Química Electivo Cepech 2014

7/17/2019 Química Electivo Cepech 2014

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Índice

Capítulo 1: Cinética química

1. Cinética química

2. Factores que participan en la velocidad de una reacción química

2.1 Concentración2.2 Temperatura2.3 Catalizadores

2.3.1 Clasificación de catalizadores2.4 Grado de división de los reactantes2.5 Presión

2.6 Naturaleza de los reactantes3. Equilibrio químico

3.1 Equilibrio en fase líquida3.2 Equilibrio en fase gaseosa

4. Factores que influyen en la constante de equilibrio

4.1 Concentración4.2 Presión4.3 Temperatura

5. Enzimas (catalizadores)

5.1 Estructura de una enzima5.2 Regulación de la actividad enzimática

5.2.1 Factor temperatura5.2.2 Factor pH

6. Aditivos alimentarios

6.1 Aditivos alimentarios más comunes6.2 Sustancias tóxicas en los alimentos6.3 Causas de contaminación en los alimentos6.4 Toxiinfecciones alimentarias más comunes

Capí tulo 2: Termodinámica

1. Termodinámica

2. Conceptos termodinámicos

2.1 Cambio físico2.2 Cambio químico2.3 Energía de activación2.4 Energía de reacción2.5 Complejo activado2.6 Calorímetro

3. Tipos de reacciones3.1 Reacción exergónica3.2 Reacción endergónica

4. Teoría cinético molecular de la materia

5. Entalpía (ΔH)

6. Ley de Hess

7. Entropía

Capítulo 3: Fenómenos nucleares

1. Núcleo atómico

2. Isótopos

3. Masa atómica

3.1 Masa atómica promedio

4. Emisiones radioactivas4.1 Partículas alfa4.2 Partículas beta (β)4.3 Rayos gamma (γ)

5. Reacciones nucleares

6. Ecuaciones nucleares

7. Serie radiactiva

7.1 Elementos transuránicos7.2 Vida media

8. Fisión núclear

9. Fusión nuclear

10. Efectos de la radiación en los seres vivos

10.1 Excitación

10.2 Ionización11. Utilización de la energía nuclear

11.1 Uso pacífico11.2 Uso bélico: bombas atómicas

12. Posibilidades futuras de la energía atómica: transmutación nuclear artificial

Capítulo 4: Óxido - reducción



1. Óxido-reducción

2. Reacciones óxido-reducción

2.1 Formas de igualar ecuaciones óxido-reducción en ambiente ácido o básico3. Celdas electroquímicas

4. Predicción de reacciones

4.1 Potenciales normalesCapítulo 5: Industrias químicas

1. Industria química

2. Materias primas

2.1 Aire2.2 Agua de mar2.3 Rocas de la corteza terrestre2.4 Carbón mineral2.5 Gas natural2.6 Petróleo

3. Métodos simples de separación de sustancias

3.1 Filtración3.2 Decantación3.3 Destilación3.4 Cristalización

4. Industria minera

4.1 Industria del hierro4.2 Industria del azufre4.3 Industria del ácido sulfúrico4.4 Industria del cemento4.5 Industria del vidrio4.6 Industria del yodo4.7 Industria del litio4.8 Industria del cobre

Capítulo 6: Polímeros

1. Definición

2. Tipos de polímeros

2.1 Polímeros naturales2.2 Proteínas2.3 Ácidos nucleicos

2.3.1 ADN (Ácido Desoxirribonucleico)2.3.2 ARN (Ácido Ribonucleico).

3. Polímeros artificiales: plásticos

3.1 Reciclaje del plástico

Capítulo 7: Reacciones ácido base

1. Conceptos y características de ácidos y bases

2. Teorías de ácido base

2.1 Teoría de Arrhenius2.2 Teoría de Lowry y Brönsted2.3 Teoría de Lewis

3. Constantes de acidez (Ka)

y de basicidad (Kb)

4. Producto iónico del agua (Kw)

5. Medida de la acidez y la basicidad

6. Cálculo del pH para ácidos y bases

6.1 pH para ácido fuerte6.2 pH para ácido débil6.3 pH para base fuerte6.4 pH para base débil

7. Indicadores

8. Disoluciones buffer

8.1 Disolución ácida8.2 Disolución básica

9. Neutralización

9.1 TitulaciónCapítulo 8: Reacciones en química orgánica

1. Reactividad orgánica

1.1 Reacciones electrofílicas

1.2 Reacciones nucleofílicas2. Compuestos saturados

2.1 Combustión2.2 Halogenación

3. Compuestos insaturados

3.1 Reacciones de adición en compuestos insaturados



4. Compuestos aromáticos

4.1 Nitración4.2 Halogenación4.3 Sulfonación

5. Grupos funcionales

5.1 Alcohol5.2 Éter5.3 Aldehído5.4 Cetona5.5 Ácido carboxílico5.6 Éster

5.7 Amina5.8 Amida



Capítulo 1: Cinética química

Cuanto mayor sea el producto de las concentraciones, la reacción ocurre en menor tiempo, es decir, la probabilidad de que se produzcan choques entrereactantes es mayor y, por ende, la formación de productos es más favorecida. A medida de que aumenta la formación de productos, disminuye la

presencia de reactantes.

1. Cinética química

Una observación, aún superficial, permite constatar que ciertas reacciones químicas son instantáneas, mientras que otras se desarrollan con extremadalentitud. Así también, hay reacciones que se disparan en su inicio y luego se desarrollan mucho más lentamente, otras, por el contrario, empiezan conlentitud para acelerarse más tarde. La cinética química pretende estudiar el tiempo y la velocidad en las reacciones químicas como también ver losfactores que las influyen.

Se establece que la velocidad de una reacción química depende de las concentraciones de sus participantes. Así, para un proceso sencillo expresado porla reacción

la velocidad de reacción puede expresarse, ya sea referida a la concentración del reactante o a la concentración del producto de la siguiente forma:

donde k es una constante de proporcionalidad propia para la reacción química que se estudie. Esta constante se puede determinar experimentalmente ysu magnitud está en directa relación con la factibilidad cinética de la reacción. Valores elevados de k corresponden a reacciones rápidas y valorespequeños de k, a reacciones lentas. A k la llamaremos “constante de la velocidad de reacción”.

2. Factores que participan en la velocidad de una reacción química

2.1 Concentración

La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactantes. Sea la siguiente reacción:

la velocidad de la reacción se expresa

donde [ ] es concentración molar, a y b indican el orden de la reacción (primera, segunda, etc.). Estos valores se pueden determinar experimentalmente.Donde el subíndice “d” corresponde a “directo” y el subíndice “i” corresponde a “inverso”.

Cuanto mayor sea el producto de las concentraciones, la reacción ocurre en menor tiempo, es decir, la probabilidad de que se produzcan choques entrereactantes es mayor y, por ende, la formación de productos es más favorecida. A medida de que aumenta la formación de productos, disminuye lapresencia de reactantes.

En forma gráfica esto queda.



2.2 Temperatura

Está relacionada con la energía cinética de las moléculas, su influencia es directa. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética y se haránmás efectivos los choques entre los reactantes, lo que llevará a la aparición del producto en un menor tiempo, esto provocará, por otra parte, que laenergía de activación sea alcanzada en un menor tiempo. Por definición, la energía de activación es la mínima energía necesaria para que la reacciónocurra. Si esta energía no es alcanzada, la reacción NO se llevará a cabo. El valor de la energía de activación, para una determinada reacción química,orienta respecto a la mayor o menor dificultad con que se verifica, por lo que, determina cuán rápida va a ser. A mayor energía de activación, mayor tiempode reacción; pues mayor será la barrera energética que los reactantes deben pasar para transformarse en productos. Es como si se quisiera subir uncerro: cuanto más alta sea la cima más costará llegar a ella. Generalmente, esta primera etapa es la que limita una reacción cualquiera. Por esta razón sela llama etapa limitante de la reacción, lo que determina que una reacción sea lenta o rápida.

2.3 Catalizadores

Es un compuesto o elemento que tiene la particularidad de afectar la velocidad de una reacción. Se pueden distinguir dos tipos: positivo y negativo. Elprimero aumenta la velocidad de reacción y el segundo la disminuye. Dependiendo del fin de la reacción será el tipo de catalizador que se utilice.

El catalizador participa de la reacción, pero no se consume. Por lo tanto, se recupera íntegramente.

La principal característica de un catalizador es que permite disminuir la energía de activación para la reacción en estudio, lo que hace que el tiempodisminuya.

El gráfico anterior nos muestra el comportamiento de una reacción con y sin catalizador. Observa el punto máximo con catalizador, es menor que el puntomáximo sin catalizador (observa los gráficos en paralelo).

2.3.1 Clasificación de catalizadores

Además, podemos clasificar los catalizadores en homogéneos y heterogéneos. Los catalizadores homogéneos son sustancias que se encuentran en lamisma fase a los reaccionantes. Por otro lado, los catalizadores heterogéneos, son sustancias que se encuentran en una fase diferente a losreaccionantes, por ejemplo, el platino es un catalizador sólido en reacciones de hidrogenación en compuestos orgánicos.



2.4 Grado de división de los reactantes

Cuando los reactantes son sólidos, un alto grado de división proporciona una mayor superficie de interacción. Al ser mayor el número de partículas quereaccionan simultáneamente, la reacción es más rápida.

2.5 Presión

Para aquellas reacciones donde sus participantes son gases, el efecto de la presión se aprecia con mayor propiedad. Ocupando la expresión de gas idealse deduce lo siguiente:

Por lo tanto se define la concentración del gas como los moles en un volumen, lo que puede representarse en función de P y T. Es decir:

Entonces, si la temperatura es constante, hemos llegado a la conclusión de que la concentración del gas es directamente proporcional a la presión. Esdecir, que si aumenta la presión, las moléculas gaseosas estarán más cerca una de otra aumentando la concentración por unidad de volumen. Yviceversa, si aumenta la concentración gaseosa en la misma unidad de volumen, consecuentemente aumentará la presión.

2.6 Naturaleza de los reactantes

Este factor se relaciona con la facilidad con que se pueden romper enlaces en los reactantes para, posteriormente, formar productos.

3. Equilibrio químico

Cuando tenemos una reacción química en donde hay reactantes y luego productos, se puede establecer un equil ibrio entre ellos. Esto se logra cuando laformación de productos es igual a la formación de reactantes. Durante la primera etapa, habrá solo formación de productos para luego dar paso a unaexistencia de reactantes y productos. El equilibrio químico se establece en este momento. Por lo tanto, este estado tendrá sentido solo cuando en lareacción química pueda establecerse que la velocidad directa de reacción es igual a la velocidad inversa. Si una reacción ocurre con una marcadatendencia hacia los productos, el equilibrio será en un solo instante. Por lo tanto, el equilibrio debe tener una duración bastante notoria como para poderadvertir que efectivamente se establece.

El equilibrio químico es mejor apreciado cuando la reacción ocurre en fase líquida y gaseosa. Si hubiera un sólido en el proceso, se hará el supuesto deque no participa (será constante), no afectando al resto de los participantes.

Por lo tanto, se puede decir que una reacción reversible alcanza un equilibrio químico cuando la velocidad de la reacción directa y la velocidad dela reacción inversa se igualan.

Es importante notar que toda reacción reversible inminentemente llegará a un equilibrio.



3.1 Equilibrio en fase líquida

se establece que:

Como la situación de equil ibrio se logra cuando

quedando:

Reordenando, se obtiene:

Como

es una constante, se reemplaza por quedando finalmente:

es la constante de equilibrio y se expresa a través de las concentraciones de los participantes elevadas a sus respectivos coeficientesestequiométricos. El hecho de que en el numerador se encuentren los productos y en el denominador los reactantes, es porque precisamente de estaforma se mantiene el valor de la constante de equilibrio, aún cuando varíen las concentraciones en juego.



Se puede observar que el valor es bastante elevado desde el punto de vista químico.

3.2 Equilibrio en fase gaseosa

Cuando los reactantes y productos son gases, también es posible plantear su equilibrio. Para esto, se puede utilizar la expresión del gas ideal, es decir,

PV=nRT

La presión es la variable que servirá para expresar la constante respectiva.

Sea la siguiente reacción.

La constante de equilibrio, en base a las presiones se expresa:

Sin embargo, como es común usar la concentración para relacionar el equilibrio respectivo, de la ecuación del gas ideal se deduce que

Por lo tanto, la constante de equilibrio es:

Por lo tanto, la constante de equilibrio sobre la base de las presiones se puede establecer conociendo la constante de equilibrio en base a laconcentración y la temperatura a la cual ocurre la reacción.

Veamos un ejemplo. Sea la siguiente reacción



Si la concentración de nitrógeno es 1,5 mol/L, la de hidrógeno es 2,0 mol/L y la de amoníaco es 2,5 mol/L, calcule Kc y Kp, sabiendo que la reacciónocurre a 70 K.

Para comenzar, se calcula la constante de equilibrio en función de las concentraciones,

Luego, estamos en condiciones de calcular la Kp:



4. Factores que influyen en la constante de equilibrio

Antes de conocer los factores que afectan la constante de equilibrio, es necesario conocer un principio muy importante, denominado principio de“LeChatelier”, que expresa lo siguiente: “si un sistema, que se encuentra en equilibrio, se somete a cualquier perturbación, este responderá desplazando elequilibrio en el sentido contrario a la modificación”.Presentemos ahora los factores y su relación con este principio.

4.1 Concentración

Si disminuimos la concentración de los reactantes (los cuales se encuentran en el denominador), la constante disminuirá, lo cual se traduce en una poca

formación de productos.

Si aumentamos la concentración de los productos (los cuales se encuentran en el numerador), la constante aumentará, lo cual se traduce en una granformación de reactantes.

En resumen: la adición de una sustancia desplaza el equilibrio en el sentido contrario a la adición.

La sustracción de una sustancia desplaza el equilibrio en el sentido de donde fue retirada la sustancia.

4.2 Presión

De acuerdo con la expresión P = CRT y siendo T constante, la presión es directamente proporcional a la concentración. Por lo tanto, su efecto es elmismo que para el factor concentración.

Un aumento de la presión en un sistema provocará una disminución del volumen que hará que la concentración de soluto aumente, por lo que esaplicable la misma situación que para la concentración.

En resumen: un aumento de la presión desplaza el equilibrio en el sentido de donde se encuentra el menor volumen.

Una disminución de la presión desplaza el equilibrio en el sentido donde se encuentra el mayor volumen.

Consideremos por ejemplo, la síntesis del amoniaco

En esta reacción, 4 moles iniciales producen 2 moles finales , lo que equivale a decirque en presión y temperatura constantes, 4 volúmenes iniciales se reducirán a 2 volúmenes finales. En otras palabras, en esta reacción ocurre una

reducción del 50% del volumen inicial. Así un aumento de la presión sobre este sistema irá a desplazar el equilibrio para el lado del que es el

lado de menor volumen. Por el contrario, una disminución de la presión desplazará el equilibrio para el lado del y del es el lado en donde seencuentra el mayor volumen.

Observación: en equilibrios heterogéneos, formados por sólidos y gases por ejemplo, el planteamiento anterior deberá ser hecho exclusivamentepara los gases participantes.

En este equilibrio, la presión NO influye, pues tenemos 1 mol de en los reactantes y 1 mol de en los productos, lo que indica que lareacción transcurre sin variación de volumen (note que no se considera el carbono, ya que es sól ido).

4.3 Temperatura

Si la reacción química es de tipo endotérmica (absorbe energía), un aumento de la temperatura significará que el equilibrio se desplazará hacia losproductos. Si disminuye la temperatura, se dificultará la formación de productos.

Si la reacción química es de tipo exotérmica (libera energía), un aumento de la temperatura significará que el equilibrio se desplazará hacia losreactantes. Si disminuye la temperatura, se favorecerá la formación de productos.

Por ejemplo, en la síntesis del amoniaco:

La reacción directa (dirección de izquierda a derecha) es exotérmica; consecuentemente, un aumento de la temperatura irá a desplazar el

equilibrio para la izquierda (en el sentido de ), disminuyendo, por tanto, el rendimiento de producción de amoniaco



5. Enzimas (catalizadores)

Las enzimas son importantes proteínas cuya función es acelerar la velocidad de las reacciones químicas que se producen en el organismo y que sonnecesarias para mantener su actividad biológica, lo cual realizan al disminuir la energía de activación.

Las reacciones catalizadas por enzimas ocurren a velocidades a veces más rápidas que las no catalizadas. Por ejemplo, la ureasa acelera lahidrólisis de la urea en la orina por un factor de . Este factor significa que una reacción catalizada que toma 1 segundo en producirse podría tomar untiempo de 3 millones de años sin estar catalizada.

En toda reacción química se produce la transformación de una sustancia inicial, denominada sustrato (S), en una sustancia final o producto (P), según lasiguiente notación:

S + E fijación E S

E S transformación P + E

Esta transformación ocurre a través de varias etapas. En primer lugar, la enzima “atrae” el sustrato hacia su superficie; después lo “fija” en una posicióndeterminada, y en este paso intermedio se forma un complejo enzima-sustrato (ES). Enseguida, el sustrato se activa, de modo que sus enlaces se

debilitan, dando paso a su transformación. Una vez que la enzima ha realizado la transformación, libera rápidamente el producto de reacción para seguirsu labor con otras moléculas de sustrato.

5.1 Estructura de una enzima

Como toda proteína, las enzimas están formadas por una gran cantidad de aminoácidos, que cumplen funciones diferenciadas. Entre estos tenemos los



no esenciales, estructurales, de unión y catalíticos.

- Los aminoácidos no esenciales pueden ser reemplazados, y en algunos casos eliminados sin una pérdida significativa en la función o conformaciónde una enzima.

- Los aminoácidos estructurales son vitales para la conformación de la enzima, “forman su esqueleto”.

- Los aminoácidos de unión participan en la asociación entre la enzima y el sustrato.

- Los aminoácidos catalíticos participan activamente en la transformación del sustrato.

La “estructura” de una enzima puede explicarse en función de los residuos de estos cuatro tipos de aminoácidos. Obviamente, los residuos estructurales,de unión y catalíticos pueden considerarse esenciales y cualquier modificación de estos disminuye la actividad enzimática. De hecho, si el residuo esparticularmente crucial, como en el caso de un residuo clave en la unión o cualquier residuo catalítico, resulta una pérdida total de la actividad.

El sitio donde se encuentra el conjunto de aminoácidos de unión y catalíticos se denomina centro activo de la enzima, un lugar estratégico donde, por

medio de uniones intermoleculares, la enzima “atrae” al sustrato en una orientación tal que encajan correctamente, así como las piezas en unrompecabezas. Por ejemplo, en el sitio activo de la carboxipeptidasa, los residuos his 196, his 69 y glu 72 tienen una alta densidad electrónica, por ellose coordinan con el (deficiente en electrones), formando una interacción ión-dipolo con el oxígeno del enlace peptídico. Este oxígeno, al entregarparte de sus electrones, deja al carbono más deficiente en electrones. Entonces, el glu 270 actúa como base, quitando un protón al agua y quedando un –OH que actúa como nucleófilo que se une al carbono del enlace peptídico. Simultáneamente, para ayudar a la ruptura del enlace peptídico, la tir 248actúa como ácido cediendo un protón al N de este enlace. El N, al quedar positivo, rompe el enlace C-N y con ello se logra en forma concertada la rupturadel péptido.

5.2 Regulación de la actividad enzimática

Como ocurre con toda proteína, la actividad de una enzima depende de factores tales como la temperatura, el grado de acidez o pH, las disolucionessalinas, los solventes, los activadores y los inhibidores.

5.2.1 Factor temperatura

Si a una reacción enzimática se le aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas. El aumento en la movilidad de estas moléculasproduce un aumento en el número de colisiones, aumentando la velocidad de la transformación. Si la temperatura continúa aumentando, se comienzan aromper algunas uniones intermoleculares responsables de la conformación de la enzima y, así, comienza a disminuir paulatinamente su actividad. Si latemperatura es excesiva, la enzima se desnaturaliza perdiendo totalmente sus propiedades catalíticas.

5.2.2 Factor pH

Cuando varía el pH del medio, se producen cambios en el estado de ionización de algunos grupos ionizables de una enzima, afectando su estructuratridimensional y, por lo tanto, su actividad biológica. Además, el cambio en el estado de ionización de grupos químicos localizados en el sitio activo,puede alterar el reconocimiento del sustrato o la reactividad de los aminoácidos asociados al sitio activo de la enzima. Todas las enzimas tienen dosvalores límites de pH entre los cuales son efectivas. Al traspasarse estos valores, la enzima se desnaturaliza y deja de actuar.

6. Aditivos alimentarios

Alargar el periodo en que los alimentos se conservan en estado óptimo para su consumo ha sido una de las preocupaciones del hombre desde tiemposremotos. La desecación, la fermentación, el empleo de azúcar o de sal y el ahumado, por citar algunas, son técnicas tradicionales de conservación que



hoy día todavía se utilizan.

Así, la mermelada o las frutas secas se mantienen en buen estado durante más tiempo que la fruta fresca, al igual que ocurre con la leche condensadacon respecto a la leche fresca, con el bacalao u otros pescados en salazón y con los encurtidos (aceitunas, pepinillos en vinagre y sal, etc.) encomparación con los mismos alimentos en estado fresco. Pero se ha avanzado notablemente en materia de conservación, y hoy empleamos el frío(refrigeración, congelación), el calor (pasteurización) y otros sistemas más modernos y seguros que las técnicas antes mencionadas.

Los aditivos alimentarios son sustancias que se añaden a los alimentos intencionadamente con el fin de modificar sus propiedades, técnicas deelaboración, conservación o mejorar su adaptación al uso a que estén destinados. En ningún caso tienen un papel enriquecedor del alimento. Enaquellos casos en los que la sustancia añadida es eliminada, o la cantidad de ella que queda en el alimento no tiene función alguna, no se considera unaditivo sino un agente auxiliar de fabricación.

Los aditivos alimentarios son otro de los grandes descubrimientos que han posibili tado no solo avanzar en la conservación, sino conseguir mejoras en elproceso de elaboración de los alimentos, modificar sus características organolépticas (las que se aprecian mediante los sentidos) y realizar mezclas (degrasa en agua, etc.) para crear nuevos productos que de forma natural no podrían obtenerse. Algunos aditivos son naturales y otros de síntesis,elaborados en laboratorios.

Muchos alimentos que consumimos hoy no podrían existir sin el empleo de aditivos alimentarios: más de dos terceras partes de los productos queconsumimos los contienen. Los aditivos alimentarios son un recurso más de la tecnología alimentaria, y hay que recurrir a ellos cuando su utilización esestrictamente necesaria. Estas sustancias facilitan la disponibilidad de productos alimentarios durante cualquier época del año para un gran número deconsumidores y en muchas ocasiones a bajo costo.

Sin embargo, la mala fama precede a los aditivos alimentarios, y relacionar salud con aditivos no parece posible si no es de forma negativa, señalando losinnumerables peligros y efectos nocivos que puede acarrear su ingestión; todo esto sin ningún fundamento científico. Se admite que algunos aditivospueden provocar (y provocan) alergias, pero también lo hacen numerosos alimentos sin aditivos, como huevos, pescado, leche.

También es cierto que algunos aditivos no deben ser ingeridos por personas con ciertas alteraciones orgánicas o con intolerancias de origenalimentario, como quienes sufren celiaquía (incapacidad de asimilar el gluten).

Pero después de más de 70 años de utilización y continua vigilancia, resulta arriesgado afirmar que todos los aditivos actualmente autorizados sonindeseables y dañinos. En España se admiten los aditivos aprobados por la Comunidad Europea, designados con números que comienzan por la letra E(Europa). En total, están autorizados 345 aditivos, de los cuales tan solo se emplea un pequeño porcentaje (125); el resto se usa solo en casos muyconcretos. Actualmente, hay una normativa formulada en el Código Alimentario Español (CAE) y reflejada en la legislación dispuesta por el Ministerio deSanidad y Consumo que regula todo lo referente a los aditivos. La industria alimentaria solo puede usar aquellos que han sido aprobados, tras haberpasado por largos, detallados y exhaustivos estudios que verifiquen que las dosis autorizadas no pueden causar ningún efecto dañino para la salud delas personas y que son realmente necesarios.

6.1 Aditivos alimentarios más comunes

a. Colorantes

Se añaden a los alimentos para mejorar su aspecto y hacerlos más apetecibles, o para reemplazar pérdidas de color que se producen durante elproceso de elaboración de algunos alimentos. Son los más controvertidos, puesto que no son realmente necesarios. Algunos son naturales, como loscolorantes vegetales propios de ciertas frutas y verduras (E160, beta-caroteno, natural, confiere a frutas y verduras tonos entre amarillos, anaranjados yrojizos y se usa en mantequillas, margarinas y otros alimentos). También hay otros de síntesis o artificiales. Los más utilizados son los azocolorantes, quese han relacionado con reacciones alérgicas, sobre todo en niños, por consumo excesivo de golosinas coloreadas (como el E102 o tartracina, que esutilizado para obtener el color amarillo de algunos dulces).

b. Edulcorantes

Algunos aditivos poseen un gran poder edulcorante (se emplean en cantidades muy pequeñas) y otros endulzan de forma similar al azúcar común(sacarosa). Los de alto poder edulcorante resultan menos dañinos para los dientes que la sacarosa. De poder edulcorante similar a la glucosa es el E420(sorbitol), que se obtiene del maíz y está presente de forma natural en algunas frutas. Algunos no aportan calorías ni aumentan los niveles de azúcar en lasangre (glucosa), por lo que se utilizan en productos bajos en calorías o libres de azúcar, indicados para personas con exceso de peso o que padecen

diabetes. Son de alto poder edulcorante los aditivos E951 o aspartame (no apto para quienes deben controlar las fuentes alimentarias de fenilalanina,componente de las proteínas y presente en el aspartame) y E954 (sacarina). Se emplean en bebidas light, algunos yogures bajos en calorías y en formade granulado, pastillas o líquido.

c. Potenciadores de sabor

Potencian el sabor y normalmente solo se usan en productos de sabores fuertes y concentrados. El más común es el glutamato monosódico (E621),muy empleado en la cocina oriental. Algunas personas presentan intolerancia a este aditivo y desarrollan el “síndrome del restaurante chino”, que causamalas digestiones e incluso dolor de cabeza. También se usa en especias y en los cubitos de caldo.

d. Estabilizantes y emulsionantes

Se utilizan para elaborar mezclas de agua con grasa cuando de forma natural resulta imposible, ya que los estabilizantes permiten mantener laemulsión de estos dos elementos. Muchas de estas sustancias son naturales. Algunos ejemplos: E322 (lecitina), que generalmente procede de la soja oel huevo y se emplea para elaborar alimentos con poca grasa y en el chocolate, y E471-472 (mono y diglicéridos de ácidos grasos), que se obtienen a

partir de grasas y se usan en la elaboración de pasteles sencil los y margarinas.

e. Espesantes/gelificantes

De origen natural, poseen una gran fuerza de atracción con el agua, por lo que aumentan la viscosidad o espesan los alimentos. Naturales: gomaarábiga, goma tragacanto, goma garrofín, goma guar, agar-agar, pectinas, almidones. Todos ellos son de procedencia vegetal.



calurosos.

Cuando el alimento está contaminado por mohos aparece una masa esponjosa, manchas o reblandecimientos en la superficie claramente visibles, por loque nos resulta fácil rechazar cualquier alimento con aspecto mohoso. Si el alimento está contaminado por bacterias, en la mayoría de los casos y en losprimeros estadios de la alteración, no se modifican sus propiedades organolépticas (olor, color y textura), constituyendo un mayor riesgo para la salud,que hemos de prevenir con una práctica culinaria y de conservación de alimentos suficientemente higiénica.

Una vez que los alimentos se han contaminado, los microorganismos comienzan a multiplicarse en ellos, y solo un tratamiento térmico adecuado escapaz de destruir a los microorganismos y a sus toxinas. La cocción, el asado y la fritura suficientes aseguran la destrucción de los gérmenes. Sinembargo, la refrigeración y la congelación, únicamente detienen el crecimiento de estos, no los destruyen.

6.4 Toxiinfecciones alimentarias más comunes

Si presenta alguno de los síntomas más frecuentes, trate de recordar cuándo ingirió un alimento sospechoso; si es posible, guarde para su análisisposterior restos de ese alimento y muestras de las heces o vómito que generó. Esto puede ayudar a identificar el microorganismo responsable de latoxiinfección, y a dar el diagnóstico y la terapia más adecuados.

a. Salmonelosis

Esta infección la produce la conocida Salmonella, causa de más de la mitad de las toxiinfecciones que se registran cada año en nuestro país. LaSalmonella se encuentra de forma natural en el intestino del ser humano y de los animales; por ello, las heces son foco de contaminación de los alimentosy el agua. Los alimentos implicados más frecuentemente en esta infección son los huevos crudos (mayonesas, clara batida, sopas o leche con yema) opoco cocinados, las aves mal cocidas y los alimentos cocinados que se han dejado sin refrigerar durante varias horas.

La Salmonella se encuentra en la cáscara del huevo, pero puede penetrar en el interior si no se mantienen unas condiciones de conservación

adecuadas. No se deben lavar los huevos, porque como la cáscara es porosa, la humedad favorece la penetración de las bacterias al interior del huevo.Si van a ser utilizados en ese momento, no implica mayor riesgo. El problema surge cuando se lavan para conservarlos durante más días. La yema es elmedio donde se desarrollan más rápidamente las salmonellas. No compre huevos rotos, con restos de plumas o heces, pues son factor de contaminación.Aunque no necesitan condiciones especiales de conservación, guarde los huevos en el frigorífico para aumentar su vida útil. El recipiente donde se habatido el huevo no debe contactar con la tortilla u otros platos ya elaborados.

Por otro lado, las carnes (principalmente aves) y productos preparados a base de carnes picadas, se deben someter a fuego intenso o durante largotiempo. La temperatura y el tiempo han de ser suficientes para que estos alimentos no queden poco hechos en su parte central. Si están crudos, no losponga nunca en contacto con los ya cocinados, para evitar la contaminación cruzada. Los síntomas que caracterizan a la salmonellosis son las náuseas,el dolor abdominal, la diarrea y la fiebre alta transcurridas desde 8 hasta 36 horas. La hospitalización se indica si persiste la fiebre elevada o la diarrea, yaque esta enfermedad produce gran deshidratación, causada por la cuantiosa pérdida de líquidos.

b. Estafilococia

Estas bacterias, Staphylococcus aureus , se encuentran de forma natural en nuestra piel, nariz, boca y manos y son un foco de infecciónespecialmente importante los cortes en las manos, las heridas infectadas y los flemones. Crecen rápidamente en alimentos húmedos y ricos en proteínasno adecuadamente refrigerados.

Destaquemos la leche, quesos frescos, salsas, productos de pastelería rellenos de nata y crema, natillas y carnes. La intoxicación, que cursa convómitos, diarreas y espasmos intestinales, está producida por una toxina que forma la bacteria en el alimento. En ocasiones, se sienten escalofríos ymareos. Los síntomas pueden aparecer a los pocos minutos o varias horas después de ingerir el producto contaminado.

La bacteria se destruye fácilmente con el calor, aunque sus toxinas resisten temperaturas de hasta 100 ˚C, a no ser que se mantenga estatemperatura durante unos 30 minutos. Para prevenir esta intoxicación, es fundamental mantener una buena higiene personal, protegiendo bien lasheridas. Conviene no comer chicle mientras se cocina. Igualmente, evitaremos que se produzca contaminación cruzada si refrigeramos en baldasdistintas los alimentos frescos y los ya cocinados.

c. Botulismo

Lo causa el Clostridium botulinum, bacteria que no necesita oxígeno para multiplicarse y que forma unas esporas muy resistentes al calor, que sonlas que producen la enfermedad que afecta al sistema neuromuscular provocando parálisis progresiva. Puede ser mortal. Las esporas solo se destruyen a121 grados aplicados durante 15 segundos.

Estas bacterias viven de forma habitual en la tierra, en el suelo, en los vegetales y en el intestino de algunos animales como el cerdo y los pescados.Los alimentos con mayor riesgo son las conservas vegetales o animales y las semiconservas de carne o pescado de fabricación casera, a las que no seles ha aplicado el calor suficiente para destruir la toxina.

Las conservas ofrecen las condiciones ideales para la germinación de las esporas por falta de oxígeno y presencia de humedad. De ahí la necesidadde respetar las normas de tiempo y temperatura en la preparación de conservas caseras.

Tampoco se deben consumir alimentos que procedan de latas con golpes, zonas oxidadas, abombamientos o aquellas que desprendan gas alabrirlas.

Para cocinar y conservar con auténtica higiene• Vigile las fechas de caducidad y condiciones de almacenamiento (temperatura, humedad...) de los alimentos.

• No mantenga, ni siquiera en invierno, los platos elaborados a temperatura ambiente.

• No deje enfriar lentamente los platos ya cocinados.

• Mantenga los alimentos perecederos en refrigeración (0–5 ̊ C) o congelación (-18 ̊ C) hasta el mismo momento de utilizarlos.



• Si se ha descongelado un al imento desde la compra hasta llegar a casa, consúmalo con la mayor rapidez o refrigérelo para cocinarlo horasmás tarde.

• Asegúrese que la temperatura del refrigerador sea la adecuada (entre 0 y 5 ˚C). A esta temperatura se detiene la multiplicación de la mayoríade microorganismos patógenos.

• Si quiere cocinar o recalentar un plato, el centro del mismo ha de alcanzar los 65 ̊ C, debido a que estas temperaturas no permiten elcrecimiento microbiano. El baño maría resulta indicado para elaborar determinados platos o para mantener alimentos calientes.

• Caliente solo lo que vaya a consumir.

• Evite la contaminación cruzada separando los alimentos crudos de los ya cocinados (en el frigorífico, los crudos abajo y los cocinados arriba).

• El frigorífico no ha de estar muy lleno, para que el aire frío circule bien.

• Organice las baldas del frigorífico por grupos de alimentos (leche y lácteos, carnes, frutas y verduras, platos cocinados...).

• Los platos cocinados que vaya a refrigerar o congelar, enfríelos rápidamente.

En los platos elaborados que no vaya a consumir deinmediato, conviene que

• El centro del al imento se mantenga a 65 ̊ C, debido a que a estas temperaturas no crecen los gérmenes.

• Se conserven en el refrigerador a temperatura inferior a 3 ̊ C un máximo de 5 días.

• Se congelen con la seguridad de que la temperatura del congelador alcance los 18 ˚C. Así, se conservan hasta 4 meses.

• Las ensaladas que contengan productos proteicos (pollo, jamón, queso, atún, ...) deberá mantenerlas en el refrigerador hasta el momento deser servidas.

• Mayonesas, salsas, cremas y natas, constantemente en refrigeración. Y conviene que se consuman no más allá de 24 horas de su elaboracióncasera.

• Lave minuciosamente los vegetales crudos, con agua potable y unas gotas de lejía durante unos minutos y aclare bien.

• Si come fuera de casa, asegúrese de que los alimentos estén bien cocinados; el huevo de las tortillas u otros platos bien cuajado, la carne bienhecha, etc.

• Mantenga una correcta higiene personal, y vigile la higiene del lugar donde cocina y de los utensilios que utiliza.

• Los animales no deben estar en la cocina. No olvide lavarse las manos después de tocarlos y no fume cuando esté cocinando.

• Cambie los trapos de cocina usados y las servilletas con frecuencia.

• No barra la cocina mientras haya alimentos expuestos, o añada agua al suelo para evitar que se levante polvo.



Capítulo 2: Termodinámica

1. Termodinámica

Henry Eyring, en 1945, afirmaba que “un sistema molecular pasa de un estado de equilibrio a otro… a través de todos los cambios intermedios posibles,pero el camino que más energía economice será el más frecuentemente recorrido”.

Con esto se pretende afirmar que todo proceso que implique el paso desde un reactante hasta la formación de productos implica una absorción o unaemisión de energía, generalmente en forma de calor. El camino que consuma menos energía será el más favorecido.

La gran utilidad de la termodinámica, tema central del capítulo, radica en que sus conclusiones no pasan por un estudio de las estructuras moleculares dela materia, sino que solo relaciona las propiedades de esta como conjunto con su comportamiento físico y químico.

En resumen, la termodinámica nos permite predecir los cambios específicos que puede experimentar un sistema, aunque no nos asegura que esto

ocurrirá ciertamente.

2. Conceptos termodinámicos

2.1 Cambio físico

Es una variación en los estados de la materia que puede experimentar un compuesto. En este tipo de hechos, no es afectada la intimidad del compuesto.Por otra parte, en este tipo de cambios, se puede ir en un sentido o en el otro. Esto es, si tiene los dos sentidos es reversible y si tiene uno solo esirreversible.

Ejemplo: Si tenemos agua sólida (hielo) a la cual le aplicamos un poco de temperatura, pasará al estado líquido y si volvemos a incrementar latemperatura irá al estado gaseoso. Por lo tanto, hemos observado solo una variación de su estado físico. El agua sigue siendo “agua”. No se ha formadootro compuesto.



2.2 Cambio químico

Es una variación en la estructura interna de un compuesto, al punto de que será distinto al origen que tenía. Por otra parte, este tipo de cambio suele serirreversible.

Ejemplo: Si tenemos una lámina delgada de cobre, la cual introducimos en ácido nítrico, notaremos que el metal empieza a desarrollar cambios. En estecaso, la estructura interna del cobre metálico fue modificada como también lo fue el ácido nítrico. Se establece, entonces, una di ferencia entre el antes ydespués. Es una reacción muy notoria para este tipo de cambio.

2.3 Energía de activación

Es la energía mínima que las moléculas deben poseer para reaccionar y formar productos.

Se establece cuando tenemos una reacción química. Si no se logra dar este valor de energía, no habrá formación de productos. Por lo tanto, cadareacción tendrá su propia energía de activación.



2.4 Energía de reacción

Una vez que la reacción se ha iniciado, se producirá una energía que será suficiente para mantener el desarrollo de la misma y durará mientras sedesarrolle la reacción. Esta será, entonces, la energía de reacción.

2.5 Complejo activado

Corresponde a la transición entre reactantes y productos. Se caracteriza por presentar una energía mayor comparada con la energía de activación. Unareacción química puede presentar más de un complejo activado.

2.6 Calorímetro

Es un instrumento utilizado para medir variaciones de energía y la entalpía en una reacción química.

3. Tipos de reacciones

En termodinámica vamos a distinguir dos tipos de reacciones, las cuales describiremos a continuación.

3.1 Reacción exergónica

Es aquella reacción que l ibera energía durante su desarrollo. Su representación gráfica presenta las siguientes características:

- La energía de los reactantes es mayor que los productos.- El complejo activado es quien presenta más energía.- Se puede dar una diferencia entre productos y reactantes.- La energía de activación se hace presente en los dos sentidos.

Ejemplo: El gas de cañería en contacto con oxígeno da origen a una reacción que libera energía

Esta es una reacción exergónica.

3.2 Reacción endergónica

Es aquella reacción que precisa energía para su desarrollo. Anotemos algunas características del gráfico:

- La energía de los productos es mayor que la de los reactantes.



- El complejo activado presenta más energía que productos y reactantes.- Se puede establecer una diferencia de energía entre productos y reactantes.- Se observa la presencia de dos energías de activación, una con sentido reactante complejo activado y la otra, con sentido complejo activado

producto.

Ejemplo: Una forma de obtener oxígeno es a través del clorato de potasio, el cual al ser calentado libera este gas. Su reacción es:

Esta es una reacción endergónica.

Con respecto a estas reacciones, se puede decir que pueden ir en un sentido (reactantes a productos) o en el otro (productos a reactantes). Aquellasreacciones que tengan tal característica serán reversibles. Las que tengan solo un sentido serán irreversibles. Este hecho se explica por la energía deactivación que se requiere para ir en un sentido o en el otro.

4. Teoría cinético molecular de la materia

La teoría cinético molecular parte del supuesto de que la materia es discontinua. Es decir, que todos los cuerpos, en cualquier estado físico en que seencuentren, están formados por partículas (átomos, iones o moléculas) que están en continuo movimiento o vibrando.

Se postula que entre las partículas existen dos tipos de fuerzas: fuerza de cohesión y fuerza de dispersión. La primera tiende a mantener unidas laspartículas y es responsable de que los cuerpos mantengan su forma.

La fuerza de dispersión causa la separación de las partículas. De estos conceptos se derivan los siguientes principios:

• En los sólidos, la fuerza de cohesión predomina, casi totalmente, sobre la de dispersión. Por este motivo, el grado de agitación térmica es muy bajoy, por lo tanto, el movimiento molecular es vibracional en casi su totalidad.

• En los líquidos, la fuerza de cohesión y la de dispersión están equilibradas y las moléculas mantienen una agitación térmica relativamente libre,disminuyendo en algo su movimiento vibracional.

• Los gases, en cambio, están formados por un gran número de partículas que se mueven discontinuamente. En sus desplazamientos chocan entresí y contra las paredes del recipiente, ejerciendo una presión determinada que da origen a una gran agitación térmica y a una muy disminuida agitaciónvibracional.

A través de la teoría cinética molecular, se pueden explicar los cambios de estado físico que experimenta la materia. Se sabe que la fuerza de cohesiónentre las partículas que forman un cuerpo es tanto mayor cuanto más próximas se encuentran unas de otras. Así, al aumentar la presión, el volumen delcuerpo disminuye, aumentando la fuerza de cohesión, pues la distancia entre las partículas es cada vez menor. La fuerza de dispersión, en cambio, sehace menos intensa, porque esta es tanto mayor cuanto más rápido se muevan las partículas, es decir, cuanto mayor es la agitación térmica. Entonces, alaumentar la temperatura, la fuerza de dispersión también se incrementa.

En cualquier estado que se encuentre la materia, y a una temperatura determinada, algunas moléculas se mueven más lenta o más rápidamente que elpromedio. En un líquido, las moléculas más rápidas, que se encuentran cerca de la superficie, son capaces de vencer las fuerzas intermolecularespasando al estado gaseoso. Decimos entonces que el líquido se ha evaporado.

Todo factor que ayude a las moléculas a escapar del estado líquido, facilita la evaporación. Desde el punto de vista de la teoría cinético molecular, lapresión atmosférica resulta de las fuerzas que ejercen las partículas gaseosas, en constante movimiento, sobre la superficie terrestre.

5. Entalpía (ΔH)

La entalpía es una variación de la energía dentro de una reacción. Definirla no es nada fácil debido a que requiere otros hechos que escapan de laformación en la enseñanza media y es estudiada con gran detalle en la educación superior. Sin embargo, daremos nociones para que logres

comprenderla.



Como establecimos antes, la entalpía es una variación de la energía involucrada. Por lo tanto, tendrá sentido solo cuando hablemos de variación entre unestado inicial y final.

Así, una reacción química tendrá una variación de energía entre los productos y sus reactantes. Pero antes de ser establecida, se debe conocer laentalpía de cada participante. Estos últimos son aportados por tablas que informan sobre su valor respectivo.

La entalpía, en rigor, se define como la energía interna que ocurre a una cierta temperatura y volumen H = U + PV, en donde H es entalpía, U es energíainterna, P es presión y V es volumen. Sin embargo, como estamos en presencia de una variación, se tiene:

Para compuestos gaseosos

Para compuestos líquidos

Para compuestos sólidos

También es posible conocer las entalpías de elementos y de iones (cationes y aniones). Los valores anteriores se conocen como entalpía de formación yse miden por mol de entidad a una temperatura de 25 °C. Es decir, es la energía que se produce cuando se forman dichas entidades.

Veamos ahora la variación de entalpía en una reacción química. Como ya sabemos, el valor de la entalpía de cada participante en la reacción, esdeterminado por la siguiente expresión:

A partir de esta expresión, podemos concluir dos hechos característicos y que tienen su importancia para interpretar una reacción química:



con lo cual contestamos la pregunta formulada.

6. Ley de Hess

Hess postuló lo siguiente: “el calor desprendido o absorbido en un cambio químico a presión constante o a volumen constante, es el mismo cuando elcambio se lleva a cabo en una sola etapa que cuando transcurre en varias etapas”. Expliquemos brevemente los alcances de esta ley. Con respecto a lasetapas, esto quiere decir que la reacción puede tomar varios caminos para su realización. Sin embargo, los caminos no tienen relevancia, es másimportante su inic io y su término que el desarrollo de la misma. Esto implica que la reacción precisa de otras reacciones químicas. En ellas, estas puedentener un sentido o el otro. Por lo tanto, uno puede “modificarlas” para obtener el resultado final. Veamos con un ejemplo su aplicación.

Determinar el ΔH de la reacción siguiente

Se observa que la reacción tiene una variación de la entalpía con signo negativo, por lo cual esta es exotérmica. De este modo, se obtiene la variación deentalpía para una reacción dada a partir de las etapas que la preceden.

En estequiometría está permitido multiplicar o dividir una reacción. Es decir, supongamos que tenemos la siguiente reacción ejemplo:

Si multiplicamos por 2:

Si dividimos la reacción original por 3, tenemos:

Entonces, concluimos que el factor que apliquemos a la estequiometría, afectará de la misma medida a la entalpía.

Por otro lado, si deseamos dar vuelta la reacción, además invertir el orden de los reactivos productos, debemos invertir el signo de la entalpía. Comoejemplo, ahora debemos invertir la reacción antes expuesta, es decir:

7. Entropía



Ahora definiremos un nuevo concepto, entropía, el cual puede interpretarse como una medida de la distribución al azar de un sistema o también, como latendencia al desorden que tiene un sistema. La entropía, tal como la entalpía y la energía interna, es una función de estado.

¿Por qué un sistema tendría que desordenarse?, ¿qué lograría con esto?

Las respuestas a estas interrogantes las dio el físico alemán, Ludwig Boltzmann, indicando que los sistemas desordenados tienen mayor probabilidad deexistir que los sistemas ordenados. Así por ejemplo, hay una sola forma de tener un mazo de naipes ordenado y varios millones de tenerlo desordenado.Esto indica que la entropía es una medida de la probabilidad de la existencia de los estados.

Por lo tanto, la mayor cantidad de estados desordenados nos da una medida de la espontaneidad de una reacción; mientras más estadosdesordenados presente el sistema, más espontánea es la reacción. Por el contrario, si hay uno o pocos estados desordenados, hay también pocatendencia a la espontaneidad.

En termodinámica, el concepto de espontaneidad difiere del conocido por el sentido común. Este último considera la espontaneidad como inmediatez;para la termodinámica significa que ese proceso ocurrirá, pero nada nos dice de cuándo ocurrirá.

El sentido de espontaneidad y desorden se ve claramente si consideramos la mezcla de dos gases diferentes conectados por una válvula. Si la válvula seabre, la tendencia natural de los gases es a mezclarse (espontaneidad), aumentando con ello el desorden, por lo tanto, la entropía aumenta.

Podemos resumir esta idea en la segunda ley de la termodinámica, que indica que la entropía del universo debe aumentar siempre. Por ello, en unsistema espontáneo debe existir mayor número de estados finales posibles comparados con el estado inicial.

Por lo tanto,

Si el sistema está aislado (sin intercambio de materia y energía entre el sistema y el entorno), el universo corresponde entonces al sistema, lo que rara vezocurre en una reacción química. Por lo tanto, la variación de la entropía también afectará al entorno.

Siempre debe considerarse que es el cambio total de entropía el que determina la espontaneidad. Por ejemplo, cuando una sustancia se funde, seproduce un aumento en la entropía (el estado líquido es más desordenado que el sólido), pero este efecto por sí solo no determina si la transformación esespontánea o no. La entropía del entorno también debe tenerse en cuenta y la espontaneidad está indicada solamente si la entropía total del sistema,más el entorno, aumentan.

Dado que para conocer la entropía del universo es necesario conocer la entropía del entorno y siendo este último parámetro extremadamente difícil demedir, se ha optado por utilizar otra función de estado termodinámica para cuantificar la espontaneidad. Esa función se conoce como energía libre deGibbs,

Consideremos una reacción exotérmica en un sistema cerrado (no aislado), que intercambia calor con el entorno. Este calor que sale esabsorbido por las moléculas del entorno, aumentando de ese modo su entropía.

Ahora, si el entorno tiene ya una temperatura alta (T), la contribución que hace el calor liberado sobre la entropía, será mínima. Las moléculas ya estabanmuy desordenadas antes siquiera que les llegara el calor desde la reacción exotérmica.

Matemáticamente lo podemos expresar como:

Cumpliendo con la segunda ley de la termodinámica, tenemos, entonces,

Multiplicando por –T, obtenemos

Definimos, ΔG como -TΔS universo; luego, la energía libre de Gibbs, será

Donde ΔG es el real predictor de la espontaneidad en una reacción.

Las funciones de estado estudiadas anteriormente no nos permitían, por sí solas, predecir la espontaneidad de un proceso o reacción. Sin embargo, aldeterminar ΔG se tiene



1. Complete:

El estudio de la termodinámica nos permite conocer la cantidad de________________que es necesario aportar a una reacción para que esta permita la formación de productos (reacción____________), o bien, la que es l iberada durante una reacción de tipo_________

En el riguroso sentido de la palabra, denominamos energía de__________(Ea) a la energía necesaria para iniciar el proceso de transformación desde reactantes a productos. Luego, a aquella que permite mantener una reacción en forma continua ___________(Er) y complejo activado, es aquel estado intermedio de energía entre reactantes y productos.

En la práctica, la energía se mide como variaciones de esta entre el estado inicial y final. Se conoce como ____________ y se simboliza por ΔH; por tanto, ΔH corresponde a la diferencia de energía entre dos estados distintos.

No importa que una reacción entre ciertos reactantes tenga varios caminos distintos para llegar a la formación de productos, la Er depende solo de los estados inicial y final de un proceso. A este planteamiento se lo conoce como Ley de ______________ y constituye un principio fundamental en los estudios termodinámicos.

2. Clasifique las siguientes reacciones como endergónica o exergónica.

Capítulo 3: Fenómenos nucleares



Entre 1896 y 1903, los científicos descubrieron que no todos los elementos radioactivos emiten las mismas radiaciones.Algunos emiten radiaciones más potentes que otros, cada una de las cuales transforma el núcleo de distinta manera.

1. Núcleo atómico

El núcleo es la porción central del átomo que contiene protones (partículas positivas, ) y neutrones (partículas neutras, ). Alrededor del núcleo giranlos electrones (partículas negativas, ). Un átomo puede caracterizarse por sus números atómico y másico. El número atómico (Z) corresponde al númerode protones contenidos en su núcleo. El número másico (A) es la suma del número de protones y de neutrones, según la expresión:

Como podemos apreciar con la expresión anterior, el número másico aumenta a medida que se incrementa la cantidad de protones, que también conllevaun aumento de los neutrones en el núcleo con el fin de proporcionar estabilidad.

Por último, cabe destacar que los elementos que poseen número atómico mayor a 83 son considerados radiactivos.

2. Isótopos

Son aquellos átomos de un mismo elemento que contienen distinto número de neutrones en su núcleo y el mismo número de protones. La mayoríade los elementos está formada por dos o más isótopos naturales; es así como el estaño (Sn) está constituido por una mezcla de 10 isótopos diferentes, entanto que solo 22 de los 90 elementos que se hallan en la naturaleza, están conformados por un solo tipo de átomos, entre ellos el helio (He).



3. Masa atómica

En general, la masa de los átomos está dada por la masa de su núcleo. Cuanto mayor es la cantidad de partículas positivas (protones) que contenga,mayor será su masa. Como la masa de los átomos es muy pequeña, resulta imposible medir la masa individual de uno de ellos en una balanza común;tampoco sirven las unidades de masa tradicionales, como el kilogramo o el gramo, ya que son muy grandes para aplicarlas a escala atómica.

Es así que para medir la masa de los átomos, se emplea otra unidad llamada unidad masa atómica (UMA) y que se define como la doceava (1/12) partede la masa del átomo de carbono-12. En la actualidad, la masa atómica o molecular de las sustancias se puede calcular con gran exactitud, utilizando uninstrumento llamado espectrómetro de masas. Con este instrumento se ha calculado que el átomo natural más liviano que existe es el hidrógeno-1 quetiene una masa igual a 1,7 x g, en tanto, que el de masa mayor es el de uranio-238 con 4,1 x g.

3.1 Masa atómica promedio

Es la suma de los productos de las masas atómicas de los isótopos multiplicadas por los porcentajes de abundancias correspondientes.

Ejemplo: El átomo de cloro, tiene dos isótopos con masas atómicas 35 uma y 37 uma. Los porcentajes de abundancias respectivos son 75,4% y24,6%. Calcule la masa atómica promedio.



4. Emisiones radioactivas

Entre 1896 y 1903, los científicos descubrieron que no todos los elementos radiactivos emiten las mismas radiaciones. Algunos emiten radiaciones máspotentes que otros, cada una de las cuales transforma el núcleo de distinta manera.

Cuando la radiación de la muestra de un elemento radiactivo, como el radio (Ra), se somete a la acción de un campo magnético, se determina laexistencia de tres tipos de emisiones radiactivas: partículas alfa, partículas beta y rayos gamma.

4.1 Partículas alfa

Son un flujo de partículas con carga positiva (+). Están formadas por dos protones y dos neutrones, lo que equivale a núcleos de átomos de helio .Debido a que la masa y el volumen de las partículas α son relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad menor que las radiaciones

por lo tanto, tienen un poder de penetración bajo.

Además, estas partículas chocan fácilmente con las moléculas de aire y en cada choque pierden parte de su energía, hasta quedar detenidas o serabsorbidas por algún otro núcleo en su camino. Al mismo tiempo, si las partículas chocan con los electrones periféricos de un átomo, estos pueden ser

arrancados por ellas, provocando que el átomo se ionice. En consecuencia, las partículas tienen gran poder ionizante.

Cuando un núcleo emite una partícula , su número atómico disminuye en dos unidades y su número másico disminuye en cuatro unidades.

4.2 Partículas beta (β)

Son electrones (carga negativa) lanzados, a altas velocidades, desde un núcleo inestable y equivalen a . Las partículas β son 7.000 veces máspequeñas que las alfa y viajan a una velocidad cercana a la de la luz, condición que les permite atravesar la malla de núcleos y electrones de algunasclases de materia. En suma, poseen un poder de penetración medio, pero mayor que el de las partículasα .

Los electrones no existen en el núcleo, ellos se forman a partir de un neutrón (en núcleos inestables) de acuerdo con la reacción:

Neutrón→ Protón + electrón (β) + neutrino

Cuando un núcleo emite una partícula β, su número atómico aumenta una unidad y su número másico no se ve afectado.

4.3 Rayos gamma (γ)

Son ondas de luz, es decir, son radiaciones electromagnéticas idénticas a las de la luz, pero con un contenido energético muy superior, no tienen cargaeléctrica por lo que frente a un campo eléctrico no sufren desviación. Su peligrosidad radica en que son altamente mutagénicas para las células vivas.

El poder ionizante de las emisiones radiactivas varía en sentido inverso al poder de penetración. De este modo, las radiaciones a poseen una bajísimacapacidad de penetrar la materia, pero un altísimo poder de ionización. Se ha calculado que su poder ionizante es 100 veces superior al de la radiación β

y estos, 100 veces superior al de la radiación γ.



Cuadro Nº1: Propiedades de las partículas subatómicas


En las reacciones nucleares, un núcleo inestable llamado núcleo padre, emite radiaciones en forma espontánea y se convierte en un núcleo más establede un elemento diferente, llamado núcleo hijo. Las reacciones nucleares están determinadas por la proporción de protones y neutrones de un núcleo y sedeben a la transformación mutua entre las partículas nucleares.

Los núcleos de gran masa que tienen un número atómico mayor que 83, presentan características radiactivas ya que la fuerza de repulsión entre losprotones enlazados en la región central del átomo tiende a superar la fuerza que permite que el núcleo se mantenga unido. Esto hace que seanradiactivos y para estabilizarse, liberan partículas α , es decir, partículas formadas por dos protones y dos neutrones, transformándose en núcleos demenor masa.

Si un núcleo tiene un exceso de neutrones respecto a los protones, necesita aumentar su cantidad de protones para estabilizarse. Esto se consigue

transformando algunos neutrones en protones, por medio de una liberación de partículas beta o partículas negativas.

Se postula que un neutrón está formado por un protón y un electrón, combinación que lo hace una partícula neutra. Un núcleo con muchos neutrones

fabricará entonces más protones, transformando sus neutrones en protones, con lo cual alcanzará una relación numérica correcta entre protones yneutrones.

En el caso de los núcleos con exceso de protones, el mecanismo para estabilizar el núcleo consiste en la transformación de protones en neutrones; así,en tanto que la cantidad de protones disminuye, la de neutrones aumenta proporcionalmente. Se postula que para que un protón se transforme en un

neutrón, se debe desprender de su carga posi tiva, liberando positrones . Estas partículas tienen la misma masa de los electrones, pero su cargaes positiva. Es así que un haz de positrones corresponde a radiación beta positiva.

6. Ecuaciones nucleares

El decaimiento radioactivo se representa por medio de ecuaciones nucleares, lo que se expresa en forma general como:



Cuando en una desintegración nuclear se emite una partícula alfa, se obtiene un núcleo cuyo número atómico es dos unidades menor y su númeromásico es cuatro unidades menor, según la siguiente ecuación:

Cuando el núcleo radioactivo libera una partícula beta, se obtiene un núcleo cuyo número atómico es una unidad mayor y no varía su número másico.

Cuando hay emisión de un positrón, el núcleo hi jo mantiene el número másico y su número atómico es una unidad menor respecto del número padre.

Hay que destacar que, así como las ecuaciones químicas, las ecuaciones nucleares también deben estar balanceadas, es decir, cumplir con el principiode conservación de la masa. Cuando un núcleo se convierte en otro, la masa comprometida en el proceso debe ser la misma antes y después de ladesintegración. Por lo tanto, la suma de los superíndices (número másico) y de los subíndices (número atómico) debe ser igual en ambos lados de laecuación.

7. Serie radiactiva

En la tabla periódica cerca de 80 elementos son estables, es decir, están formados a lo menos por un isótopo no radiactivo, incapaz de sufrir unadesintegración nuclear (carbono-12, helio-4). Los núcleos radiactivos, en cambio, pueden sufrir varias desintegraciones en sucesivas etapas, hasta lograrun núcleo estable. Así, una serie de reacciones nucleares se denomina serie radiactiva, la cual comienza con el núcleo radioactivo y termina con elnúcleo estable.

Una de las series radioactivas más importantes es la del uranio-238, la cual termina con el plomo-206, después de 14 desintegraciones sucesivas. Se

hace necesario aclarar que las partículas o van acompañadas frecuentemente por radiaciones γ. Como liberan energía, los procesos dedesintegración nuclear son exergónicos y comprenden una o más desintegraciones sucesivas, las necesarias para alcanzar un núcleo estable.



7.1 Elementos transuránicos

El elemento de número atómico más elevado que puede ser encontrado en nuestro planeta es el uranio (de número atómico 92). En tanto, con el auxiliode reacciones nucleares, se pueden producir artificialmente elementos de números atómicos superiores a 92. Son los denominados elementostransuránicos.

En 1940, Mc Millan y Seaborg produjeron los dos primeros elementos transuránicos: el neptunio-93 y el plutonio-94, debido a una serie de reaccionesnucleares:

7.2 Vida media

El concepto de vida media se refiere al tiempo que necesitan la mitad de los átomos de una determinada muestra, para sufrir una desintegración nuclear.Así, la vida media del radio-226 es de 1.600 años.

Ejemplo 1: 20 gramos de un isótopo radiactivo se desintegran, llegando a 5 gramos, transcurridos 16 años. ¿Cuál será la vida media de este isótopo?

Resolución: Sea la vida media del isótopo considerado, entonces,

Si tenemos que



Por lo tanto la vida media del isótopo es de 8 años.Ejemplo 2: Se dispone de 16 g de un isótopo radiactivo cuya vida media (t) es de 15 días. ¿Cuál será la masa residual de isótopo, después detranscurridos 60 días?

Resolución: Existen dos maneras de abordar este problema. La primera, es realizar una secuencia simple:

La segunda forma de resolver el problema es la siguiente:

ii) El tiempo total de desintegración puede ser expresado como:así utilizando la expresión: 60 = x vidas medias • 15

Luego, se utiliza la expresión:

Masa final = 1 g (transcurridos 60 días)

8. Fisión núclear

Se entiende por fisión nuclear la división de un núcleo pesado en dos núcleos más livianos, los que son más estables y tienen mayores energías deenlace.

En este proceso se libera energía. La energía de enlace que se l ibera al formarse el nuevo núcleo, coincide con la energía que hay que aportar al núcleopara separar las partículas que lo forman.

En 1939, los químicos alemanes Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassman (1902-1980) encontraron bario (Ba) en una muestra de uranio (U), que habíasido bombardeada con neutrones. Trabajos posteriores confirmaron que un núcleo de uranio-235 había capturado un neutrón y sufrido fis ión nuclear, esdecir, el núcleo se había partido en dos.

Hay que destacar que la reacción de fisión produce más neutrones de los que se necesitan al inicio. En este hecho se basa la sustentabilidad de lareacción, es decir, el bombardeo con un solo neutrón produce 3 neutrones capaces de inducir otras reacciones de fisión (de otros núcleos de uranio de lamuestra), que liberan a su vez 9 neutrones más, los cuales producen a su vez 9 reacciones más de fisión, produciéndose 27 neutrones, y asísucesivamente, dando una reacción en cadena.

Los procesos de fisión nuclear se llevan a cabo en los reactores nucleares. Estas son grandes instalaciones diseñadas para transformar la energíanuclear en otras formas energéticas, como la electricidad.

9. Fusión nuclear

Ocurre cuando se unen núcleos más ligeros para formar núcleos más pesados y más estables. Mediante este proceso se generan inmensas cantidades

de energía. Una reacción típica de fusión nuclear se produce en el Sol.

En el Sol, se unen dos núcleos de hidrógeno para formar un núcleo de helio. La fusión de los átomos de hidrógeno libera cuatro veces más energía porgramo que lo emitido en una reacción de fisión nuclear. Pero el proceso requiere también de temperaturas elevadas del orden de 10.000.000 K, condiciónnecesaria para vencer las fuerzas de repulsión entre núcleos y lograr que se fusionen.

Se piensa que la fusión pudiera ser una fuente de energía bastante prometedora a causa de la disponibilidad de isótopos ligeros y porque el proceso noelimina desechos radioactivos, es decir, no constituye una amenaza para el ambiente. No obstante lo anterior, la fusión no se usa actualmente paragenerar energía, debido a su inviabilidad, porque es imposible en la actualidad conseguir las temperaturas requeridas a nivel de reactor nuclear.



10. Efectos de la radiación en los seres vivos

En general, las emisiones radiactivas causan daños a largo plazo en los seres vivos, porque su efecto es acumulativo, es decir, pequeñas dosis en el

tiempo se transforman en altas dosis si no son disipadas en un sistema. En otros términos, la radiación provoca excitación o ionización de la materia.

10.1 Excitación

Se produce cuando la radiación absorbida excita los electrones constituyentes de los átomos o moléculas que conforman la materia y los mueve aestados de mayor energía.

10.2 Ionización

Ocurre cuando la radiación arranca un electrón de una molécula o átomo, formándose un ión. Esta radiación se llama ionizante. Debido a que tiene unamayor frecuencia y menor longitud de onda, la radiación ionizante es dañina para la salud de los seres vivos. Es así que la radiación gamma, los rayos Xy la luz ultravioleta de alta energía (UV) son ionizantes, es decir, radiaciones electromagnéticas con frecuencias mayores que Hz, y por lo tanto, conlongitudes de onda del orden de los 10 nm o menos.

Casi todos los tejidos vivos contienen al menos 70% de agua en masa, por lo que cuando la radiación ionizante pasa a través de un tejido orgánico, se

eliminan electrones de las moléculas de agua, con lo que se forman iones y se libera energía en el tejido. Este es el principio del hornomicroondas.



A su vez, estos iones pueden reaccionar con otras moléculas de agua para producir iones hidronio y un radical libre O , segúnla ecuación:

El radical libre O es una molécula inestable y muy reactiva y tiene la capacidad de atacar una enorme cantidad de biomoléculas circundantes paraproducir nuevos radicales libres, los cuales, a su vez, atacan todavía más biomoléculas al interior de las células, modificando sus funciones vitales.

La transferencia de energía de las radiaciones produce daños en todas las moléculas que constituyen los seres vivos. Son especialmente significativoslos daños a las macromoléculas como el ADN y a todo el mecanismo portador de la información genética de las especies.

Los daños pueden ser agudos y casi inmediatos, como, por ejemplo, quemaduras en la piel, hemorragias, diarreas o muerte si las dosis son elevadas.Pero también existen efectos tardíos, como los cánceres y los efectos en las generaciones siguientes del individuo irradiado, causando mutaciones. Unaconsecuencia directa de las radiaciones acumulativas es la leucemia, un tipo de cáncer que se caracteriza por la multiplicación exagerada ydescontrolada de los leucocitos y es producida principalmente debido a ionizaciones de los tejidos vivos.

Para medir la energía de una cantidad dada de radiación se utilizan varias unidades, las más conocidas son el Gray (Gy), que corresponde a la absorciónde 1 joule (J) de energía por kilogramo de tejido. El Rad es la unidad de uso en medicina nuclear, donde 1 Gy = 100 Rad. Para expresar el daño biológicoen términos de la cantidad real de radiación absorbida, se utiliza el Rem o el Sievert (Sv).

11. Utilización de la energía nuclear

La inmensa energía que pueden generar las partículas radioactivas ha despertado toda clase de intereses en el ser humano, desde el uso pacífico de laenergía nuclear hasta el uso con fines bélicos y terroristas. A continuación se describen estos usos.

11.1 Uso pacífico

a. Reactores nucleares

Se emplean para producir energía eléctrica mediante el proceso de fisión nuclear, ya que se utiliza el calor producido por una reacción en cadena



controlada al interior del reactor. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energía que se produce en la reacción en cadena y queimpide el aumento indefinido de las fisiones. El combustible nuclear utilizado en los reactores nucleares es el uranio natural. Un gramo de uranio produceenergía equivalente a 2.500 kg de carbón.

El aspecto negativo de un reactor nuclear es el desecho radiactivo que produce, ya que actualmente no hay método de reciclaje, por lo cual se losdebe almacenar en tambores blindados con plomo y enterrados a profundidades en el suelo, esperando a que se extinga su radioactividad remanente.

Además, pueden ocurrir desastres nucleares ocasionados por accidentes o por atentados terroristas hacia los reactores nucleares. Esto pone demanifiesto el potencial peligro de tener cerca de una ciudad un reactor nuclear.

En Sudamérica la tecnología nuclear también está presente, ya que Argentina y Brasil tienen más de tres reactores nucleares que utilizan paradiversos fines. Uno de ellos es la generación de energía eléctrica. En Chile también hay reactores nucleares, pero a pequeña escala y es con fines deinvestigación y de utilización médica, para producir reactivos de diagnóstico utilizados en medicina nuclear.

b. Usos médicos de la radiación

El uso de la radiación en medicina puede ser con propósitos de diagnóstico (rayos X o exámenes de medicina nuclear) y para el tratamiento dedistintos tipos de cánceres, que usan radioisótopos como el cobal to-60.

c. Uso en agricultura

En agricultura se le utiliza para provocar mutaciones en especies vegetales y así, con la descendencia del individuo irradiado, se seleccionanespecies que tengan características sobresalientes, que pasarán a constituir nuevas variedades de frutas y hortalizas. Además, se le emplea paracontrolar plagas de insectos, irradiando machos de la especie en cuestión para producir descendencia estéril, que con el tiempo va a hacer disminuir lapoblación del insecto plaga (ejemplo: mosca de la fruta / Ceratitis capitata)

d. Irradiación de alimentos

La irradiación de los alimentos con pequeñas dosis inocuas de radiación produce una disminución de la carga microbiana en los alimentos. Estogenera mayor duración de los alimentos, eliminación de parásitos en las carnes, retrasar la brotación de tubérculos y raíces y retrasar la maduración defrutas.

e. Datación arqueológica

La mayor utilidad que se le otorga hoy en día a los isótopos es el método del carbono-14 en la datación arqueológica. Todo elemento orgánico queposea carbono en su estructura es susceptible de ser datado en su antigüedad a través de este método, una vez que este organismo esté muerto. Esto sedebe a que su concentración de C-14 comienza a decaer en forma muy lenta. Esto se refleja principalmente piezas óseas. Se excluyen por lo tantoelementos de piedra, objetos de orfebrería y otros adminículos o herramientas creadas por el hombre donde no esté presente el carbono como estructuraorgánica.

El carbono -14 se forma por la acción de los rayos cósmicos sobre el ni trógeno atmosférico, lo que corresponde a la siguiente ecuación:

El carbono-14 al mezclarse con los demás gases de la atmósfera, forma (dióxido de carbono radioactivo). Cuando los vegetales fijan estegas radiactivo en su estructura mediante la fotosíntesis, incorporan este isótopo.

Posteriormente, a través de la cadena trófica, la totalidad de los seres vivos, asimilan y fijan un contenido determinado de este isótopo radiactivodurante todo su periodo de vida.

Cuando la planta o animal muere, deja de intercambiar materia y energía con el ambiente, por lo cual el contenido de carbono–14 presente en suestructura orgánica, comienza a disminuir a través de sucesivas desintegraciones nucleares. Los átomos que se desintegran no son sustituidos, ya que elelemento se transforma en nitrógeno–14, que es estable, liberándose en este proceso de transformación partículas beta, según se expresa en la siguiente

ecuación:

• Vida media del C-14: El concepto de vida media, corresponde al tiempo necesario para que la mitad de los átomos de una determinada muestrasufra desintegración nuclear. Así la vida media del carbono–14 es 5730 años, la del uranio–234 es 245000 años, la del radio–226 es 1600 años, entreotros.

La vida media del carbono–14 es de 5730 años. Un gramo de carbono natural emite entre 12 y 13 partículas beta por minuto. Transcurridos 5730años de la muerte del organismo, la cantidad de C–14 se reduce a la mitad de la que había inicialmente. Por lo cual, después de 2 periodos (11460 años)de semidesintegración, quedará la cuarta parte de la cantidad original, luego de 3 periodos (17190 años) la octava parte, y así sucesivamente. Cuantomenor es la cantidad de C–14 remanente en el organismo muerto, más antiguo es.



Otro isótopo radiactivo para fechar objetos de periodos de tiempo no tan antiguos, es el plomo–210 cuya vida media es de 22 años. Es empleadopara determinar la antigüedad de elementos inorgánicos a base de plomo como pinturas en obras de arte, monedas, vasos y cerámica china y porsupuesto balas de cañón y armas encontradas en naufragios de siglos anteriores.

11.2 Uso bélico: bombas atómicas

Son una de las invenciones más nefastas de la historia de la humanidad. Las armas nucleares utilizan el principio de la fisión nuclear para liberar unaenorme cantidad de energía y calor. La potencia de las bombas atómicas se mide en kilotones (kt), que equivale a 1.000 toneladas de T.N.T. , o bien sepuede expresar en megatones (Mt), que equivale a 1.000.000 de toneladas de T.N.T.

La bomba atómica lanzada en Hiroshima y Nagasaki tenía un poder destructivo de 12 kilotones. En la actualidad las armas nucleares que existen tienenun poder mínimo de 10 megatones, es decir, su poder destructivo es enorme comparado con las primeras bombas atómicas.

Las armas nucleares son empleadas por las distintas potencias mundiales como un medio disuasivo contra posibles ataques enemigos. El problemaradica en que los gobiernos de los distintos países que poseen armas nucleares van cambiando en el tiempo y puede llegar al poder un gobiernofundamentalista o l íderes desquiciados, cuyo afán de poder o belicosidad puede hacer que empleen esas armas en contra de la humanidad o cierto grupoétnico, sin contar con la posibi lidad de que grupos terroristas puedan tener en su poder armas nucleares y que las empleen para sus fines destructivos.

12. Posibilidades futuras de la energía atómica: transmutación nuclear artificial

Es la transformación de un elemento en otro, mediante el bombardeo de partículas atómicas al núcleo de un átomo. Para producir esta reacción seutilizan los aceleradores de partículas, que son enormes instrumentos con conductos circulares o lineales por los cuales se transportan y aceleran laspartículas o proyectiles nucleares, forzándolos a seguir una trayectoria determinada, en espiral o línea recta, con el fin de aumentar su energía cinética.

Cuando las partículas alcanzan la energía necesaria para provocar la reacción nuclear, son conducidas fuera del instrumento para hacer la colisión con elnúcleo blanco. Con estos métodos, los científicos han logrado sintetizar elementos más pesados que el Uranio, a los cuales han llamado transuránicos,y también han descubierto una amplia variedad de otras subpartículas nucleares.

Durante el siglo pasado se descubrieron más de doscientas nuevas partículas, las cuales son más pequeñas que los protones y neutrones, algunas devida efímera. Entre ellas, las más importantes son los leptones y de varios tipos: electrones, neutrinos y muones. También están los hadrones, queagrupan a protones, neutrones, piones y mesones. Se postula que cada hadrón está formado a su vez por partículas más pequeñas que se denominanquarks. Estas partículas subatómicas son la base estructural de la antimateria.



Capítulo 4: Óxido - reducción

Para entender en forma cuantitativa estas reacciones, se deben escribir ecuaciones químicas balanceadas, y para esto, se debe conocer la naturaleza decada reaccionante y su fórmula, lo que también es válido para los productos.

En este capítulo se estudiarán las reacciones de óxido-reducción (redox), que implican una transferencia de electrones.

Para entender en forma cuantitativa estas reacciones, se deben escribir ecuaciones químicas balanceadas, y para esto se debe conocer la naturaleza decada reaccionante y su fórmula, lo que también es válido para los productos.

En las reacciones de tipo redox, lograr la predicción de los productos es complicado. Además se debe considerar que el disolvente (generalmente agua),o bien partículas como (en disolución ácida) u (en disolución básica), pueden tomar parte en las reacciones.



Previo al estudio acerca de los métodos de balanceo de ecuaciones, se debe tener presente el estado de oxidación de un átomo en una combinaciónquímica determinada. Este corresponde a la carga eléctrica arbitraria asignada a dicho átomo, según una serie de reglas preescritas.


En este capítulo abordaremos aquellas reacciones en las que el protagonista principal es el electrón, que será intercambiado entre las entidadesparticipantes.

Antes de proceder, recordemos el término estado de oxidación y sus características:

La suma de los estados de oxidación en un compuesto neutro será cero.

La suma de los estados de oxidación en un compuesto positivo será la carga positiva que indique.

La suma de los estados de oxidación en un compuesto negativo será la carga negativa que indique.

Ejemplos:

En óxido-reducción un elemento del compuesto tendrá una variación de su estado de oxidación debido a la interacción con el otro compuesto queparticipa de la reacción.

a. Proceso de oxidación

Es el traspaso de electrones de un elemento del compuesto, el que como consecuencia, aumenta su estado de oxidación.

Ejemplo:

b. Agente reductor

Es la entidad que sufre el proceso de oxidación. El ión hierro (II) sufrió un proceso de oxidación y dio origen al ión hierro (III). Se observa queaumenta su estado de oxidación y el es el agente reductor. En conclusión, el agente reductor es la especie que se oxida (pierde electrones).

Proceso de oxidación → Agente reductor

c. Proceso de reducción

Es la ganancia de electrones por parte de una entidad de un compuesto, que como consecuencia disminuye su estado de oxidación.

Ejemplo:

d. Agente oxidante

Es la entidad que sufre el proceso de reducción.

El ión aluminio (III) ganó tres electrones y dio origen al aluminio. Se observa que hay disminución del estado de oxidación del aluminio y el aluminio



y finalmente, la carga eléctrica con electrones,

b. Método ión electrón en ambiente básico

Sea la siguiente ecuación:

Dado que los átomos de cloro están equiparados, solo se deben a igualar los oxígenos. Para esto, nuevamente se usa el agua, pero se agrega tantasveces como indique el compuesto oxigenado y en el lugar donde se encuentra este, así:

Los hidrógenos se igualan con iones hidroxilos, los cuales se colocan en el lado que falten.

Finalmente, se igualan las cargas eléctricas agregando electrones al lado que faltan:

Veamos otro ejemplo:

Primero, igualamos al azufre,

Segundo, los oxígenos con agua,

Tercero, los hidrógenos con ,

Finalmente, la carga eléctrica con electrones,

c. Método del estado de oxidación en ambiente ácido

Sea la siguiente reacción:

Se identifica el elemento que ha variado su estado de oxidación. En este caso, es el azufre el cual disminuye su estado de oxidación desde +6 hasta-2. Para compensar esta variación se usan electrones, como sea necesario para lograr la igualación.

Luego, se igualan los oxígenos con agua, colocándola en el lado que falte,

Finalmente, los hidrógenos con , en el lado que falte,

Veamos otro ejemplo:

Se comienza por igualar los átomos de cloro,

Enseguida, se identifica al átomo que ha variado su estado de oxidación para equipararlo con los electrones. En este caso, es el cloro cuyo estado deoxidación disminuye desde + 5 a 0, entonces,



Luego, se igualan los oxígenos presentes,

Por último, se igualan los hidrógenos,

d. Método del estado de oxidación en ambiente básico

Sea la siguiente reacción:

Vemos que el zinc varía su estado de oxidación desde +2 a 0. Al igualar se tiene:

Luego, se igualan los oxígenos con agua,

Por último, se igualan los hidrógenos presentes,

Veamos otro ejemplo más:

En este caso, el estaño varía su estado de oxidación de +2 a 0. Se igualan con electrones,

A continuación, se igualan los oxígenos,

Y finalmente los hidrógenos,

Para resumir, realicemos algunas observaciones con respecto a los métodos presentados:

- Se debe especificar el medio (ácido o básico) en el cual se l leva a cabo la reacción.

- Si el medio es ácido, se usan y si es básico, los .

- En medio ácido, el agua se agrega junto al compuesto que presenta déficit de oxígenos. En medio básico, se agrega al compuesto quepresenta exceso de oxígenos.

- Los electrones, para el método del ión electrón, se usan al final. Para el método del estado de oxidación se usan al principio, una vezidentificado el elemento que varía su estado de oxidación.

3. Celdas electroquímicas

Uno de los usos de las reacciones de oxidación-reducción puede verificarse en lo que se conoce como celdas electroquímicas, sean estas celdasgalvánicas o celdas electrolíticas. La primera es de uso común en radios, linternas, juguetes, etc. Para la segunda, tenemos descomposición de cloruro desodio fundido para obtener sodio metálico y cloro gaseosos, refinación electrolítica de metales como cobre, níquel, aluminio. Plateado o niqueladoelectrolítico, entre otros.

Ahora bien, a pesar de que la pila que estudiaremos será diferente de las que conocemos habitualmente, sus elementos cumplen la misma función:entregar energía eléctrica.



La electrólisis es un proceso a través del cual una sustancia conductora de la corriente eléctrica (electrolito) es sometida a cambios químicos, al hacercircular por ella una corriente contínua mediante la introducción de dos electrodos.

Los electrodos corresponden a placas metálicas conductoras de la corriente eléctrica, que permiten cerrar el circuito en su parte externa a la celdaelectrolítica, al conectarse con la fuente de poder.

La electrólisis más conocida en la industria, especialmente en la minería, es utilizada en la refinación de metales. Por ejemplo: la obtención de cobreelectrolítico a partir de cobre blíster. En este proceso, a diferencia de las celdas galvánicas, que entregan energía eléctrica, se requiere de ella paraproducir la electrólisis. Este proceso constituye el segundo tipo de celda que, a diferencia de la anterior es productora de sustancia y no de energía.

a. Celda galvánica

Posee las siguientes características:

- Produce energía eléctrica debido a que del ánodo fluyen electrones hacia el cátodo para llenar el defecto de estos, provocado por el ión que losacepta.

- En el ánodo se verifica la oxidación según con un potencial normal de reducción asociado de E° = -0,76 volts, lo quesignifica que en esta reacción se entregan electrones y se forman iones.

- En el cátodo se verifica la reducción según con un potencial normal de reducción asociado de E°= + 0,33 volts, lo quesignifica que en esta reacción los iones aceptan electrones.



- La finalidad del puente salino es impedir toda acumulación de carga neta en cualquiera de los vasos, de tal forma que los iones negativos quequedan en una de las disoluciones puedan difundirse o migren al vaso donde hay exceso de iones positivos y, al mismo tiempo, los iones positivosse difundan o migren hacia donde hay exceso de iones negativos.

- La reacción total que rige a esta pila en particular se puede obtener de la suma de sus semirreacciones:

La segunda ecuación se invierte para eliminar los

b. Celda electrolítica

Posee las siguientes características:

- Se requiere energía eléctrica, ya que por sí sola no funcionaría.

- En el ánodo ocurre la oxidación según:

Aquí se coloca cobre blíster con un contenido aproximado de 95-96 % de cobre. Este electrodo se deshace, dejando en disolución iones cobre

y quedando bajo el ánodo, en el fondo del estanque, un barro conocido como “barro anódico”, que contiene otros minerales como oro yplata.



- En el cátodo ocurre la reducción según:

Aquí se coloca una lámina de cobre electrolítico, la cual se engrosa, ya que se deposita el cobre que hay en la disolución. Este último esrepuesto por el que es liberado en el ánodo.

- La electrólisis se puede aplicar no solo al cobre, sino a otros elementos y compuestos con la final idad de refinarlos.

4. Predicción de reacciones

4.1 Potenciales normales

En toda reacción de óxido-reducción existe una transferencia de electrones; esta transferencia produce una diferencia de potencial que es medible.Como en una reacción de oxidación-reducción siempre existe el elemento oxidante y el reductor, cada uno de ellos tiene asociado un potencialrelacionado con una semi-reacción, que corresponde a la capacidad intrínseca de cada uno de aceptar electrones; dicho potencial se conoce comopotencial normal de reducción. Si bien es cierto existe también el potencial normal de oxidación, por convección se tabuló y se midieron en función de lareducción, asignándosele un valor cero al hidrógeno (que se escogió como patrón o referencia, con respecto al cual se miden todos los potenciales). Estosignifica que el elemento es más reductor mientras mayor es el valor del potencial y más oxidante mientras menor es el valor del potencial.

Cuando se realiza una reacción de óxido-reducción la diferencia de potencial neto es producto de la diferencia de los potenciales normales de reducción

de cada semi-reacción, una de oxidación y otra de reducción.

En la página siguiente se presenta una lista de los potenciales normales de reducción de algunos elementos y sus semi-reacciones a 25 °C, 1 atmósferay una concentración 1 Molar.

Todas las semi-reacciones se deben combinar de tal forma de anular los electrones que cada semi-reacción de reducción acepta, invirtiendo aquellasemi-reacción cuyo potencial de reducción sea menor, ya que es el elemento de dicha reacción el que se oxida (cede electrones). Ahora bien, en el casode que los electrones no se puedan anular, se amplifica cada semi-reacción por aquel factor que iguale los electrones. Dicha amplificación no modifica elvalor numérico del potencial normal de reducción. Cabe recordar que la inversión de una semi-reacción cambia el signo del potencial normal dereducción.

Ya habíamos hablado de la diferencia neta de potencial asociada a la reacción de óxido-reducción. Dicha diferencia conocida como puede sermayor, menor o igual a cero.

• Un > 0 nos indica que la dirección espontánea de la reacción es de izquierda a derecha. Dicha reacción provoca un movimiento deelectrones desde el ánodo hacia el cátodo. Si las semirreacciones se separan y se contactan mediante una membrana o un puente salino y ademásse introducen electrodos en cada una de ellas, podremos canalizar la transferencia de electrones por los conductores de los electrodos, lo quecorresponde a una corriente eléctrica, que puede ser utilizada. Este tipo de reacciones es característico de pilas galvánicas.

• Un < 0 nos indica que la dirección espontánea de la reacción es de derecha a izquierda, es decir, desde el cátodo hacia el ánodo.

Esta reacción necesita energía para que suceda en el sentido propuesto, por ende, dichas reacciones son características de procesoselectrolíticos.

• Un = 0 significa que la reacción no es espontánea y que a cualquier sentido que se desee dar a dicha reacción se le debe entregarenergía eléctrica; por tanto, también esta reacción es característica de sistemas electrolíticos.

En resumen:

En una pila galvánica los > 0

En una pila electrolítica los ≤ 0



1. Señale qué elementos tienen un cambio en su estado de oxidación e indique, cuando corresponda, si el elemento se oxida o se reduce.

2. Sea la siguiente reacción:

1) Identificar proceso de oxidación y de reducción.

2) Reconocer agente reductor y agente oxidante.


1) Identificar proceso de reducción y de oxidación.

2) Reconocer agente oxidante y agente reductor.


1) Identificar proceso de reducción y de oxidación.

2) Reconocer agente oxidante y agente reductor.

5. Determinar cuál es el estado de oxidación de:

6. Escribir las semirreacciones de oxidación y reducción para:



Capítulo 5: Industrias químicas

APRENDIZAJES ESPERADOS

Identificar las principales fuentes naturales de las materias primas.

Describir procesos industriales que involucren cambios químicos.

Identificar las contribuciones actuales y potenciales de la industria química.

Comparar los grandes procesos químicos industriales.

Cuando extraemos un material directamente de la naturaleza, como el carbón, hablamos de obtención. En los casos en que es necesario provocarreacciones químicas en las que intervienen varios reactantes, para obtener el material como producto de reacción, el proceso se llama preparación.

1. Industria química

Los productos que son parte de nuestra vida, como fertilizantes, aditivos, materiales de construcción y otros, están disponibles gracias a la puesta enmarcha de la industria química.

Cuando extraemos un material directamente de la naturaleza, como el carbón, hablamos de obtención. En los casos en que es necesario provocarreacciones químicas en las que intervienen varios reactantes, para obtener el material como producto de reacción, el proceso se llama preparación.

El método para preparar un producto a nivel industrial, es decir, a gran escala, considera el rendimiento de las reacciones y el aspecto económico. Laelección de los métodos está a cargo de los ingenieros químicos, profesionales con un gran conocimiento en el área química. En la industria química parapreparar cualquier compuesto se debe considerar el factor estequiométrico de una reacción, además de los factores termodinámico y cinético.



• El factor termodinámico indica la factibil idad de que se lleve a cabo una reacción.• El factor cinético da cuenta de la velocidad con que transcurre la reacción. Es importante destacar que el 70% de la reacciones empleadas en

la industria emplean catalizadores para aumentar la velocidad de reacción, mediante la vía de disminuir la energía de activación.

2. Materias primas

Todos los productos que prepara la industria química proceden en último término de algunas sustancias fundamentales extraídas de la naturaleza, a lasque denominamos materias primas. Las más comunes son el aire, el agua de mar, las rocas de la corteza terrestre, el carbón mineral, el gas natural, elpetróleo y los vegetales. A continuación se mencionarán los productos finales que se extraen de las diferentes materias primas.

2.1 Aire

Se obtienen del aire sus gases componentes, tales como el nitrógeno, oxígeno y gases nobles, después de un proceso de licuación y destilaciónfraccionada del aire.

2.2 Agua de mar

El agua de mar viene a ser una disolución de enormes dimensiones en la que el 3,5% de su masa corresponde a sales disueltas. De ella se extraencloruro de sodio (NaCl), bromo (Br) y magnesio (Mg), entre otras sustancias, utilizando principalmente el proceso de evaporación.

2.3 Rocas de la corteza terrestre

La corteza terrestre contiene la mayor parte de las sustancias que se utilizan como materias primas para extraer diferentes elementos y compuestosquímicos. Es así como el cloruro de sodio se puede obtener de minas de sal, el carbonato de calcio procede directamente de las rocas calizas y los

metales se extraen de los correspondientes minerales, mediante operaciones metalúrgicas complejas.

2.4 Carbón mineral

El carbón mineral se produce en el subsuelo por descomposición de materiales de origen vegetal. Esta materia prima no solo es útil como combustiblesino que, mediante destilación destructiva, se obtienen de ella productos tales como el coque, alquitrán y el gas de carbón.



2.5 Gas natural

El gas natural está constituido básicamente por una mezcla de hidrocarburos de bajo punto de ebullición, principalmente está constituido por gas metanoy se encuentra también en el subsuelo, asociado frecuentemente al petróleo. Ambos tienen su origen en la descomposición de restos orgánicos. Enmayor medida, constituye fuente energética de usos diversos.

2.6 Petróleo

El petróleo es una importante materia prima, principalmente para la obtención de combustibles, tales como el kerosene, parafina, bencina y asfalto entreotras cosas.

3. Métodos simples de separación de sustancias

Son procesos rutinarios que se utilizan en las distintas industrias químicas, en especial en aquellas de tipo artesanal o de pequeño tamaño. Entre los

métodos más usados están los siguientes:3.1 Filtración

Es un proceso mecánico que sirve para separar mezclas heterogéneas de un sólido disperso en un líquido o en un gas, por ejemplo casos cotidianosde filtración son: el colador de café que retiene las partículas sólidas del café y el fil tro de agua que retiene las partículas de tierra que vienen suspendidasen el agua.

3.2 Decantación

Es también un proceso mecánico que sirve para separar mezclas heterogéneas de un sólido en un líquido o de dos l íquidos inmiscibles entre sí.

3.3 Destilación

Es un proceso físico que sirve para separar mezclas homogéneas, como las disoluciones iónicas, ya sea de un sólido en un líquido o de un líquido enun líquido, etc. El proceso de destilación habitualmente es realizado en un aparato denominado alambique e involucra los fenómenos de ebullición,evaporación y condensación. La separación es posible siempre y cuando exista una sustancia más volátil que las otras presentes en la mezcla.

3.4 Cristalización

Es un proceso físico que sirve para separar y purificar sólidos. Por ejemplo, el agua de mar contiene varias sales; es así que en una salina, con laevaporación lenta del agua, la sal de mesa (cloruro de sodio / NaCl) se cristaliza antes que las otras sales presentes en el agua de mar.

4. Industria minera

La minería es una de las actividades económicas más importantes de Chile. En 1996 el 49% de las exportaciones correspondía a productos mineros y deellos, el cobre, por sí solo, representaba el 38% de la exportación nacional .

La producción minera metálica nacional está liderada por el cobre y lo siguen el molibdeno, la plata, el plomo y el oro, entre otros, en tanto laproducción minera no metálica corresponde a minerales como el cloruro de sodio (halita), yodo, boro, carbonato de litio y los nitratos (salitre). Enel marco internacional, Chile es el mayor productor de cobre del mundo, correspondiendo la mayor parte de la producción a la empresa estatalCODELCO, aunque importantes compañías privadas explotan y exploran nuevos yacimientos. Además, es el primer productor de salitre y litio y elsegundo de yodo y molibdeno. De igual forma, ocupa el octavo lugar del mundo como productor de plata y el noveno como productor de oro.



Cuando un mineral tiene contenido metálico apto para la comercialización, hablamos de mena. El contenido de metal de la mena se llama ley demineral. Por ejemplo, las menas chilenas de cobre tienen una alta ley: contienen 1,5 % de cobre y 0,03 % de molibdeno en promedio.

La metalurgia o minería corresponde al conjunto de operaciones y procesos a los que hay que someter una mena a la aleación para obtener un metal. Porlo general, la metalurgia consta de estas etapas:

a. Flotación o separación de la mena y la ganga

Se extrae el mineral de interés (mena) de la fracción de otros materiales desechables (ganga), como tierra, roca, cal y sílice. Esta operaciónconsiste en moler finamente el mineral para luego echarlo en agua que contiene detergente y aceite. El aceite moja las partículas del mineral y las arrastra

hacia la espuma del detergente. La ganga se deposita en el fondo y la espuma se separa y se seca para recuperar el mineral.

b. Reducción del mineral o preparación del metal

Este proceso puede realizarse de dos maneras:

• Reducción electrolítica: Se aplica a los metales muy electropositivos y produce la reducción por electrólisis mineral del metal fundido o endisolución. El cobre se obtiene a través de este proceso.

• Reducción química: Se aplica a metales menos electropositivos y se emplea un agente reductor, a altas temperaturas. El cromo se obtienepor este proceso.

4.1 Industria del hierro

Alrededor del 5% de la corteza terrestre está compuesta por hierro; sin embargo, casi siempre está combinado con no metales, como el oxígeno, azufre y

silicio, formando los minerales de hierro como la hematita (óxido de hierro ).

A escala industrial, el hierro se prepara en un alto horno por reducción química. Las materias primas son la mena, el carbón de coque y piedra cali za quese cargan por la parte superior del alto horno. Por la parte inferior se inyecta aire cal iente para facilitar los procesos químicos. Las principales reaccionesque ocurren en el alto horno son: la formación de gases reductores, la reducción de los óxidos de hierro y la formación de las escorias.

El principal uso del hierro es la fabricación del acero. Si el hierro contiene entre 0,2 y 1,5% de carbono el metal resultante, el acero, es de mayor durezay resistencia. Una aplicación de esta aleación es la fabricación del acero inoxidable, una aleación que, además de hierro y carbono, contiene níquel ycromo.



4.2 Industria del azufre

El azufre se encuentra ampliamente distribuido por toda la corteza terrestre en estado nativo, donde se halla en depósitos de origen volcánico y formando

diversos minerales, como los sulfuros metálicos, como la pirita de cobre y en los sulfatos como el yeso

Mezclado con salitre y carbón, el azufre era empleado por los chinos en la época antigua para la fabricación de la pólvora. Se utilizó parafumigaciones, como agente blanqueador de tejidos y como pigmento para pinturas.

En su estado nativo, el azufre tiene la propiedad conocida como alotropía, es decir, se presenta en diferentes formas según su estructura interna: el azufrerómbico y el monocíclico. La forma más estable a temperaturas normales es la rómbica, aquel sólido amarillo, frágil e insoluble en agua. En ambas formas

los átomos de azufre están dispuestos en anillos de ocho

a. Preparación del azufre

Para la preparación del azufre se tiene en cuenta la ubicación de los yacimientos. Si el depósito se encuentra en la superficie, el azufre es separado



a través del método de Calcaroni, si es subterráneo se utiliza el método de Frasch, detallado en las figuras anteriores. En general, los métodos defabricación de azufre consisten en calentar este mineral con lo cual se obtiene azufre de una pureza aceptable, al cual (si se necesita obtener mayorgrado de pureza) se le puede refinar por destilación.

b. Utilidades del azufre

La aplicación más importante del azufre es la fabricación de compuestos como ácido sulfúrico, sulfitos, sulfatos y dióxido de azufre. Enmedicina el azufre ha cobrado gran relevancia por la extensión del uso de las sulfamidas y su utilización en numerosas pomadas tópicas. Se empleatambién para fabricar fósforos, caucho vulcanizado, tintes y pólvora. En forma de polvo finamente dividido y frecuentemente mezclado con cal, el

azufre se usa como fungicida para las plantas. La sal tiosulfato de sodio, llamada impropiamente hiposulfito, se emplea en

fotografía para el fijado de negativos y positivos. Combinado con diversas láminas de minerales inertes, el azufre constituye un pegamento especialutilizado para sujetar objetos metálicos a la roca, como en el caso de los rieles o vías de tren y cadenas. El ácido sulfúrico es uno de los productosquímicos industriales más importantes, pues, además de emplearse en la fabricación de productos que contienen azufre, sirve también para elaborar unagran cantidad de materiales que no contienen azufre en sí mismos, como el ácido fosfórico.

4.3 Industria del ácido sulfúrico

El ácido sulfúrico es el producto químico de mayor consumo en el mundo, ya que es el ácido inorgánico de menor costo de producción. Seutiliza en la elaboración de fertilizantes, en la refinación del petróleo, en la metalurgia del cobre, hierro y manganeso, además en la fabricación depigmentos, entre otras múltiples aplicaciones.

El proceso de producción del ácido sulfúrico más utilizado en la actualidad es el método de contacto, que consiste, en primer lugar en obtener anhídrido

sulfuroso en un quemador, a partir de los minerales que contienen azufre, según la ecuación:

Terminada esta primera etapa, el anhídrido sulfuroso se convierte en anhídrido sulfúrico en presencia del catalizador pentóxido de

vanadio según la ecuación:

Finalmente, el anhídrido sulfúrico se pone en contacto con el agua para obtener el ácido sulfúrico según la ecuación:

La formación del ácido sulfúrico es un proceso exotérmico, capaz de liberar 535 calorías de energía por cada mol de ácido producido. Las plantas deácido sulfúrico aprovechan este calor liberado para provocar otros procesos industriales e incluso, en ciertos casos, para producir electricidad. En las

fundiciones de cobre el producido se recoge y se transforma en ácido sulfúrico por el método descrito anteriormente. Esto constituye un métodode reutilización de desechos productivos, evitando que estas emanaciones sulfúricas contaminen el aire. Actualmente el consumo de ácido sulfúrico enChile es del orden de tres millones de toneladas al año.

4.4 Industria del cemento

El cemento se fabrica combinando cantidades determinadas de caliza con arcilla, cuyos principales constituyentes son el sílice y

los óxidos de hierro y de aluminio Las rocas son pulverizadas para que los minerales se mezclen bien; enseguida se calcina la

mezcla en un horno de cocción, produciéndose un polvo fino llamado clinker, que secado (sin agua), finalmente se mezcla con yeso para obtener elcemento. Los procesos de calcinación y deshidratación son endotérmicos, sin embargo la formación del clinker es exotérmica.

Al mezclarse con agua, el cemento forma hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado. Este último es el material responsable de su resistencia yestabilidad. Cuando el producto final fragua, se endurece en contacto con el aire, su volumen permanece casi inalterado, formando una masa resistente yporosa, que contiene agua y aire.



Cuando el cemento sólido se mezcla con arena, grava (mezcla de piedras pequeñas) y agua, se obtiene el hormigón, el material de construcción casiimprescindible en las grandes edificaciones actuales.

Las principales propiedades del hormigón son:

• Gran resistencia a la compresión (resistencia al aplastamiento).• Soporta las más duras condiciones ambientales.• Presenta gran resistencia al fuego.

4.5 Industria del vidrio

El vidrio es uno de los materiales más versátiles, ya que su uso es amplísimo, empleado en ventanas, techos, utensilios de cocina, instrumentos ópticos ylentes, entre otras cosas.

El vidrio surge de la fusión a alta temperatura de una mezcla de arena sílica, carbonato de calcio y carbonato de sodio dentro de un horno. El punto en elque la mezcla vítrea pasa de estado sólido a líquido viscoso varía entre los 1.300 y 1.500 grados centígrados. Después, vuelve a tomar la consistenciasólida de forma gradual mediante un proceso de lento enfriamiento hasta alcanzar su aspecto característico de material sól ido transparente.

La composición química del vidrio común es fundamentalmente una mezcla de silicatos de sodio y calcio, constituido por 3/4 partes de sílice y larestante por óxidos que se agregan con el fin de obtener determinadas propiedades. A modo de ejemplo, el cristal contiene óxidos de plomo, lo que leotorga un alto índice de refracción. Del mismo modo el vidrio pyrex tiene un alto contenido de óxidos de boro y de aluminio, que lo hacen un material muyresistente a los golpes y a los cambios de temperatura.

El vidrio natural es incoloro. Sin embargo, dados los altos contenidos de hierro que hay en los yacimientos de arena sílice, el color que el vidrio

normalmente adquiere es verdoso. Para darle diferentes colores al vidrio se agregan durante el proceso de fabricación diferentes óxidos metálicos. Porejemplo, el vidrio azul surge del óxido de cobalto; el café del óxido de níquel y para algunas tonalidades del vidrio amarillo se emplea el óxido de hierro.

Dentro de las ventajas del vidrio está ser un material inerte, por lo tanto, muy higiénico y no causa ninguna reacción química contra suscontenidos, protegiéndolos de alguna posible contaminación u alteración. Además, el vidrio es un material 100% reciclable, por lo que su vida útiles infinita.

Actualmente, el vidrio se utiliza en la transmisión de información, bajo la forma de fibra óptica, que son cables formados por finísimos filamentos de vidrioque conducen información codificada en haces de luz. El cuarzo de alta pureza es la materia prima de estos filamentos, que transmiten la informacióngracias a las muchas reflexiones de la luz que se producen, con lo que el rayo luminoso avanza por el interior del cable siguiendo un recorrido en zigzag.Los cables de fibra óptica se utilizan mucho en las telecomunicaciones a larga distancia.



4.6 Industria del yodo

El yodo no abunda en la naturaleza en forma de yacimientos. Se lo puede encontrar como yoduros, principalmente de sodio (NaI), en el agua de mar,donde lo asimilan las algas.

En la actualidad, el yodo se extrae principalmente como subproducto de la purificación del salitre, en el que se encuentra en forma de yodato de

sodio En los yacimientos chilenos el yodato de sodio está presente en un 0,2% del salitre que se extrae.

Es así que cuando el salitre se purifica por cristalización, el filtrado contiene el yodato de sodio, que se mezcla y calienta con bisulfato de sodio,formándose un precipitado que contiene yodo en forma sólida, el cual luego se lava, prensa, seca y purifica por sublimación, en unas torres diseñadaspara ese fin.

El yodo tiene múltiples usos, tales como la medicina, en la cual se utiliza la tintura de yodo para la desinfección de heridas. Los fármacos basados en elyodo son eficaces para combatir la amebiasis (una infección intestinal). El yodo es fundamental para el buen funcionamiento de la glandula tiroides, por locual debe estar presente en la dieta. Otros usos de los compuestos yodados son la fabricación de colorantes derivados del alquitrán y laelaboración de reveladores para películas fotográficas.

4.7 Industria del litio

El litio es un metal escaso y Chile cuenta con una de las mayores reservas del mundo, situación de la que debería sacar provecho a futuro. Elsalar de Atacama (II Región) es de donde se obtiene el litio. En este lugar las reservas de litio se estiman en 5 millones de toneladas, por lo que Chileaporta casi un 30% del consumo mundial de litio. En la actualidad, nuestro país es el segundo productor mundial, después de Estados Unidos.

El proceso de extracción comienza con el bombeo de las salmueras (disoluciones acuosas de sales), ubicadas a unos 30 metros deprofundidad. Conducidas por cañerías, se reciben en unos pequeños estanques donde, con la ayuda del calor del desierto, el agua se evapora y el

mineral de litio se concentra. La disolución saturada y concentrada (salmuera final) contiene 5,8% de carbonato de litio además de salesde magnesio (2%) y de boro (0,7%) que, por procesos químicos, se separan para poder obtener el mineral de litio en forma pura. El carbonato de litioasí producido alcanza un grado de pureza de un 99,5%, el que se comercializa en forma de cristales o gránulos. En la actualidad, el litio se utilizadesde la fabricación de pilas y baterías hasta su empleo en medicina en métodos de diagnóstico.

4.8 Industria del cobre

En la naturaleza el cobre se encuentra combinado con el oxígeno o con el azufre, formando minerales oxidados (CuO) o sulfurados (CuS). Elprocedimiento empleado para producir cobre depende del tipo del mineral de donde provenga el metal.

El tratamiento que se aplica al mineral oxidado, como la cuprita se denomina lixiviación. En ella, el mineral es molido y tratado con ácidosulfúrico en grandes piscinas, para que las sales de cobre se disuelvan, transformándose en sulfato de cobre (II). El metal contenido en las disolucionesse extrae por electrólisis, proceso en el cual el cobre se deposita en el cátodo, constituido por láminas delgadas del mismo metal, con un 99,98% depureza.

En la celda electrolítica que se utiliza para la refinación del cobre se ponen los residuos del proceso de refinación. Es así que en el cátodo se depositanmetales nobles, tales como el oro y la plata, que estaban presentes en los residuos del cobre. Estos subproductos reemplazan con creces el costo



económico que representa refinar el cobre.

Si se trata del mineral sulfurado, como la calcopirita se sigue el proceso de flotación, en el cual el mineral concentrado por flotación esconducido por filtros para quitarle el agua y convertirlo en polvo que después se cal ienta y se funde a altas temperaturas.

La purificación continúa en hornos especiales denominados reverberos para obtener el cobre blíster, que posee un 99,5% de pureza. De la escoria odesecho que genera el cobre mediante este proceso, se obtiene el molibdeno como subproducto.



Capítulo 6: Polímeros

Los polímeros pueden ser naturales o artificiales. Los artificiales constituyen los materiales conocidos por la denominación de plásticos, entre losnaturales tenemos el caucho, el almidón, la celulosa, las proteínas, etc.

1. Definición

Se entiende como polímero la sustancia de alto peso molecular que presenta macromoléculas constituidas por unidades estructurales que se repitensucesivamente.

Los polímeros se clasifican en- polímeros de adición- polímeros de condensación- copolímeros- homopolímeros

• Polímeros de adición: Son formados a partir de un único monómero insaturado, a través de una reacción de adición. Es decir, el monómero rompesu insaturación (doble enlace) y por medio de estos enlaces se une a otro monómero. Por último, cabe destacar que en reacciones de adición solo se

obtiene un producto.



• Polímeros de condensación: Formados a partir de un único monómero, a través de una reacción de condensación, con eliminación de otramolécula, generalmente agua.

• Copolímeros (heteropolímeros): Son aquellos formados a partir de más de un monómero, a través de reacciones de adición o condensación.

• Homopolímeros: Son aquellos polímeros cuya cadena está compuesta solo por repetición de una unidad monomérica.

2. Tipos de polímeros

Los polímeros pueden ser naturales o artificiales. Los artificiales constituyen los materiales conocidos por la denominación de plásticos; entre losnaturales tenemos el caucho, el almidón, la celulosa, las proteínas, etc.

2.1 Polímeros naturales

a. Caucho

El caucho natural es producido por muchas especies vegetales tropicales, sin embargo, casi toda la producción mundial proviene de la especieconocida por Hevea brasiliensis (seringueira).

El caucho natural es un polímero de adición del isopreno:

Debido a la importancia del caucho, diversos productos con características semejantes al caucho natural son producidos artificialmente y sonconocidos por caucho sintético o elastómeros. Entre estos productos destacan como más importantes, el neopren, el caucho frío o sintético, la buna S yla buna N.



b. Almidón

El almidón, es un polisacárido que se sintetiza como elemento de reserva energética en los vegetales (arroz, trigo, porotos, maíz, papa, etc.). Suestructura química es la de un polímero de condensación originado a partir de la glucosa, con eliminación de agua.

c. Celulosa

La estructura química de la celulosa (polisacárido que se encuentra en todos los vegetales) es un polímero de condensación, originado de la glucosapor eliminación de agua.

2.2 Proteínas

Las proteínas revisten importancia central en la química de la vida. Constituyen más del 50% del peso seco de la célula y desde el punto de vistafuncional, las proteínas tienen roles cruciales en prácticamente todos los procesos biológicos.



Las unidades básicas que constituyen a las proteínas son los aminoácidos. Cada aminoácido se forma de un grupo amino que es básico, yotro carboxilo (COOH), de naturaleza ácida. Ambos grupos se unen a un átomo de C, del cual también se separa R o cadena lateral. En la naturalezaexisten 20 aminoácidos diferentes, y que varían a nivel de la cadena lateral o R. Algunas proteínas tienen aminoácidos raros que son una modificación deuno de los 20 normales, por ejemplo prolina e hidroxiprolina.

Salvo bacterias y vegetales, el resto de los organismos no son capaces de sintetizar todos los aminoácidos y los que no pueden sintetizar se denominanesenciales. Lo que es un aminoácido esencial para una especie no siempre lo es en otra.

Los aminoácidos se combinan químicamente entre sí mediante el enlace del carbono del grupo carboxilo con el nitrógeno del grupo amino de otro. Esteenlace se denomina peptídico y es de tipo covalente.

Cuando se combinan 2 aminoácidos se forma un dipéptido, a medida que se agregan más aminoácidos va creciendo para formar un péptido, unpolipéptido y una proteína finalmente. Además una proteína puede tener más de una cadena polipeptídica.

2.3 Ácidos nucleicos

Son moléculas que permiten el almacenamiento y la expresión de la información genética, y que gobiernan la vida de todos los organismos vivos. Losácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El ADN contiene la información genética para la síntesis deproteínas y ARN de un organismo.

Las unidades constituyentes de los ácidos son los nucleótidos, los cuales se unen entre sí por enlaces fosfodiéster formando una hebra. Cada nucleótidose compone de:

a. Base nitrogenada

Las bases son de 2 grupos: púricas y pirimídicas. Las bases púricas están formadas por 2 anillos y son la adenina (A) y la guanina (G), las basespirimídicas están formadas por un anillo y son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U). En el ADN, las bases nitrogenadas presentes son adenina,timina, citosina y guanina. En el ARN la timina está substituida por uracilo.

b. Pentosa

En caso del ADN la pentosa presente es la desoxirribosa, en cambio en el ARN se presenta la ribosa. Entre ambas pentosas la única diferencia esun átomo de oxígeno de más que tiene la ribosa, pero que es suficiente para impedir que el ARN sea una molécula doble hebra, lo que es importantedesde el punto de vista funcional . El término nucleósido se refiere a la unión de pentosa y base nitrogenada.

c. Grupo fosfato

A través de este se establece el enlace fosfodiéster entre el carbono 3’ de la pentosa y el carbono 5’ de la pentosa siguiente. El enlace fosfodiésterpermite unir un nucleótido con el siguiente.

2.3.1 ADN (Ácido Desoxirribonucleico)



- Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina.- Pentosa: desoxirribosa.

El ADN es una larga cadena no ramificada compuesta de desoxirribonucleótidos. La estructura de la molécula de ADN fue dilucidada en 1953 porWatson y Crick y establece que:

- La molécula de ADN está formada por 2 hebras de desoxirribonucleóticos que se enrollan en torno a un eje hacia la derecha (dextrógira) formandouna hélice. Ambas hebras son antiparalelas, es decir tienen direcciones de crecimiento opuestas, una va en sentido

- Las bases nitrogenadas se ubican hacia el interior de la hélice.

- Las 2 hebras se mantienen unidas por puentes de hidrógeno que se establecen especificamente entre la adenina y la timina y luego unen lacitosina con la guanina. Siempre una base púrica con otra pirimídica. La unión adenina es a través de 2 puentes de hidrógeno y citosina con guaninapor 3 puentes de hidrógeno.

2.3.2 ARN (Ácido Ribonucleico).

El ARN es una molécula formada por una sola hebra, determinado por un átomo de oxígeno de más que tiene la ribosa. A pesar de esto, esta única hebrade ARN puede plegarse sobre sí misma formando asas de doble hebra, como es el caso del ARN de transferencia.

Los ARN participan en el proceso de formación de proteínas y existen 3 tipos de el los:

- ARN mensajero (ARNm), que transporta la información genética copiada desde el ADN hasta el s itio de síntesis proteica.- ARN transferencia (ARNt), que es el encargado de leer el mensaje del ARNm para colocar el aminoácido que corresponde.- ARN ribosomal (ARNr), que junto a algunas proteínas forma el ribosoma, lugar físico del ci toplasma en que ocurre la síntesis de proteínas.

3. Polímeros artificiales: plásticos

Los plásticos constituyen los polímeros artificiales cuya industria se desarrolla más cada día que pasa, pues esos materiales sustituyen cada vez más losobjetos que antes eran fabricados a partir de materia prima natural, tales como metales, madera, algodón.

• Polietileno: Polímero del etileno, empleado como aislante eléctrico y en la fabricación de vasos, bolsas plásticas, cucharas, pajillas, etc.

• Polipropileno: Polímero del propeno, muy utilizado en la fabricación de asientos y sillas.

• PVC (polivinyl cloruro): Polímero del cloruro de vinilo, utilizado como aislante eléctrico, en la fabricación de cañerías, botellas, capas para lalluvia, etc.



• Nylon ( New York – London): Copolímeros de condensación de diaminas con ácidos dicarboxílicos. Existen diversos tipos de nylons, de acuerdocon la diamina y el ácido dicarboxílico utilizado. El más común es el nylon 66, resultado de la copolimerización del ácido adípico con el 1,6-diaminohexano. Los nylons son empleados en la fabricación de cuerdas, escobas, paracaídas, fibras sintéticas de vestir, etc.

• Poliestireno: Polímero de adición del estireno, utilizado en equipos eléctricos, en la fabricación de platos y vasos térmicos, aislantes térmicos, etc.

• Poliéster: Copolímero de condensación de diácidos carboxílicos con dialcoholes. De acuerdo al diácido y al dialcohol utilizados, son obtenidosvarios tipos de poliésteres. El más común es el Dracon, obtenido de la copolimerización del etilengl icol con el ácido tereftálico, bastante utilizado en lafabricación de tejidos, en la construcción de carrocerías, etc.

• Teflón: Polímero de adición del tetrafluoreteno o tetrafluoretileno, siendo también conocido por politetrafluoretileno o PTFE. Se trata de un plásticobastante resistente a los agentes químicos más poderosos como el agua regia y es muy empleado para el revestimiento de utensilios domésticos y decocina como sartenes, etc.

3.1 Reciclaje del plástico

El consumo de pol ímeros o plásticos ha aumentado considerablemente en los últimos años. Estos subproductos petroquímicos han sustituido parcial y aveces totalmente a muchos materiales naturales como la madera, el algodón, el papel , la lana, la piel, el acero y el concreto.

El mercado de los plásticos se ha visto favorecido, por una parte, debido a los precios competitivos de muchos de sus materiales que a veces soninferiores a los productos naturales y, por otra parte, porque el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes

naturales.

Este aumento en el consumo de los plásticos se comprueba al observar que en el mundo el año 1974 se consumían 11 kilogramos por individuo; en 1990,34.5 kilos y el año 2004, 45 kilos per cápita.

El mercado más grande de los plásticos es el de los empaques y embalajes, siendo el polietileno el que ocupa el 43% en este medio. Lo anterior provocaun problema de contaminación por desperdicios no biodegradables. En Chile, el 8% de los desperdicios sólidos en los basureros municipales son los



plásticos.

Sin embargo, el problema ecológico provocado por la industria de los plásticos es demasiado grande como para considerar que ya esté resuelto. Losmateriales plásticos corresponden a un gran número de productos diferentes, tanto por sus materias primas como por sus procesos de fabricación y usos.Por ello, para facilitar la identificación de cada polímero y para ayudar a su clasificación con el fin de poder implementar sistemas de reciclado, se hainstituido el Código Internacional SPI, que permite identificar con facilidad de qué material específicamente está hecho un objeto de plástico.

Capítulo 7: Reacciones ácido base



Las sales son comunes en nuestro día a día. A modo de ejemplo: la sal común o “de mesa” es el cloruro de sodio (NaCl), que esta presente en nuestras

comidas, el bicarbonato de sodio es usado como antiácido y también en la preparación de tortas y queques...

Al clasificar las sustancias químicas se trató de agruparlas de acuerdo a sus características más relevantes. Es así como se llegó a distinguir 3 grupos: losácidos, las bases y las sales.

Para los ácidos se eligió como característica más relevante el sabor agrio que presentan. Así, el limón tiene tal sabor gracias al ácido cítrico, el vinagre alácido acético que posee, etc.

Con respecto a las bases, tienen en común su textura jabonosa y su sabor amargo. Son bases el hidróxido de sodio, el hidróxido de potasio, etc.

Para el tercer tipo de sustancias, se observó su característica más relevante: equiparar o neutralizar las dos anteriores.

Sin embargo, esta clasificación es simplista, pues ácidos, bases y sales presentan características más específicas, como se verá en este capítulo.

1. Conceptos y características de ácidos y bases

Los ácidos y las bases son sustancias con características bien definidas, las cuales se describen a continuación:

a. Ácidos• Tienen un sabor agrio.• Forman disoluciones acuosas conductoras de electricidad.• Neutralizan a una base, formando de manera general sal y agua.• Dependiendo de su comportamiento, tiñen a algunos indicadores. Por ejemplo, tiñen de rojo al papel tornasol azul.• Los ácidos son muy comunes en nuestro día a día: es así que habitualmente se utiliza una disolución de ácido acético (vinagre), para condimentar



diversos alimentos. También las frutas presentan ácidos, tales como el ácido cítrico presente en la naranja, limón, pomelo, tomate, etc. El ácido málicopresente en la manzana, pera y membrillo, el ácido tartárico, presente en la uva; tenemos ácidos como el sulfúrico que se encuentra en las baterías deautomóvil, el ácido clorhídrico presente en líquidos industriales utili zados para la limpieza de pisos, azulejos, etc.

b. Bases

• Tienen sabor astringente (sensación similar a la que se percibe al comer una fruta inmadura o verde).• Forman disoluciones acuosas conductoras de electricidad.• Tiñen de azul al papel tornasol rojo, es decir, es contrario al ácido.• Se neutralizan con un ácido, formando sal y agua.• Tienen al tacto una sensación jabonosa.• Las bases también son comunes en el uso cotidiano, así por ejemplo, varios líquidos de limpieza contienen bases como el hidróxido de sodio

(NaOH) o hidróxido de amonio la leche de magnesia usada para combatir la acidez estomacal, contiene hidróxido de magnesio

en la industria química las bases son muy empleadas, es así que se utiliza el hidróxido de sodio para la fabricación de jabones,detergentes y otros.

c. Sales

Las sales presentan en general características neutras, sin embargo, son consideradas electrolitos, por su tendencia a la disociación en un medioacuoso.

Ejemplo:

Las sales son comunes en nuestro día a día; a modo de ejemplo: la sal común o “de mesa” es el cloruro de sodio (NaCl), que está presente en

nuestras comidas, el bicarbonato de sodio es usado como antiácido y también en la preparación de tortas y queques, el sulfato de

sódio y el sulfato de magnesio son utilizados como purgante, el sulfato de calcio dihidratado oyeso es usado en kinesiología, arte y en construcción, etc.

2. Teorías de ácido base

2.1 Teoría de Arrhenius

Svante Arrhenius (1859-1927) postula las siguientes definiciones para ácido y base.

• Ácido: Son compuestos que en disolución acuosa se ionizan, liberando iones hidrógeno al medio.

Ejemplos:

Sin embargo, los ejemplos anteriores no son tan rigurosos en cuanto a su disociación. Es el ion hidrógeno el que realmente no se ajusta a la realidad.Esta entidad está rodeada por agua, formándose:

El es el ión hidronio y es más estable que el H . Por lo tanto, los ejemplos anteriores deben considerar la presencia del agua, quedando:

Para facilitar el tratamiento de los aspectos ácidos y básicos de los compuestos, no haremos uso de la presencia del ión hidronio.

• Base: Son compuestos que, en disolución acuosa, liberan iones hidróxilos (OH ) al medio.



Ejemplos:

Podemos apreciar que los hidrácidos y oxácidos serán ácidos, según la teoría, y que los hidróxidos serán básicos. Debido a que los otroscompuestos no están dentro de este esquema, la teoría de Arrhenius tiene un límite. Además, el disolvente utilizado es únicamente el agua.

2.2 Teoría de Lowry y Brönsted

Ambos investigadores propusieron las siguientes definiciones para ácido y base.

• Ácido: aquella entidad que puede donar o ceder iones hidrógeno al medio en disolución (no necesariamente agua).

Ejemplos:

• Base: aquella entidad que puede captar o aceptar iones hidrógeno del medio en disolución.

Ejemplos:

Para esta teoría se establece lo siguiente:

Cada ácido podrá generar una base y cada base más ión hidrógeno establecerá un ácido. A su vez, esta teoría propone el término “conjugado de”, esdecir, cada ácido y base tendrá su respectivo conjugado. Ejemplo:

El HF es ácido y el anión fluoruro es la base conjugada del ácido fluorhídrico.

Ejemplo:

El anión carbonato es una base y el anión bicarbonato es el ácido conjugado

Si juntamos una base y un ácido surge lo siguiente:

Podemos observar que dentro de esta teoría un ácido puede ser base o viceversa, según se defina la participación del ion hidrógeno. Aquelloscompuestos que tengan esta dualidad (ácido base) se llamarán ANFOLITOS. El agua es un compuesto que presenta esta característica, no es el único,pero es el más común. Además, los hidróxidos al parecer no quedarían definidos según la teoría. Los hidrácidos y los oxácidos vuelven a ser catalogadoscomo ácidos y sus aniones como base.

2.3 Teoría de Lewis

La estructura de Lewis, como se recordará, permite saber la distribución de los electrones de un elemento que participa del enlace químico. A partir deeste hecho, Lewis propone la definición para ácido y base.

• Ácido: aquella entidad capaz de aceptar un par de electrones en su entorno.

• Base: aquella entidad capaz de ceder o donar un par electrones.

Ejemplo:

Haciendo la estructura de Lewis para cada componente, da:



El será el ácido dado que puede aceptar un par electrónico y el será la base dado que da el par electrónico. Esta teoría, a diferencia de lasanteriores, usa a los electrones para establecer un ácido o una base. Además, abarca a todos los compuestos y relaciona los tipos de enlaces que seestablecen entre los compuestos. Aquí la regla del octeto y dueto debe ser considerada para establecer la diferencia entre ácido y base.

3. Constantes de acidez (Ka)

y de basicidad (Kb)

En este punto se dará a conocer la tendencia que tiene un ácido y una base para disociarse. Esto se podrá expresar a través de la constante respectiva.

Esta indicará la relación que se establece entre las concentraciones de los iones y el compuesto. Veamos ejemplos para cada caso:

Su constante es



Su constante es

Cada ácido y base tendrá su propio valor de constante. Si un ácido tiene una gran disociación, se llamará ácido fuerte y su constante será alta. Sipresenta una mínima disociación, se llamará ácido débil y su constante será pequeña en comparación a un ácido fuerte. Para las bases ocurre el mismoesquema: base fuerte y base débil. Veamos algunos ejemplos de ácidos y bases de acuerdo a la característica enunciada:

El será un ácido fuerte y el un ácido débil. El otro ácido puede ser considerado como ácido intermedio.

El NaOH será una base fuerte y el una base débil. El será una base intermedia.

Ocupando la teoría de Lowry y Brönsted surgen otros aspectos que es de interés conocer. Esta teoría dio el término ácido conjugado y base conjugada,por lo tanto, en ácido base:

Por otra parte, sabemos que algunos ácidos y bases presentan más de una disociación (polidisociados) y para cada caso habrá un valor de constantedando la siguiente característica

Sea un ácido

Al ordenar en forma decreciente las constantes quedarán:

Si queremos obtener la constante para una disociación total, se establece:



Se multiplican las cuatro constantes respectivas o las que presente el ácido. Ejemplo:

La constante para el proceso con una disociación total es

El a través de este procedimiento adquiere una constante bastante pequeña, con lo cual puede ser considerado un ácido débil. Finalmente, las

bases también pueden ser aplicadas al mismo esquema. Las constantes de ácidos y bases aparecen en tablas y fueron medidas a y 1atmósfera de presión (medida estándar).

4. Producto iónico del agua (Kw)

El agua es un compuesto que tiene una particularidad especial. Por ello, no resulta fácil explicar su comportamiento. Por ejemplo, presenta un ampliorango para mantenerse líquida (0 °C a 100 °C). No ocurre lo mismo con otros compuestos. Además, tiene una concentración elevada (55,55 M).

Desde el punto de vista ácido base, el agua es un anfolito y su disociación puede ser establecida como sigue:

La constante de equilibrio para el agua es:

Luego de realizar ciertos pasos matemáticos nace la constante del agua, Kw

Experimentalmente, a 18 °C, su valor es:

De este valor, surgen antecedentes bien importantes. Si tenemos “x” partes de agua, en el equil ibrio tendremos:

Esto es,

reemplazando en Kw, tenemos



Al extraer raíz tendremos el valor de x, el que informará de las concentraciones de los iones en el equil ibrio.

Por lo tanto,

A este punto se lo conoce como región neutra. Si la concentración de H es mayor que la de OH es región ácida y, si es menor, como región básica.Resumiendo:

y expresados en valores

Se observa que, si la concentración de va disminuyendo, la de va aumentando. El producto iónico del agua, por ser constante, tiene que darsiempre el mismo valor. La zona neutra corresponde a un solo punto, las otras zonas tienen un rango. Por lo tanto, no será difícil establecer unaconcentración en función de la otra.

Si tomamos la constante de acidez para un compuesto se establece lo siguiente: es posible saber su constante de basicidad a través de la constante deagua, dado que:

Ka·Kb=Kw

Esto nos permite concluir que un compuesto ácido o básico también presentará la otra constante, pero una será mayor que la otra. Veamos un ejemplo:

La constante de basicidad se establece como:

Se observa que Ka > Kb, por lo tanto, el compuesto sigue siendo un ácido y su característica básica se encuentra aminorada. La misma explicación puedeaplicarse a una base.

5. Medida de la acidez y la basicidad

Es posible, matemáticamente hablando, medir la acidez o basicidad de una entidad. Sin embargo, experimentalmente se puede hacer a través de uninstrumento llamado peachímetro o con papeles que están tabulados o con indicadores (más adelante estudiaremos los indicadores). Sin embargo,veamos la primera propuesta.

El término usado es el pH y es una escala propuesta por el investigador Sörensen. El rango de medición está entre 0 y 14 y se define a través del



logaritmo de la concentración del ión hidrógeno:

También se puede aplicar a la concentración de a la constante de acidez, basicidad y del agua, dando:

La escala de pH distingue tres zonas:

Vemos que tanto la zona ácida como la básica tienen un rango y que la zona neutra tiene un solo valor.

Por lo tanto, cada ácido presentado (ácido fuerte y débil) y cada base presentada (base fuerte y débil ), tendrá su pH característico y la forma de calcularlovaría para cada caso.

• Relación entre pH y pOH: Esta relación surge del producto iónico del agua, el cual relaciona a la concentración del ión hidrógeno y el hidróxido, yse expresa:

al aplicar logaritmo a esta expresión se obtiene:

Pero nosotros sabemos que:



Reemplazando y multiplicando por -1, se obtiene:

pKw = pH + pOH

Y si calculamos el logaritmo de Kw se obtiene:

14 = pH + pOH

Con esta expresión, podemos relacionar al pOH y las zonas ácidas, neutras y básicas.



Y relacionando pH y pOH se logra:

A medida que aumenta el pH, el pOH va disminuyendo y viceversa. Pero siempre la suma de ambos debe dar 14.

El ácido nítrico, dentro de muchas aplicaciones, es usado en lafabricación de explosivos, seda artificial, plásticos, tintas y barnices. Se trata de uno de los ácidos más antiguos, pues ya era usado por los alquimistas

con el nombre de aqua fortis.

La mezcla en proporciones técnicas adecuadas de ácido nítrico y ácido clorhídrico recibe el nombre de agua regia (dado por los alquimistas, debido alhecho de atacar el oro, conocido como el rey de los metales).

6. Cálculo del pH para ácidos y bases

6.1 pH para ácido fuerte

Como se estableció, un ácido fuerte estará muy disociado. Por lo tanto, solo sabiendo la concentración inicial del ácido se puede calcular su pH.

Ejemplo:

¿Cuál es el pH de una disolución de HCl cuya concentración es de 0,01 mol/L?

Planteando la disociación:

Y, por estequiometría, la relación entre el ácido y el ión hidrógeno es 1:1, por ello,

Finalmente, da:

6.2 pH para ácido débil

Para establecer la concentración del ión hidrógeno en una disolución de ácido débil, se debe advertir que este tipo de ácido no tiene una gran disociacióny, por lo tanto, hay que considerar la situación inicial y de equilibrio.

Ejemplo:

¿Cuál es el pH de un ácido débil HX cuya concentración inicial es de 0,3 M y su constante de acidez de ?

Si la es:



y esta expresión la introducimos en pH y desarrollamos toda la parte matemática, queda:

Entonces:

6.3 pH para base fuerte

Una base fuerte está completamente disociada, por lo tanto la concentración inicial dada será la misma para el resto de los iones presentes en ladisolución.

Ejemplo:

¿Cuál es el pH de una disolución de NaOH cuya concentración es de 0.05 mol/L?

Planteamos la disociación

Se observa que no se informa concentración de Para responder a este requerimiento usamos el producto iónico del agua, dando:

y se despeja la dando:

Y ésta se reemplaza en pH, dando:

Es esta última expresión la que usamos para responder al ejemplo, dando:

6.4 pH para base débil

La base débil no tiene una gran disociación, y al igual que el ácido débil, se debe considerar su situación inicial y en el equilibrio. Aquí se debe usar laconstante de basicidad del compuesto.

Ejemplo:

¿Cuál es el pH de una base débil, XOH, cuya constante de basicidad es y con una concentración inicial de 0,4 M?

Planteando

La concentración de se expresa:

Sin embargo, en la expresión de pH aparece y, por ello, se debe buscar una expresión para este requerimiento y nuevamente Kw nos ayuda,dando:



Y se continúa con el desarrollo matemático, dando:

Si reemplazamos la información dada en el ejemplo nos da:

7. Indicadores

Los indicadores son compuestos orgánicos, principalmente.

Tienen un rango determinado de pH a medir. La gracia de ellos es que manifiestan su medición por colores y cuando son agregados a la disoluciónadquieren tal tonalidad y de ahí se dice que esta tiene tal valor de pH.

Mientras el pH del compuesto sea ácido tendrá el primer color y, si pasa a pH básico, manifestará el segundo color. Los indicadores son muy útiles en latitulación de ácido y bases (neutralización).



8. Disoluciones buffer

Estas disoluciones también son conocidas como amortiguadoras, reguladoras y tampón. Todas presentan la misma cualidad, que es la de mantener elpH en un cierto rango, el cual no se ve modificado al variar algún factor de la disolución. La sangre es un ejemplo de disolución buffer, su pH está en elrango de 7 a 7,4. En las disoluciones buffer hay un equilibrio entre el componente ácido y básico. Veamos la deducción para el pH de una disoluciónácida y básica, respectivamente.

8.1 Disolución ácida

Sea

donde la Ka es:

y se despeja dando:

Luego aplicamos log, dando:



multiplicamos por −1, dando:

Reemplazamos por pH y pKa, dando:

y reordenamos al log, dando:

Por lo tanto, aquellos ácidos que presenten constantes de acidez tendrán un efecto tampón.

8.2 Disolución básica

Sea,

en la cual la constante de basicidad es

y reemplacemos la concentración de hidróxido por la concentración de ión hidrógeno, dando:

Despejamos la dando:

y aplicamos log y hacemos todo el desarrollo, como en el caso anterior, dando:

9. Neutralización

La neutralización es una reacción entre un ácido y una base, en la cual se logra equiparar la fuerza de ambos y el pH de la disolución es neutro.Supongamos el siguiente suceso: sea el HCl y el NaOH. El ácido tiene una concentración 0,1 mol/L y la base igual valor. En la bureta coloquemos 20 mLde base y en el matraz Erlenmeyer 10 mL de ácido y empecemos a agregar al matraz un volumen de base. Luego midamos el pH cada cierto volumen.Esto lo resumimos en la siguiente tabla.

Realicemos las observaciones respectivas. A medida que el volumen de base agregado va aumentando, también lo hace el pH. Cuando el volumen debase fue igual al del ácido contenido en el matraz el pH resultó ser neutro y, finalmente, cuando el volumen de base fue mayor que el ácido, se acentuó elcarácter básico de la disolución. Se puede notar que cuando el volumen de base agregado es cercano a 10 mL, el pH empieza a subir rápidamente. Sepuede pensar que este hecho es proporcional, pero no lo es, dado que esto al graficarlo es una curva logarítmica y no una recta.

El pH antes del punto neutro se calculó de la siguiente forma: se hizo el supuesto de que los volúmenes son aditivos debido a que las densidades de lasdisoluciones son iguales. Por lo tanto, el volumen final es la suma del volumen de base agregado más el volumen de ácido dado. Los moles en juego se



calcularon restando a los moles de ácido los moles de base agregado y luego se aplicó la definición de pH.

El pH después del punto neutro se calculó de la siguiente forma: se volvió al supuesto de la suma de los volúmenes y, en este caso, se establece laconcentración de hidróxido y los moles en juego son los de base agregados, menos los moles de ácido dado. Por ello es que el pH debe dar básicodespués del punto neutro.

Finalmente, se puede calcular el pH de zona neutra sabiendo las concentraciones en juego y los volúmenes respectivos con el supuesto de que losvolúmenes se suman, esto es:

Donde C es concentración y V es el volumen.

9.1 Titulación

La titulación es una técnica muy usada para averiguar la concentración que tiene una disolución ácida o básica, a través de una neutralizacióncontrolada.

Consiste en que una disolución de concentración conocida, o disolución estándar, se adiciona gradualmente a otra disolución de concentracióndesconocida hasta que la reacción de neutralización entre las dos disoluciones se completa.

Si conocemos los volúmenes de las disoluciones estándar y de la desconocida que se usaron en la titulación, y la concentración de la disoluciónestándar, se puede calcular la concentración de la disolución desconocida.

Procedemos colocando en la bureta la disolución básica de concentración conocida, la que se agrega cuidadosamente sobre la disolución ácida deconcentración desconocida hasta que se alcance el punto de equivalencia, es decir, el punto en el que la disolución estándar ha reaccionado oneutralizado completamente a la disolución de concentración desconocida. Antes de la titulación se agregan unas gotas de un indicador ácido - base a ladisolución ácida, habitualmente fenolftaleína. El punto de equivalencia se reconoce cuando el indicador cambia de color,

Capítulo 8: Reacciones en química orgánica



En el plan regular de estudios hemos conocido las bases de la química orgánica y los distintos grupos funcionales que hacen que una molécula obtengadiferentes propiedades. Como son por ejemplo los alcoholes, los ésteres, las cetonas, etc.En este capítulo nos adentraremos en como la naturaleza nos permite crear estos grupos funcionales, qué sustancias deben reaccionar para producirestos productos y que factores influyen en la síntesis de estos compuestos.

Las reacciones químicas asociadas a moléculas orgánicas no se comportan de la misma manera que lo observado en compuestos de origen inorgánico.Al respecto podemos establecer que las moléculas orgánicas, al reaccionar pueden descomponerse para su transformación en moléculas inorgánicas,unirse a otras sustancias generando estructuras más complejas o transformar sus grupos funcionales permitiendo la aparición de nuevas propiedades, lascuales pueden dar origen a sustancias de mayor complejidad.

1. Reactividad orgánica

Las reacciones químicas llevadas a cabo por compuestos orgánicos se definen como reacciones orgánicas. Estas dependen del tipo de compuestoorgánico involucrado así como también las características del compuesto con el cual se va a llevar a cabo la reacción. Así, podemos encontrar que loscompuestos alifáticos reaccionan distinto que los aromáticos, como también podemos esperar diferentes reacciones dependiendo si estamos enpresencia de estructuras saturadas o insaturadas.

Al respecto, mencionaremos los principales grupos de reacciones en función del tipo de compuesto involucrado en dicho evento, pero primero debemosrevisar los principales tipos de reacciones posibles de l levar a cabo:

1.1 Reacciones electrofílicas

Un electrófilo es un compuesto que se ve fuertemente atraído hacia zonas ricas en electrones presentes en otras moléculas o bien hacia iones. Yaque es atraído hacia una zona negativa, el electrófilo debe poseer una carga eléctrica o polo positivo.

Uno de los principales atractores de electrófilos se asocia a los enlaces tipo pi presentes en alquenos, alquinos y compuestos aromáticos.

Recordemos que estos corresponden a los enlaces complementarios a los enlaces tipo sigma que podemos observar en las cadenas insaturadas.Se caracterizan por presentar una menor estabilidad, por lo que al momento de romper un doble o triple enlace, son los enlaces pi los que proporcionanlos electrones para recibir a los nuevos compuestos.

Las reacciones electrófilas incluyen fenómenos de:

• Adición electrofílica: implica un grupo electrófilo que se asocia a una molécula ya existente con un enlace pi disponible, fenómeno generalmenteapreciable en compuestos alquenos o alquinos. No genera desechos.

La figura muestra este fenómeno al proponer el traspaso de los electrones presentes en el enlace pi a la sustancia con carga positiva (electrófilo),permitiendo su unión a la cadena orgánica. La sustancia Y retendrá los electrones del enlace original con X, viéndose atraída por el carbono que haperdido el enlace pi , generando una segunda unión a la cadena orgánica.



• Sustitución electrofílica: este mecanismo se observa principalmente en compuestos aromáticos, donde, al presentarse la deslocalización de loselectrones del enlace pi, es muy difícil romper un enlace para agregar un nuevo compuesto. Esto significa que lo que ocurrirá es que el electrófiloprocederá a “reemplazar” al átomo previamente asociado a la molécula principal.

En la figura se observa como un elemento electrófilo X es capaz de alterar temporalmente la estructura de resonancia de un grupo aromático, al atraerun par de electrones pi deslocalizados, estableciendo una unión con la cadena principal, para que luego el hidrógeno asociado al mismo átomo decarbono donde se unió la sustancia X sea atraído por el elemento Y restituyendo los electrones pi a la cadena principal .

1.2 Reacciones nucleofílicas

Un nucleófilo es una especie fuertemente atraída hacia una región de carga positiva presente en otra sustancia. Esto significa que presentan unacarga eléctrica negativa o bien una polaridad negativa.

Algunos nucleófilos frecuentes son los iones hidroxilo, el agua, los iones cianuro y el amoníaco.

Dentro del grupo de reacciones nucleofílicas podemos observar nuevamente los fenómenos de sustitución y adición.

2. Compuestos saturados

Por compuestos saturados podemos entender tanto a los compuestos alcanos como a los cicloalcanos. Se caracterizan por presentar enlaces tipo sigma

de alta estabilidad. Esto significa que su probabilidad de experimentar algún tipo de transformación química de forma espontánea va a ser menor encomparación con otros tipos de enlace, desarrollando un bajo nivel de reactividad.

Pese a este bajo nivel de reactividad, podemos destacar dos grandes grupos de reacciones químicas realizadas a partir de este grupo de compuestos,determinando la realización de reacciones de combustión y de halogenación.

2.1 Combustión

Corresponden a una de las reacciones orgánicas más comunes de detectar en el mundo moderno, estando claramente asociada a procesos para laobtención de energía. Este grupo de reacciones se caracteriza por desarrollarse en presencia de calor y oxígeno, ambos componentes indispensablespara este proceso, tal como lo vemos al momento de quemar cualquier tipo de combustible, como leña, carbón, kerosene o gasol ina.

A partir de esta reacción se espera la destrucción de la totalidad de los enlaces químicos presentes en el compuesto saturado, permitiendo la liberación

de Un ejemplo de esto es lo que ocurre en el proceso de respiración celular, donde la glucosa sufre un proceso de combustión en posde liberar energía en forma de ATP. De esta manera observamos como la reacción química, en presencia de oxígeno y calor, convierte la totalidad de la

molécula orgánica en anhídrido carbónico y agua



En este caso particular cabe destacar dos detalles de importancia:

• Dado que la totalidad de los enlaces sigma resultan destruidos en el proceso, la cantidad de calor liberada a partir de la reacción va a serdirectamente proporcional a la fuerza de los enlaces constituyentes.

• En este caso es importante mantener el balance estequiométrico de los reactantes, ya que la ausencia de oxígeno durante el proceso impedirá la

correcta formación de permitiendo la liberación de CO, gas de alta toxicidad por su afinidad a moléculas como la hemoglobina. Este fenómeno seconoce como combustión incompleta y es observable durante la quema de leña húmeda o en el mal funcionamiento de un motor a combustión.

2.2 Halogenación

La halogenación corresponde a una reacción de sustitución, en la cual un átomo de hidrógeno es removido de la molécula principal para acoger en dicho

enlace a un elemento halógeno. Esta reacción tiende a realizarse con dado que el flúor tiende a ser explosivo, mientras que el yodoprácticamente no manifiesta reactividad.

Este tipo de reacciones tienden a ser exotérmicas, pero requieren de una dosis de calor o radiación UV para iniciar el proceso. Esto se utiliza paradesestabilizar el enlace presente entre los halógenos (Cl-Cl o Br-Br).

Este proceso tiende a favorecer la sustitución de hidrógenos terciarios en primer lugar, para luego afectar a hidrógenos secundarios y primarios

respectivamente, dado el nivel de estabilidad de dichos enlaces. Recordemos que al hablar de hidrógenos primarios, secundarios o terciarios sehace mención al átomo de carbono al cual están asociados y a cuántos enlaces a otros átomos de carbono va a presentar. Un hidrógenoasociado a un átomo de carbono que a su vez está unido a 3 átomos de carbono corresponderá a un hidrógeno terciario.

Así, podemos esperar que al hacer reaccionar una molécula de 2-metil-propano con una molécula de cloro se produzca una sustitución del átomo dehidrógeno presente en el carbono 2 de la cadena principal, ya que presenta el enlace menos estable de la molécula, dando origen a una molécula de 2-metil-2-cloropropano.

3. Compuestos insaturados

En este grupo aparecen alquenos, alquinos, cicloalquenos y cicloalquinos. Como diferencia estructural respecto de los compuestos saturados debemos

señalar la aparición de enlaces tipo sigma y tipo pi , presentando estos últimos un mayor nivel de reactividad al ser más débiles que los enlacessigma. En el caso de alquenos y cicloalquenos se verifica la existencia de un enlace sigma y uno pi (doble enlace) mientras que en alquinos ycicloalquinos aparecen un enlace sigma y dos enlaces pi (triple enlace).

Se caracterizan por exhibir una alta capacidad para reaccionar con compuestos electrófilos (ácidos de Lewis), los cuales corresponden a sustancias

atraídas por electrones de enlaces (generalmente corresponden a cationes, como el ).



Dentro de los múltiples tipos de reacciones posibles, las más frecuentes corresponden a las reacciones de adición.

3.1 Reacciones de adición en compuestos insaturados

Se caracterizan por la capacidad de un compuesto electrófilo para romper el enlace pi, dejando incólume al enlace sigma, adhiriéndose a la moléculaorgánica original. El elemento más electrófilo se unirá al carbono con mayor número de hidrógenos (regla de Markovnikov).

Este tipo de reacciones no genera desechos ni subproductos.

Al respecto existen distintos modelos de adición electrofílica, como podemos observar a continuación:

a. Hidrogenación

Corresponde a la adición de una molécula de . Este tipo de reacciones permite saturar a los hidrocarburos, convirtiéndolos en alcanos, como loocurrido con los derivados del petróleo. Esta reacción requiere de un catalizador, como por ejemplo el paladio, para facilitar la ruptura del enlace pi,permitiendo la incorporación de los átomos de hidrógeno, siguiendo el mecanismo previamente expuesto (ver: reacciones de adición electrofílicas),como es posible observar en la siguiente figura.

Este proceso permite la obtención de margarinas a partir de ácidos grasos insaturados, es decir, la producción de margarinas a partir de aceites deorigen vegetal. Para lograr esto requeriremos de la presencia de hidrógeno a al ta presión, altas temperaturas y un catalizador, en este caso, níquel.

b. Adición de halógenos

La reacción se inicia por la adición de ácidos fuertes, como por ejemplo HCl, los cuales son capaces de romper el enlace pi. Esto permite laobtención de haluros. En este tipo de reacciones se aplica la regla de Markovnikov, según la cual el hidrógeno (elemento electrófilo) se une al carbono deldoble enlace que presenta el mayor número de átomos de hidrógeno.

Un ejemplo podría ser la adición de ácido clorhídrico a una molécula de 3-etil-2-penteno, la cual sufriría la ruptura de su doble enlace dando origen auna molécula de 3-etil-3-cloropentano.

c. Adición de agua

Para poder agregar una molécula de al compuesto orgánico debemos contar con la presencia de un catalizador, función representada poralgún ácido fuerte. Este tipo de reacciones permite la obtención de alcoholes a partir de alquenos, mientras que en el caso de los alquinos estos permitenla formación de enoles, es decir, alquenos con un grupo alcohol activo. Dichos enoles pueden experimentar la reorganización de sus enlaces,permitiendo la aparición de cetonas.



En la figura se observa como, en el primer caso, un doble enlace es destruido para permitir el ingreso de hidrógeno y de un grupo hidroxilo a lacadena principal, siguiendo la regla de Markovnikov.

En el segundo caso observamos como la hidratación de un alquino da origen a un compuesto transitorio denominado enol, donde el carbono 2presenta un doble enlace y a la vez está asociado a un grupo hidroxilo. La inestabilidad del compuesto lleva a la reorganización de los enlacespermitiendo la aparición de un grupo carbonilo donde antes se localizaba el grupo alcohol.

d. Adición de alcoholes

Al igual que en las reacciones ocurridas en agua, se requiere un catalizador ácido para llevar a cabo el proceso. Permite la formación de éteres.

El metanol se separa en protón hidrógeno ( ) y residuo rompiendo el doble enlace y asociándose a la cadenahidrocarbonada, dando origen a un etil-metil-éter.

4. Compuestos aromáticos

Producto de la deslocalización de sus electrones, este tipo de compuestos son incapaces de realizar reaccionesde adición en sus anil los. Esto significa que solo observaremos reacciones de sustitución.

A modo de ejemplo podemos señalar que este fenómeno es observable en la producción de T.N.T., el cual se desarrolla por nitración del tolueno.

4.1 Nitración

Corresponde a la posibilidad de sustituir un hidrógeno por un grupo nitro Esta reacción ocurre en medio ácido.

4.2 Halogenación

En este caso el hidrógeno es reemplazado por un elemento de la familia VIIA, como por ejemplo Cl, Br o I. La reacción ocurre en presencia de un ácido de

Lewis.

4.3 Sulfonación

El compuesto aromático reacciona con ácido sulfúrico en presencia de calor, permitiendo la sustitución de hidrógeno por un grupo

5. Grupos funcionales

Los grupos funcionales se originan a partir de reacciones entre distintas moléculas orgánicas, las cuales pueden abarcar fenómenos como la adición, lacondensación, la oxidación y otras.

5.1 Alcohol

Los alcoholes nacen a partir de una reacción de adición electrofílica de agua en un alqueno. El alcohol más común de ser producido corresponde aletanol, el cual proviene de la unión de eteno y agua.

Otra forma de obtener alcoholes es a partir de una reacción de fermentación. Este tipo de reacciones se caracteriza por requerir de enzimas que catali cenel proceso, las cuales son producidas por levaduras.

En alquenos con más de dos átomos de carbono se espera que la adición de moléculas de agua de origen a alcoholes secundarios, en función de la



regla de Markovnikov.

Ejemplo:

Al agregar una molécula de agua a una molécula de propeno esperamos que se cumpla la regla de Markovnikov.

Esto significa que el producto principal obtenido a partir de la hidratación del propeno corresponderá al 2-propanol, un alcohol secundario.

5.2 Éter

Se producen a partir de una reacción de condensación entre dos alcoholes. En este caso se libera una molécula de agua como consecuencia.

Este proceso debe ser realizado en un ambiente ácido, para lo cual se tiende a util izar ácido sulfúrico

Este grupo funcional también puede obtenerse a partir de una adición de alcohol sobre un alqueno.

Ejemplo:

En el caso del grupo éter podemos esperar una reacción en medio de un ambiente ácido, ya que se requiere de los protones liberados por la sustanciaácida para iniciar el mecanismo. Es lo que podemos observar en una reacción entre dos grupos alcohol.

En este caso se observa como primero se produce una asociación entre los protones presentes en la disolución ácida con el grupo hidroxilo, permitiendola salida de una molécula de agua y la formación de un carbocatión, es decir, un átomo de carbono con carga positiva, capaz de interactuar y atraer aotro grupo alcohol presente en la disolución.

Un mecanismo mas simple a la hora de sintetizar este tipo de compuestos aparece en la forma de una sustitución nucleofílica, como la que se presentaentre un alcóxido y un haluro.

5.3 Aldehído

El grupo funcional aldehído tiene su origen en la oxidación de un alcohol primario, permitiendo la reorganización de los enlaces.

Es importante señalar que el oxígeno necesario para llevar a cabo esta reacción raramente estará disponible de forma libre en la naturaleza, siendonecesario contar con un agente oxidante para llevar a cabo esta reacción. Lo más frecuente es recurrir a sustancias como el dicromato de potasio

el cual debe ser acidificado para poder llevar a cabo la reacción química (con este propósito se tiende a recurrir al ácido sulfúrico).

5.4 Cetona

El grupo cetona posee un carbonilo no terminal, el cual puede ser producido a través de la oxidación de un alcohol secundario, reacción muy similar a laseñalada en el punto anterior, con la di ferencia que el carbono unido al grupo hidroxilo (-OH) se encuentra asociado a otros dos átomos de carbono, comose observa en la figura.

Las condiciones necesarias para producir este fenómeno son similares a las requeridas a la hora de producir la oxidación de un aldehído.

Recordemos que otra forma de dar origen a las cetonas es a través de la hidratación de alquinos, con la consecuente formación de enoles y su posterior



reorganización, como ya fue mencionado previamente en este capítulo (ver reacciones de adición en compuestos insaturados).

5.5 Ácido carboxílico

En los ácidos orgánicos encontramos la presencia de un carbonilo y un grupo hidroxilo, los cuales provienen de la oxidación de un aldehído.

En este caso observamos la continuación del proceso de oxidación observado en la formación de los aldehídos.

De hecho, es muy poco probable que los ácido carboxílicos se obtengan directamente de la oxidación de un aldehído, sino más bien a través de laoxidación completa de un alcohol primario.

Este proceso se ve claramente representado en la oxidación del vino (etanol) hacia vinagre (ácido etanoico). Este mecanismo es similar al que se lleva acabo a nivel de los peroxisomas de la célula hepática para la detoxificación de los alcoholes intracelulares.

5.6 Éster

Los ésteres se forman a partir de la reacción entre un alcohol y un ácido carboxílico, liberando una molécula de agua en el proceso.

Esta reacción permite la asociación de moléculas orgánicas, como por ejemplo la unión entre ácidos grasos y glicerol, para conseguir la formación deacilglicéridos (e.g. triglicéridos).

5.7 Amina

La formación de aminas implica la alquilación de una molécula de amoníaco. Para producir esta reacción se debe establecer una reacción química entreun haloalcano y amoníaco.

Esta reacción permite la liberación de un hidrácido.

La alquilación de una amina primaria conducirá a la obtención de una amina secundaria y, subsecuentemente, la alquilación de una amina secundariaproducirá una amina terciaria.

5.8 Amida

La formación de amidas requiere de un ácido carboxílico, el cual debe ser transformado en primer lugar hacia una sal de amonio, para lograr su posteriordeshidratación en presencia de calor.



ÍnidceCapítulo 1: Cinética química1. Cinética química2. Factores que participan en la velocidad de una reacción química

2.1 Concentración2.2 Temperatura2.3 Catalizadores

2.3.1 Clasificación de catalizadores2.4 Grado de división de los reactantes2.5 Presión

2.6 Naturaleza de los reactantes3. Equilibrio químico

3.1 Equilibrio en fase líquida3.2 Equilibrio en fase gaseosa

4. Factores que influyen en la constante de equilibrio4.1 Concentración4.2 Presión4.3 Temperatura

5. Enzimas (catalizadores)5.1 Estructura de una enzima5.2 Regulación de la actividad enzimática

5.2.1 Factor temperatura5.2.2 Factor pH

6. Aditivos alimentarios6.1 Aditivos alimentarios más comunes

6.2 Sustancias tóxicas en los alimentos6.3 Causas de contaminación en los alimentos6.4 Toxiinfecciones alimentarias más comunes

Capítulo 2: Termodinámica1. Termodinámica2. Conceptos termodinámicos

2.1 Cambio físico2.2 Cambio químico2.3 Energía de activación2.4 Energía de reacción2.5 Complejo activado2.6 Calorímetro

3. Tipos de reacciones3.1 Reacción exergónica3.2 Reacción endergónica

4. Teoría cinético molecular de la materia5. Entalpía (ΔH)6. Ley de Hess7. Entropía

Capítulo 3: Fenómenos nucleares1. Núcleo atómico2. Isótopos3. Masa atómica

3.1 Masa atómica promedio4. Emisiones radioactivas

4.1 Partículas alfa4.2 Partículas beta (β)4.3 Rayos gamma (γ)


6. Ecuaciones nucleares7. Serie radiactiva7.1 Elementos transuránicos7.2 Vida media

8. Fisión núclear9. Fusión nuclear10. Efectos de la radiación en los seres vivos

10.1 Excitación10.2 Ionización

11. Utilización de la energía nuclear11.1 Uso pacífico11.2 Uso bélico: bombas atómicas

12. Posibilidades futuras de la energía atómica: transmutación nuclear artificialCapítulo 4: Óxido - reducción


2. Reacciones óxido-reducción2.1 Formas de igualar ecuaciones óxido-reducción en ambiente ácido o básico

3. Celdas electroquímicas4. Predicción de reacciones

4.1 Potenciales normalesCapítulo 5: Industrias químicas1. Industria química



2. Materias primas2.1 Aire2.2 Agua de mar2.3 Rocas de la corteza terrestre2.4 Carbón mineral2.5 Gas natural2.6 Petróleo

3. Métodos simples de separación de sustancias3.1 Filtración3.2 Decantación3.3 Destilación3.4 Cristalización

4. Industria minera4.1 Industria del hierro4.2 Industria del azufre4.3 Industria del ácido sulfúrico4.4 Industria del cemento4.5 Industria del vidrio4.6 Industria del yodo4.7 Industria del litio4.8 Industria del cobre

Capítulo 6: Polímeros1. Definición2. Tipos de polímeros

2.1 Polímeros naturales2.2 Proteínas

2.3 Ácidos nucleicos2.3.1 ADN (Ácido Desoxirribonucleico)2.3.2 ARN (Ácido Ribonucleico).

3. Polímeros artificiales: plásticos3.1 Reciclaje del plástico

Capítulo 7: Reacciones ácido base1. Conceptos y características de ácidos y bases2. Teorías de ácido base

2.1 Teoría de Arrhenius2.2 Teoría de Lowry y Brönsted2.3 Teoría de Lewis

3. Constantes de acidez (Ka)y de basicidad (Kb)4. Producto iónico del agua (Kw)5. Medida de la acidez y la basicidad

6. Cálculo del pH para ácidos y bases6.1 pH para ácido fuerte6.2 pH para ácido débil6.3 pH para base fuerte6.4 pH para base débil

7. Indicadores8. Disoluciones buffer

8.1 Disolución ácida8.2 Disolución básica

9. Neutralización9.1 Titulación

Capítulo 8: Reacciones en química orgánica1. Reactividad orgánica

1.1 Reacciones electrofílicas1.2 Reacciones nucleofílicas

2. Compuestos saturados2.1 Combustión2.2 Halogenación

3. Compuestos insaturados3.1 Reacciones de adición en compuestos insaturados

4. Compuestos aromáticos4.1 Nitración4.2 Halogenación4.3 Sulfonación

5. Grupos funcionales5.1 Alcohol5.2 Éter5.3 Aldehído5.4 Cetona

5.5 Ácido carboxílico5.6 Éster5.7 Amina5.8 Amida

Química Electivo Cepech 2014

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