) Que pueda aceptar protones, es falsa, pues un reactivo electófilo es un aceptor de pares de electrones. 3. Cuál de los siguientes compuestos orgánicos no presenta isómeros: a) 1,1dicloroetano. b) Butano. c) Ácido 2-hidroxipropanoico. d) Propano. a) 1,1-dicloroetano tiene como isómero el 1,2-dicloroetano. b) Butano tiene como isómero el metilpropano. c) Ácido 2-hidroxipropanoico tiene como isómero de posición el ácido 3-hidroxipropanoico. d) Propano no presenta isómeros. 4. La acetona puede obtenerse por oxidación del alcohol: a) Metanol. b) 1-propanol. c) Etanol. d) 2-propanol. a) La oxidación del metanol origina ácido metanoico. b) La oxidación del 1-propanol origina ácido propanoico. c) La oxidación del etanol origina ácido acético. d) La oxidación del 2-propanol origina propanona (acetona). 5. Indica si las siguientes afirmaciones sobre la saponificación de un éster, son 8
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ciertas o falsas: a) Es una hidrólisis. b) Es una reacción irreversible. c) Es una reacción que conduce a la formación de un anión carboxilato. d) Es una reacción de los jabones, pero no de los detergentes. a) Es una hidrólisis es una afirmación falsa. b) Es una reacción irreversible es una afirmación cierta. c) Es una reacción que conduce a la formación de un anión carboxilato es una afirmación cierta. d) Es una reacción de los jabones, pero no de los detergentes es una afirmación falsa, pues la originan tanto los jabones como los detergentes. 6. Rellena los huecos en la siguiente frase: El efecto inductivo es el ___________ de los electrones de un enlace ______ ente un átomo de carbono y otro átomo de _______ electronegatividad. La respuesta correcta es: El efecto inductivo es el desplazamiento de los electrones de un enlace sencillo ente un átomo de carbono y otro átomo de distinta electronegatividad. 7. Marca como V (verdadera) o F (falsa) cada una de las respuestas a la siguiente pregunta: Cuál de las siguientes sustancias, en estado gaseoso, necesitaría para su combustión completa un volumen de oxigeno triple del propio, medidos ambos a la misma presión y temperatura: a) Metanol. b) Etano. c) Etanol. d) Benceno. Con el metanol la reacción que tiene lugar es: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O Con el etano la reacción que tiene lugar es: C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Con el etanol la reacción que tiene lugar es: C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Con el benceno la reacción que tiene lugar es: C6H6 + 15/2 O2 → 6 CO2 + 3 H2O Luego la respuesta correcta es la c). 8. Entre los compuestos orgánicos que se enumeran a continuación, indica cuál produce mayor cantidad (masa) de dióxido de carbono ante la combustión de 1 g del mismo: a) Metano. b) Etino. c) Buteno. d) Pentano. Con el metano la reacción que tiene lugar es: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
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m de me tan o m de CO2 n de CO2 M de me tan o M de CO2 = b 1 1
Como:
n de me tan o = a
Luego:
m de CO2 1g ·= m de CO2 = 2,75 g −1 16 g · mol 44 g · mol −1
Con el etino la reacción que tiene lugar es: C2H2 + 5/2 O2 → 2 CO2 + H2O
n de CO2 b
m de etino m de CO2 M de etino M de CO2 = 1 2
Como:
n de etino = a
Luego:
m de CO2 1g ·= m de CO2 = 3,38 g −1 26 g · mol 2 · 44 g · mol −1
Con el buteno la reacción que tiene lugar es: C4H8 + 6 O2 → 4 CO2 + 4 H2O
n de CO2 b
m de buteno m de CO2 M de buteno M de CO2 = 1 4
Como:
n de buteno = a
Luego:
m de CO2 1g ·= m de CO2 = 3,14 g −1 56 g · mol 4 · 44 g · mol −1
Con el pentano la reacción que tiene lugar es: C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O m de pen tan o m de CO2 M de pen tan o M de CO2 = 1 5
Como:
n de pen tan o = a
Luego:
m de CO2 1g · = m de CO2 = 3,06 g 72 g · mol −1 5 · 44 g · mol −1
n de CO2 b
Por tanto la respuesta es la b): el etino.
9. De los compuestos siguientes: CH4; CH3OH; CO2; CO, la forma más oxidada es: a) El CH4. b) El CO. c) El CO2. d) El CH3OH. El CH4 es la menos oxidada, le sigue el CH3OH, el CO y el CO2, por lo que la forma más oxidada es el CO2. 10
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10. La geometría del átomo de carbono en la molécula del metano es: a) Lineal. b) Plana. c) Trigonal. d) Tetraédrica. La respuesta correcta es la d) pues es tetraédrica. Actividades finales: 1. Por cada uno de los siguientes grupos funcionales, pon un ejemplo de moléculas orgánica que la contenga y escribe su nombre: Doble enlace, triple enlace, alcohol, amina primaria, amina terciaria, ácido carboxílico, aldehído, cetona y éster. - Doble enlace: CH2=CH2, eteno o etileno. - Triple enlace: CH≡CH, etino o acetileno - Alcohol: CH3-CH2-OH, alcohol etílico o etanol - Amina primaria: CH3-NH2, metil amina - Amina terciaria: (CH3)3N, trimetil amina - Ácido carboxílico: CH3-COOH, ácido etanoico o acético - Aldehído: CH3-CHO, etanal o acetaldehído - Cetona: CH3-CO-CH3, propanona, acetona o dimetil cetona - Éster: CH3-COOCH3, etanoato de metilo o acetato de metilo. 2. Escribe las fórmulas de los siguientes compuestos orgánicos: a) 4-metil-2penteno. b) etil metil éter. c) Fenilamina. d) 2,2-dimetilbutanal. a) 4-metil-2-penteno: CH3-CH=CH-CH-CH3 | CH3 b) etil metil éter: CH3-CH2-O-CH3 c) Fenilamina. C6H5-NH2 CH3 | 11
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d) 2,2-dimetilbutanal: CH3-CH2-C-CHO | CH3 3. Formula y nombra un isómero de función del 1-butanol y otro de la 2-pentanona y cuál de los dos compuestos siguientes es óptimamente activo: CH3-CH2-CHCl-CH2-CH3 o CH3-CHBr-CHCl-COOH. Un isómero de función del 1-butanol: CH3-CH2-CH2-CH2-OH, es el dietil éter o etoxietano, de fórmula: CH3-CH2-O-CH2-CH3 La 2-pentanona de fórmula CH3-CO-CH2-CH2-CH3 tiene de isómero el pentanal de fórmula CH3-CH2-CH2-CH2-CHO. De los dos ejemplos dados: CH3-CH2-CHCl-CH2-CH3 y CH3-CHBr-CHCl-COOH, sólo el último, el ácido 3-bromo-2-clorobutanoico es ópticamente activo y presenta dos carbonos asimétricos el C2 y el C3. 4. Formula los siguientes compuestos orgánicos: 3-metil-2-butanol, 2-butenal, pentanoato de etilo, 3-bromopropanal, propadieno, etanoato de butilo, ácido butanoico y metilbenceno. CH3 | 3-metil-2-butanol: CH3-CH-CHOH-CH3 2-butenal: CH3-CH=CH-CHO pentanoato de etilo: CH3-CH2-CH2-CH2-CO-OCH2-CH3 3-bromopropanal: CH2Br-CH2-CHO propadieno: CH2=C=CH2 etanoato de butilo: CH3-CH2-CO-O-CH2-CH2-CH2-CH3 ácido butanoico: CH3-CH2-CH2-COOH metilbenceno: C6H5-CH3 5. Nombra los siguientes compuestos: CH3-CH2-CH2-C(CH3)2-CH2OH, CH3-CH(OH)-CH2-CHO, CH3-CH2-CH2-NH2, CH3-CO-CH3, CH2=CH-CH2-CH=CH2 CH3-CH2-COOH, CH3-CH2-CH(OH)-CH3, CH3-CH2-CH2-CONH2 CH3-CH2-CH2- C(CH3)2-CH2OH: 2,2-dimetil-1-pentanol CH3-CH(OH)-CH2-CHO: 3-hidroxibutanal 12
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CH3-CH2-CH2-NH2: propilamina CH3-CO-CH3: propanona CH2=CH-CH2-CH=CH2: 1,4-pentadieno CH3-CH2-COOH: ácido propanoico CH3-CH2-CH(OH)-CH3: 3-hidroxibutanal CH3-CH2-CH2-CONH2:butanamida 6. Formula o nombra, según corresponda, los siguientes compuestos orgánicos: a) ≡C-COOH. e) 3-propil-1,5-heptadiino. b) 2-metilpropanal. c) CH3-NH-CH2-CH3. d) CH≡ CH3-CHOH-CH2OH. a)
7. Escribe: a) Las estructuras de los isómeros de posición del n-pentanol. b) Tres isómeros de fórmula molecular C8H18. a) CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH es el 1-pentanol CH3-CH2-CH2-CHOH-CH3 es el 2-pentanol CH3-CH2-CHOH-CH2-CH3 es el 3-pentanol 13
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b) CH3-(CH2)6-CH3 es el n-octano CH3-(CH2)3-CH-CH2-CH3 es el 3-metil-heptano | CH3 CH3 | CH3-(CH2)2-C-CH2-CH3 es el 3,3-dimetil-hexano | CH3 8. Escribe y nombra todos los isómeros estructurales de fórmula C4H9Cl.
9. La gasolina es una mezcla de hidrocarburos entre los que se encuentran el octano. a) Escribe la ecuación de la reacción ajustada de la combustión del octano. b) Formula y nombra todos los hidrocarburos que contengan tres átomos de carbono. a) El octano o n-octano tiene la fórmula molecular C8H18 y se quema completamente según la reacción: C8H18 + 25/2 O2 → 8 CO2 + 9 H2O b) CH3-CH2-CH3
CH3-CH=CH2
CH3-CH≡CH
propano
propeno
propino
CH2
CH2
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CH2-CH2 Ciclopropano
CH=CH ciclopropeno
10. Completa las siguientes reacciones: a) CH2=CH-CH3 + HI →; b) (CH3)2-CHOH + HBr →; c) CH3-NH2 + H2O→ → ; d) C6H6 + HNO3 → a) CH2=CH-CH3 + HI → es una reacción de adición electrófila y ocurre: CH2=CH-CH3 + HI → CH3-CHI-CH3 -
b) (CH3)2-CHOH + HBr → es una reacción de sustitución nucleófila, se sustituye el OH por Br- y ocurre: (CH3)2-CHOH + HBr → (CH3)2-CHBr + H2O c) CH3-NH2 + H2O → es una reacción ácido-base. El H2O actúa como ácido cediendo el H+ a la amina y ocurre: CH3-NH2 + H2O → CH3-NH3+ + OHd) C6H6 + HNO3 → es la nitración del benceno y es una reacción de sustitución electrófila en el núcleo bencénico y ocurre: C6H6 + HNO3 → C6H5-NO2 + H2O 11. Escribe los productos esperados en las siguientes reacciones: a) CH3-CH2-CH2-OH + HBr →; b) CH3-CH=CH2 + Br2 →; c) CH3-COOH + NH2-CH3 →; d) 2 CH3-CH2I + 2 Na → a) CH3-CH2-CH2-OH + HBr → es una reacción de sustitución nucleófila y ocurre: CH3-CH2-CH2-OH + HBr → CH3-CH2-CH2-Br + H2O b) CH3-CH=CH2 + Br2 → es una adición al doble enlace y ocurre: CH3-CH=CH2 + Br2 → CH3-CHBr-CH2Br c) CH3-COOH + NH2-CH3 → es una reacción de condensación en la que tiene lugar: CH3-COOH + NH2-CH3 → CH3-CO-NH-CH3 + H2O Aunque también puede ocurrir la reacción ácido-base: CH3-COOH + NH2-CH3 → CH3-CO-O- +NH3-CH3 d) 2 CH3-CH2I + 2 Na → es una reacción en la que tiene lugar:
15
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2 CH3-CH2I + 2 Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2 NaI 12. Escribe un ejemplo significativo de las siguientes reacciones orgánicas de oxidación-reducción, indicando que especies se oxidan y cuáles se reducen: a) Combustión de un hidrocarburo. b) Hidrogenación de un alqueno. c) Oxidación de un alcohol. a) C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O, donde el etano se oxida y el O2 se reduce. b) CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3, donde el eteno se reduce y el H2 se oxida. 2-
+
3+
c) 3 CH3-CH2-OH + Cr2O7 + 8 H → 3 CH3-CHO + 2 Cr oxida y el Cr2O72- se reduce.
+ 7 H2O, donde el etanol se
13. El etanol y el 1,2-dibromoetano pueden obtenerse a partir del mismo compuesto. a) Indica de qué compuesto se trata y las reacciones que llevan a la obtención de esos compuestos químicos. b) Escribe la reacción que se produce al calentar propanoato de etilo con agua acidulada. a) CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2OH CH2=CH2 + Br2 → Br-CH2-CH2-Br En ambos casos se trata de una adición al doble enlace. b) Es una reacción de hidrólisis, inversa a la esterificación: CH3-CH2-COOC2H5 + H2O : CH3-CH2-COOH + C2H5OH Se origina ácido propanoico más etanol. La presencia del ácido fuerte en el agua hace de catalizador. 14. Completa e identifica cada reacción en: a) benceno + H2SO4 →; b) benceno + Br2 →; c) benceno + HNO3 →; d) benceno + CH3-CH2-Cl → Son todas reacciones de sustitución electrófla en el anillo bencénico: a) C6H6 + H2SO4 → C6H5-SO3H + H2O b) C6H6 + Br2 → C6H5-Br + HBr c) C6H6 + HNO3 → C6H5-NO2 + H2O d) C6H6 + CH3-CH2-Cl → C6H5-CH2-CH3 + HCl
16
233
15. Escribe las siguientes reacciones orgánicas, nombrando los productos que se obtienen en cada una de ellas e indicando a qué tipo de reacción pertenecen. a) Ácido propanoico con 2-butanol. b) 2-buteno con hidrógeno en presencia de platino como catalizador. a) Ácido propanoico con 2-butanol es una reacción de esterificación, donde ocurre: CH3-CH2-COOH + CH3-CHOH-CH2-CH3 : CH3-CH2-CO-O-CH-CH2-CH3 (l) + H2O | CH3 propanoato de 1-metil propilo b) 2-buteno con hidrógeno en presencia de platino como catalizador es una reacción de hidrogenación (reducción), donde ocurre la adición al doble enlace y se forma el butano: CH3-CH=CH-CH3 + H2 → CH3-CH2-CH2-CH3 16. Justifica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones, formulando los productos de reacción: a) CH3-CHOH-CH3 → por la acción del calor y con la intervención del ácido sulfúrico se obtiene propeno como único producto de eliminación. b) CH3-COOH + CH3-CH2-CH2-OH → en medio ácido se obtiene acetato de propilo como producto de condensación o esterificación. c) CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl → se obtiene 2-cloro-penteno y 3-cloropenteno como productos de sustitución. d) ClCH2-CH2-CH3 + KOH → en medio alcohólico se obtiene propanal como producto de adición. a) CH3-CHOH-CH3 → por la acción del calor y con la intervención del ácido sulfúrico se obtiene propeno como único producto de eliminación es una afirmación verdadera y la ecuación de la reacción que tiene lugar es: CH3-CHOH-CH3 → CH3-CH=CH2 + H2O 2-propanol propeno b) CH3-COOH + CH3-CH2-CH2-OH → en medio ácido se obtiene acetato de propilo como producto de condensación o esterificación es una afirmación verdadera y la ecuación de la reacción que tiene lugar es: CH3-COOH + CH3-CH2-CH2-OH : CH3-COOCH2-CH2-CH3-OH + H2O acetato de propilo c) CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl → se obtiene 2-cloro-penteno y 3-cloropenteno como productos de sustitución es una afirmación falsa. En primer lugar no es una reacción de sustitución, sino de adición al doble enlace y, en segundo lugar, los productos de la reacción serían 2-cloropentano y 3-cloro-pentano y la ecuación de la reacción que tiene lugar es: CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl → CH3-CHCl-CH2-CH2-CH3
17
234
o CH3-CH=CH-CH2-CH3 + HCl → CH3-CH2-CHCl-CH2-CH3 d) ClCH2-CH2-CH3 + KOH → en medio alcohólico se obtiene propanal como producto de adición es una afirmación falsa, pues un derivado halogenado en presencia de una base fuerte, en medio alcohólico, experimenta una reacción de eliminación, se obtiene propeno y la reacción que tiene lugar es: ClCH2-CH2-CH3 + KOH → CH2=CH-CH3 + HCl 17. Qué tipo de reacción es la siguiente y nombra cada uno de los reactivos y productos de la misma: CH3-CH2-COOH + NH2-CH3 → CH3-CH2-CO-NH-CH3 + H2O. CH3-CH2-COOH + NH2-CH3 → CH3-CH2-CO-NH-CH3 + H2O. Ácido propanoico + metilamina → N-metilpropanamida + agua Es una reacción de condensación con la pérdida de una molécula de agua y donde la amina es un reactivo nucleofilo que ataca al carbono carbonílico del ácido carboxílico. 18. La reacción de esterificación: ácido acético + etanol : acetato de etilo + agua se lleva a cabo usualmente utilizando HCl como catalizador, porque de este modo: a) El equilibrio se desplaza hacia la formación de productos. b) Se incrementa la velocidad de la reacción. c) Se puede reducir la cantidad de reactivos necesaria para obtener la misma cantidad de productos. d) El producto que se obtiene tiene un grado de pureza más elevado. a) El equilibrio se desplaza hacia la formación de productos es una respuesta falsa. b) Se incrementa la velocidad de la reacción es la respuesta correcta por ser el HCl el catalizador de dicha reacción. c) Se puede reducir la cantidad de reactivos necesaria para obtener la misma cantidad de productos es una respuesta falsa. d) El producto que se obtiene tiene un grado de pureza más elevado es una respuesta falsa. 19. El ácido propanoico y el etanol reaccionan entre sí para verificar una esterificación, y donde todas las especies que intervienen en la reacción son líquidas. a) Escribe la ecuación de la reacción de esterificación. b) Si la constante de equilibrio de dicha reacción es KC = 16,0, halla las concentraciones de equilibrio cuando la reacción se inicia con 1 mol de cada reactivo en un recipiente de 1 L de capacidad. c) Escribe y nombra algún isómero del éster formado. a) CH3-CH2-COOH (l) + CH3-CH2-OH (l) : CH3-CH2-CO-O-CH2-CH3 (l) + H2O (l)
18
235
ácido propanoico + etanol
:
propanoato de etilo
+ agua
b) Se cumple: Ecuación de la reacción
C2H5-COOH +
C2H5OH :
C2H5-COOC2H5
+ H2O
Concentraciones iniciales (mol/L) Concentraciones en el equilibrio (mol/L)
1/1 (1- x)/1
1/1 (1- x)/1
0 x/1
0 x/1
x mol x mol · 1L 1L = 16,0 , ecuación de segundo grado que tiene dos soluciones, Kc = 1 − x mol 1 − x mol · 1 L 1 L de las cuales sólo una tiene sentido físico y su valor es x = 0,8 mol. Por tanto: -1
[CH3-CH2-CO-O-CH2-CH3] = [H2O] = 0,8 mol ·L
-1
[CH3-CH2-COOH] = [CH3-CH2-OH] = 0,2 mol ·L
c) Un isómero es el ácido pentanoico, de fórmula: CH3-CH2-CH2-CH2-COOH
20. El bromobenceno se obtiene según la reacción: C6H6 + Br2 → C6H5-Br + HBr. Cuando se hace reaccionar 29 mL de benceno líquido con un exceso de Br2 se obtienen 25 g de bromobenceno. ¿Cuál es el rendimiento de la reacción. Dato: -1 densidad del benceno: 0,88 g ·mol . La masa de benceno empleada se obtiene a partir del dato de la densidad: -1
m = d · V = 0,88 g · mol · 29 mL = 25,5 g -1
-1
Las masas molares del C6H6 y C6H5-Br son, respectivamente, 78 g · mol y 156,9 g · mol y puesto que se cumple:
n de benceno = 1 Luego:
m de benceno m de bromobenceno n de bromobenceno M de benceno M de bromobence no = 1 1 1
m de benceno 25 g de bromobenceno ·= m de benceno que se utiliza = 12,4 g 78 g · mol −1 156,9 g · mol −1
Por tanto el rendimiento es:
12,4 g · 100 = 48,7 % 25,5 g
21. Al quemar 60 cm3 de una mezcla de metano y etano, medidos a 0 °C y 1 atm de 19
236
3
presión, con suficiente cantidad de oxígeno, se producen 80 cm de dióxido de carbono, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura. Calcula: a) La composición de la mezcla, expresándola como porcentaje en volumen y en fracciones molares. b) La cantidad de oxígeno, expresada en mol, necesaria para la combustión completa de la mezcla. a) Aunque CH4 y C2H6 están mezclados, se producen dos reacciones de combustión diferentes: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O 3 3 3 Si la mezcla está formada por x cm de CH4 e y cm de C2H6, donde: y = 60 cm - x
Como las condiciones de presión y temperatura no varían y todas las sustancias que intervienen son gases, entonces: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Volumen en cm3
x C2H6 +
Volumen en cm3
2x
x
7/2 O2
2x → 2 CO2
(60 – x) 7/2 (60 - x)
2(60 – x)
+ 3 H2O 3(60 – x)
En canto al volumen de CO2 producido se cumple: 80 cm3 = x + 2 (60 – x) x = 40 cm3 Por consiguiente la mezcla está formada por: 40 cm3 de CH4 y 20 cm3 de C2H6. En % :
40 cm 3 20 cm 3 · 100 = 66 , 7 % de CH y · 100 = 33,3 % de C 2 H 6 4 60 cm 3 60 cm 3
Como se trata de gases, la cantidad en mol es proporcional al volumen ya que: p · Vi = ni · R · T
Vi n = i VT nT
p · VT = nT · R · T Luego: x de CH 4 =
40 cm 3 20 cm 3 = 0 , 667 y x de C H = = 0,333 2 6 60 cm 3 60 cm 3
b) V= 2 x + 7/2 (60 – x) = 2 · 40 cm3 + 7/2 · 20 cm3 = 150 cm3 Al tratarse de condiciones normales, entonces:
20
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n=
150 cm 3 = 6,7 · 10 −3 mol de O2 −1 3 22400 cm · mol
22. Formula los productos que pueden obtenerse en la reacción de 2-metil-2-buteno con HCI y describe brevemente el mecanismo mediante el cual transcurre la reacción. Al reaccionar el 2-metil-2-buteno con HCI son posibles los siguientes productos de reacción: 2-cloro-2-metilbutano , o bien 2-cloro-3-metilbutano. Para saber cuál es el compuesto formado hay que seguir la pista sobre el intermedio que se forma. El doble enlace es un centro de alta densidad electrónica que da lugar a una adición electrónica, comenzando el ataque el H+ procedente del HCl, con lo que se forma un carbocatión y posteriormente sobre este se fija el cloro. Como el carbocatión que da origen después al 2-cloro-2-metilbutano es más estable que el que origina el 2-cloro-3-metilbutano, la reacción que tiene lugar es:
23. Escribe la fórmula del 2-propanol y del 1-butanol. Explica: a) El distinto comportamiento de ambos compuestos frente a oxidantes. b) Cita algunas reacciones características del grupo carboxilo. a) El 2-propanol al reaccionar con un oxidante da propanona según la ecuación: CH3-CHOH-CH3 → CH3-CO-CH3 El 1-butanol se puede oxidar en dos etapas. En la primera da butanal según: CH3-CH2-CH2-CH2OH → CH3-CH2-CH2-CHO En la segunda si se oxida el butanal da ácido butanoico: CH3-CH2-CH2-CHO→ CH3-CH2-CH2-COOH Las reacciones más características del grupo ácido carboxílico son:
21
238
1) Formación de sales. 2) Formación de haluros de ácido. 3) Formación de ésteres. 4) Formación de amidas. 5) Reacciones de reducción. 6) Formación de anhídridos de ácido. 24. La anilina o fenilamina se puede obtener mediante la reducción del nitrobenceno con hierro en ácido clorhídrico, y se obtiene también cloruro de hierro (III). Ajusta la ecuación química de la reacción por el método del ión-electrón. La reacción iónica que tiene lugar es: C6H5-NO2 + Fe + H+ → C6H5-NH2 + H2O + Fe3+ Las semirreacciones son las siguientes: 3+
-
Oxidación: x2/
2 Fe → 2 Fe
+6e
Reducción:
C6H5-NO2 + 6 H + 6 e → C6H5-NH2 + 2 H2O
Reacción global:
C6H5-NO2 + 6 H+ + 2 Fe → C6H5-NH2 + 2 H2O + 2 Fe3+
+
-
Reacción molecular: C6H5-NO2 + 6 HCl + 2 Fe → C6H5-NH2 + 2 H2O + 2 FeCl3 25. Escribe un ejemplo de reacción de polimerización por condensación en el que participe una reacción de esterificación. El conocido comercialmente poliéster se obtiene por condensación del ácido tereftálico (ácido 1,4-bencenodicarboxílico) con el 1,2-etanodiol, y se trata de una reacción de esterificación y ocurre: n HO-CO-C6H4-COOH + n HO-CH2-CH2-OH → -[CO-C6H4-CO-O-CH2-CH2-O]n- + 2 n H2O Este polímero origina fibras muy resistentes que se utilizan comercialmente por ser inarrugables y se conocen como tergal. 26. Dados los siguientes polímeros: policloruro de vinilo, teflón (politetrafluoretileno, policloropreno (neopreno), silicona y poliéster. Escribe sus fórmulas y señala al menos dos de ellos cuyo mecanismo de polimerización sea por adición. policloruro de vinilo: -[CH2-CH]n| Cl 22
239
F F | | teflón (politetrafluoretileno): -[C-C]n| | F F policloropreno (neopreno): -[CH2-C=CH-CH2]n| Cl R | Silicona: -[Si-O]n| R Poliéster: [R-O-CO-R-CO-O]nTanto el policloruro de vinilo, como el teflón (politetrafluoretileno) y el policloropreno se obtienen por poliadición a un doble enlace del monómero. 27. El etanol reacciona violentamente con el sodio. a) Escribe la ecuación de la reacción que tiene lugar. b) La oxidación del etanol en medio ácido con el anión dicromato origina primero etanal y después ácido acético. Escribe las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar. a) CH3-CH2OH + Na → CH3-CH2ONa + ½ H2 etóxido de sodio o etanoato de sodio b) En la primera etapa ocurre: 3 CH3-CH2-OH → 3 CH3-CHO + 6 H+ + 6 e-
3x/
Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- → 2 Cr3+ + 7 H2O Proceso global:
3 CH3-CH2-OH + Cr2O72- + 8 H+ → 3 CH3-CHO + 2 Cr3+ + 7 H2O
En la segunda etapa ocurre: 6x/
6 CH3-CH2-OH + 6 H2O → 6 CH3-COOH + 24 H+ + 24 e-
4x/
4 Cr2O72- + 56 H+ + 24 e- → 8 Cr3+ + 28 H2O
23
240
Proceso global:
+
3+
6 CH3-CH2-OH + 4 Cr2O72- + 32 H → 6 CH3-COOH + 8 Cr
+ 22 H2O
Y también: 3 CH3-CH2-OH + 2 Cr2O72- + 16 H+ → 3 CH3-COOH + 4 Cr3+ + 11 H2O
24
241