Química Orgánica

La química orgánica es una rama de la química que estudia las sustancias y compuestos de tipo orgánico; o sea, aquellos que contienen en su estructura atómica el carbono. Por esa razón, esta disciplina también es conocida como la “química del carbono”.

No obstante, los químicos modernos han ampliado su campo de estudio. Aunque el alma de la química orgánica sigue siendo el carbono, también se consideran compuestos orgánicos aquellos que contengan hidrógeno, azufre, oxígeno, nitrógeno y halógenos, los cuales aparecen con frecuencia en los organismos vivos y sus compuestos derivados.

La química orgánica se interesa en general por la estructura, el comportamiento, las propiedades y los usos de esos compuestos químicos, por lo que es esencial para comprender cómo funciona la vida en nuestro planeta.

La principal diferencia entre química orgánica e inorgánica radica precisamente en los elementos que estudian. Mientras que la química orgánica analiza los compuestos del carbono y sus derivados, la química inorgánica se enfoca en la composición, estructura interna y reacciones de los compuestos químicos inorgánicos, como los óxidos, hidróxidos, ácidos o sales.

El sector industrial de la química orgánica es probablemente uno de los que más ha crecido en las últimas décadas, en gran parte debido a su diversidad y la cantidad de recursos que produce para otras industrias, por lo que desempeña un papel protagónico en la economía mundial. Hoy, la química orgánica está presente en los procesos a través de los cuales se obtienen el petróleo, la gasolina, el gas natural o el butano, combustibles esenciales para el funcionamiento de la industria y los hogares.

La química orgánica también se encuentra en la base de los procesos de fermentación y destilación de azúcares que se llevan a cabo por microorganismos y se utilizan tanto en la industria alimentaria para elaborar alimentos como en el sector cosmético para fabricar solventes. De hecho, es esencial para la fabricación del jabón a partir de las grasas animales y vegetales.

No obstante, la química orgánica no solo se encuentra en la base de muchos procesos industriales, también es esencial en el campo médico, donde se utiliza fundamentalmente para identificar, sintetizar y desarrollar nuevos compuestos químicos aptos para el uso terapéutico, desde los antibióticos hasta sustancias que imitan la función de las hormonas y enzimas, por lo que también es vital para nuestra salud.

Hoy por hoy, la importancia de la química orgánica es tal, que forma parte del currículo de una amplia gama de carreras, desde la Biotecnología hasta la Bioquímica, Farmacia, la Medicina o la Ingeniería Ambiental.

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Reacciones Redox

Las reacciones redox, o reacciones de oxidación-reducción, son reacciones en las que se altera el estado de oxidación de elementos seleccionados contenidos en los productos químicos que reaccionan. Esto se debe a que los átomos individuales pueden intercambiar electrones entre sí. El proceso de oxidación siempre ocurre simultáneamente con la reducción. Las reacciones de donación y aceptación de electrones por parte de los átomos se escriben como semiecuaciones. Las reacciones redox desempeñan un papel importante en nuestras vidas y ocurren durante muchos procesos, como la fotosíntesis o la corrosión de los metales.

¿Cómo ocurren las reacciones redox?

La base de cualquier reacción redox es la oxidación y la reducción. Teniendo esto en cuenta, cualquier proceso puede escribirse utilizando las llamadas semiecuaciones, en las que sólo se especifican los átomos que donan o aceptan electrones. Por lo tanto, toda la reacción redox consiste, en cierto modo, en dar y tomar electrones. Sólo aquellos elementos que se encuentran en más de un estado de oxidación en los compuestos químicos pueden hacerlo. Conocer sus estados en entidades químicas individuales es esencial para escribir y equilibrar correctamente las reacciones redox. Al equilibrar electrones, además de escribir correctamente las semiecuaciones, se deben indicar las reacciones de oxidación y reducción, así como el oxidante y el reductor, respectivamente. Los oxidantes más comúnmente incluyen elementos altamente electronegativos (grupos 16 y 17 de la tabla periódica ), iones metálicos en estados de oxidación superiores, iones de metales nobles y ácidos oxidantes (por ejemplo , ácido nítrico (V) , ácido sulfúrico (VI) y sus mezclas con otros no -ácidos oxidantes). Los oxidantes más comunes son compuestos como KMnO₄ , K₂Cr₂O₇ , KClO₃ o K₂S₂O₈ . Los reductores, en cambio, son elementos electropositivos (normalmente de los grupos 1 y 2 de la tabla periódica), metales en estado de oxidación cero, hidrógeno molecular, carbono, monóxido de carbono y aniones de ácidos inorgánicos. Los reductores más populares son: Na, Mg, Fe²⁺ , Cl^– , Br^– , SCN^– . La fórmula de la reacción redox indica además el número de electrones intercambiados en el proceso. El desarrollo de este intercambio electrónico está determinado por el potencial redox de los reactivos implicados. En otras palabras, se le puede llamar potencial de media celda o potencial de electrones. Por definición, cuanto mayor sea la diferencia de potencial en el sistema, mayor será la fuerza impulsora de toda la reacción de oxidación-reducción.Las reacciones redox, o reacciones de oxidación-reducción, son reacciones en las que se altera el estado de oxidación de elementos seleccionados contenidos en los productos químicos que reaccionan. Esto se debe a que los átomos individuales pueden intercambiar electrones entre sí. El proceso de oxidación siempre ocurre simultáneamente con la reducción. Las reacciones de donación y aceptación de electrones por parte de los átomos se escriben como semiecuaciones. Las reacciones redox desempeñan un papel importante en nuestras vidas y ocurren durante muchos procesos, como la fotosíntesis o la corrosión de los metales.

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Ácido-Base

Un ácido es aquella sustancia química capaz de ceder protones (H⁺) a otra sustancia química. Una base es aquella sustancia química capaz de captar protones (H⁺) de otra sustancia química.

Según la teoría de Arrhenius:

Un ácido es aquella sustancia que cede protones (H⁺) en solución acuosa. Es decir, es una sustancia neutra, que cuando se disuelve en agua se disocia en sus iones según la siguiente reacción representativa:

Por ejemplo: el ácido clorhídrico (HCl)

Una base es aquella sustancia que cede iones OH^– en solución acuosa. Por ejemplo: el hidróxido de sodio (NaOH)

Esta teoría tiene sus limitaciones, pues según ella estos compuestos solo se definen en solución acuosa y no en otros medios. Además no explica compuestos como el amoníaco (NH₃), que es una base, pero al no tener OH^– en su composición, no cumple con la definición de base de Arrhenius.

Por todo esto, se necesitaba una nueva teoría que explicara mejor los conceptos de ácido y base. Así que más tarde Brönsted y Lowry desarrollaron una nueva teoría, que incluye los principios de Arrhenius pero no solo está pensada en solución acuosa, y por tanto, es mucho más amplia.

Según la teoría de Brönsted-Lowry:

Según esta teoría, un ácido es una sustancia química que es capaz de ceder protones (H⁺) a otra sustancia química y una base es aquella sustancia química que es capaz de captar protones (H⁺) de otra sustancia química.

Según esta teoría una reacción ácido-base es un equilibrio que se puede expresar como:

Donde HA se comporta como ácido, pues cede un protón H⁺ para quedarse como A^–. Por otro lado, B se comporta como una base, pues capta un protón H⁺ para convertirse en HB⁺.

Algunas sustancias pueden comportarse como ácidos y como bases al mismo tiempo y se dice que son anfóteras. Esto depende del medio en que se encuentren o con quien reaccionen. Un ejemplo de este tipo de sustancias es el agua:

En la primera ecuación el agua capta un protón H⁺, comportándose como una base y convirtiéndose en H₃O⁺. Mientras que en la ecuación (2), el agua cede un protón H⁺,  comportándose como un ácido y convirtiéndose en OH^–.

Por lo visto en ambas teorías, ácidos y bases tienen diferentes proporciones de iones hidrógeno (H⁺). Esto determina su acidez (en caso de ácidos) o su alcalinidad o basicidad (en caso de bases).

El pH es la magnitud que se utiliza para medir la acidez o la alcalinidad de una disolución, es decir, indica la concentración de iones hidrógeno presentes en esta.

• Ácidos. Sustancias con pH de 0 a 6.
• Neutros. Sustancia con pH 7 (el agua).
• Bases / alcalinos. Sustancias con pH de 8 a 14.

Cuanto menor sea el pH de una sustancia, mayor será su grado de acidez. Por ejemplo, el HCl puro tiene pH cercano a 0. Por otra parte, cuanto mayor sea el pH de una sustancia, mayor será su grado de alcalinidad. Por ejemplo, la soda caústica tiene pH igual a 14.

Ácidos y bases

Equilibrio químico

Es la denominación que se hace a cualquier reacción reversible cuando se observa que las cantidades relativas de dos o más sustancias permanecen constantes, es decir, el equilibrio químico se da cuando la concentración de las especies participantes no cambia, de igual manera, en estado de equilibrio no se observan cambios físicos a medida que transcurre el tiempo; siempre es necesario que exista una reacción química para que exista un equilibrio químico, sin reacción no sería posible.

Una vez iniciada una reacción química puede reaccionar de dos maneras diferentes: la reacción puede desarrollarse hasta que se agote uno de los reactivos o bien transcurrir hasta un cierto punto en el que, aunque existan reactivos en cantidad suficiente, la reacción, aparentemente, se detiene. En el segundo caso se dice que el sistema formado por los reactivos, los productos y el medio de reacción ha alcanzado un estado de equilibrio.

A pesar de que un sistema químico en equilibrio parece que no se modifica con el tiempo, esto no significa que no está ocurriendo ningún cambio. Inicialmente, los reactivos se combinan para formar los productos, pero llega un momento en que la cantidad de producto es los suficientemente grande que estos productos reaccionen entre sí volviendo a formar los reactivos iniciales. De esta manera transcurren simultáneamente dos reacciones: directa e inversa.

El equilibrio se alcanza cuando los reactivos se transforman en productos con la misma velocidad que los productos vuelven a transformarse en reactivos.(Velocidad de reacción directa igual a velocidad de reacción inversa)

Un sistema en equilibrio debe cumplir los siguientes requisitos:

• Sólo puede existir equilibrio en un sistema aislado: un sistema en el que ni la energía ni las sustancias entren o salgan continuamente.
• Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las propiedades observables del sistema (color, masa del reactivo sin reaccionar, temperatura, etc.), no varían con el tiempo.
• Toda situación de equilibrio se altera cuando se modifica la temperatura, pero se restablece cuando el sistema vuelve a la temperatura original.
• También puede haber modificaciones en el equilibrio con variaciones en la presión/volumen y con variaciones en la concentración de las sustancias participantes en la reacción.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las concentraciones de los reactivos y los productos se encuentran en una relación numérica constante. Experimentalmente se comprueba que las concentraciones de las sustancias implicadas en un sistema en equilibrio se encuentran relacionadas por la siguiente expresión matemática:

aA + bB → cC + dD

En esta expresión el numerador es el producto de las concentraciones de equilibrio de los productos, elevada cada una de ellas a un exponente que es igual al número de moles de cada producto que aparece en la ecuación química. El denominador es el producto de las concentraciones de equilibrio de los reactivos, elevada cada una de ellas a un exponente que es igual al número de moles de cada reactivo que aparece en la ecuación química.

La razón, K, entre el numerador y el denominador es la constante de equilibrio de la reacción. Si el valor de K es muy pequeño, mucho menor que 1, la reacción directa sólo ocurre en una pequeña extensión antes de alcanzar el equilibrio. Es decir, los reactivos no reaccionan del todo. En cambio, si el valor de K es grande, mucho mayor que 1, la reacción directa está ampliamente favorecida; esto es, los reactivos originales se transforman en productos en una gran amplitud.

https://www.quimica.es/enciclopedia/Equilibrio_qu%C3%ADmico.html

Fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas de atracción existentes entre moléculas con enlace covalente. Estas fuerzas están presentes en las sustancias covalentes cuando se encuentran en estado sólido o líquido. Existen tres tipos de fuerzas de atracción entre moléculas neutras: fuerzas dipolo permanente-dipolo permanente, fuerzas de puente de hidrógeno y fuerzas dipolo inducido-dipolo inducido.

DIPOLO PERMANENTE-DIPOLO PERMANENTE: Se presentan entre moléculas covalentes polares. Se deben a la interacción entre los dipolos que constituyen las moléculas. Las moléculas polares se atraen entre sí debido a las atracciones entre sus dipolos. Para moléculas con masas y tamaños aproximadamente iguales, la intensidad de las atracciones intermoleculares aumenta al incrementarse la polaridad.

PUENTES DE HIDRÓGENO: Podría considerarse como un enlace dipolo-dipolo, pero de gran intensidad. Se presenta entre moléculas que tienen el hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo: F, N, O. En la molécula de agua se forman dos polos, O polo negativo y H polo positivo, el átomo de H forma una unión electrostática con el átomo de O de una molécula vecina. También presentan este tipo de enlace otras moléculas como HF y NH3.

DIPOLO INDUCIDO-DIPOLO INDUCIDO: Se presentan entre moléculas covalentes apolares. Se deben a la aparición de dipolos instantáneos que se crean con el movimiento de los electrones.

DIPOLO PERMANENTE-DIPOLO INDUCIDO: Al acercarse un dipolo a una molécula no polar genera sobre ésta una distorsión de la nube de electrones, originando un dipolo transitorio.

https://www.tec.ac.cr/fuerzas-intermoleculares

Química

Bienvenidos a la sección de química, donde en este blog os contaremos todo lo relacionado con el mundo de la química (para qué sirve, que se estudia en esta asignatura, opiniones,…).

La química desempeña un papel fundamental, tanto por el puesto que ocupa en las ciencias de la naturaleza y del conocimiento como por su importancia económica y su omnipresencia en nuestra vida diaria. A fuerza de estar presente por doquier se suele olvidar su existencia, e incluso corre el riesgo de pasar completamente desapercibida.

Vamos a hablar de los números cuánticos que existen en química.

En el siglo XX, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld y Wolfgang Pauli pensaron en cómo identificar de forma única cada electrón del átomo que gira alrededor del núcleo —del mismo modo en que el profesor intentaba encontrar una forma de distinguir de forma única a cada alumno de su clase—.

Los parámetros que se utilizan para identificar unívocamente a los electrones se denominan números cuánticos.

Número cuántico principal

Según el modelo de Niels Bohr de los electrones atómicos, cada electrón gira alrededor del núcleo del átomo en un nivel de energía único. Utilizó un número entero para representar cada nivel de energía como n=1,2,3…. Este número entero se conoce como número cuántico principal.

El número que designa el nivel de energía principal que ocupa el electrón alrededor del núcleo se llama número cuántico principal.

Número cuántico azimutal

Arnold Sommerfeld se dio cuenta de que los electrones de un mismo nivel de energía viajaban, en realidad, en una trayectoria diferente alrededor del núcleo. Así que utilizó la forma de esta trayectoria para identificar a los electrones. Representó la forma de la trayectoria con números como l=0,1,2,…, n−1. Este número se denomina número cuántico azimutal.

El número que describe la forma de la subcapa en la que se encuentra el electrón en el nivel energético principal alrededor del núcleo se denomina número cuántico azimutal.

Este número cuántico ayuda a determinar el momento angular de los electrones y los nodos angulares de la subórbita. Así pues, el número cuántico azimutal también se denomina número cuántico angular.

Número cuántico magnético

Arnold Sommerfeld introdujo otro parámetro que describe la alineación del subnivel o subcapa. Este parámetro se conoce como número cuántico magnético ml. Sommerfeld descubrió que los electrones de la subcapa ocupan diferentes estados en presencia de un campo magnético externo. Cada orientación de la subcapa se conoce como orbital.

El número cuántico que especifica los distintos orbitales posibles en cada subcapa se denomina número cuántico magnético.

Número cuántico de espín

Wolfgang Pauli demostró el requisito del cuarto número cuántico, tras lo cual George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit utilizaron la propiedad del giro del electrón alrededor de su eje como cuarto número cuántico. Así, el nombre que se dio a este número cuántico fue el de número cuántico de espín.

El número cuántico que describe el momento angular de espín del electrón debido a su giro alrededor de su eje se llama número cuántico de espín.

https://www.studysmarter.es/resumenes/fisica/fisica-siglo-xx/numeros-cuanticos/