estructura del atomo y enlace quimico1 (1)
TRANSCRIPT
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
1/39
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTALLISANDRO ALVARADO
SISTEMA DE EDUCACION A DISTANCIADECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD
DIRECCIONES DE PROGRAMASDE MEDICINA Y ENFERMERIACURSO PREUNIVERSITARIO
PRINCIPIOS BSICOS DEQUMICA ORGNICA
PROGRAMAS DE ENFERMERA Y MEDICINADECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
2/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
3/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
4/39
4
INTRODUCCION
En un principio los cientficos crean que para sintetizar sustancias orgnicas
era necesaria la existencia de una fuerza vital, es decir, de los organismos
vivos. Pero un descubrimiento llevado a cabo por el qumico alemn Friedrich
Whler, en 1828, en el que el compuesto inorgnico cianato de amonio poda
convertirse en urea, sustancia orgnica que se encuentra en la orina de
muchos animales, desplaz la creencia de la existencia de la fuerza vital,
rompiendo as, la barrera entre las sustancias inorgnicas y las sustancias
orgnicas.
Hoy da, los qumicos modernos definen a los compuestos orgnicos como
aqullas sustancias que contienen carbono y otros elementos, siendo los mscomunes: hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, azufre y los halgenos. Por ello, en
la actualidad, la Qumica Orgnica es tambin llamada Qumica del carbono.
En este tema, se estudiarn algunos conocimientos bsicos que constituyen
prerrequisitos necesarios para afrontar con xito las asignaturas: Bioqumica
del Programa de Enfermera y Qumica Orgnica del Programa de Medicina
del Decanato de Ciencias de la Salud de la Universidad Centroccidental
Lisandro Alvarado. Los tpicos que se desarrollaran en esta unidad son: la
estructura y configuracin electrnica de los tomos, la formacin de enlaces
qumicos inico y covalente, la polarizacin de los enlaces covalentes y los
tipos de fuerzas que se establecen entre las molculas.
Objetivo Terminal:
Comprender la estructura y configuracin electrnica de los tomos de
importancia biolgica, su implicacin en la formacin de enlaces inicos y
covalentes polares y no polares y el establecimiento de las fuerzas
intermoleculares.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
5/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
6/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
7/39
7
ESTRUCTURA DEL TOMO
El tomo es el componente ms pequeo de un
elemento qumico que retiene las propiedades
relacionadas con ese elemento y que puede
actuar en una reaccin qumica. En el tomo
distinguimos dos partes: el ncleoy la corteza.
1.- El ncleo es la parte central del tomo y
contiene partculas con carga positiva llamadas protonesy partculas que no
poseen carga elctrica, es decir son neutras, llamadas neutrones. La masa
de un protn es aproximadamente igual a la de un neutrn. Todos los tomosde un elemento qumico tienen en el ncleo el mismo
nmero de protones. Este nmero se llama el nmero
atmicoy se representa con la letra Z.
2.- La corteza es la parte exterior del tomo. En ella se
encuentran los electrones, que poseen carga negativa y
giran alrededor del ncleo. Los tomos son
elctricamente neutros, debido a que tienen igual nmero de protones (cargaspositivas) y de electrones (cargas negativas). Por lo tanto, el nmero atmico
(cantidad de protones en el ncleo) coincide con el nmero de electrones.
3.- La suma del nmero de protones y el nmero de neutrones de un tomo
recibe el nombre de nmero msicoy se representa
con la letra A. Aunque todos los tomos de un mismo
elemento se caracterizan por tener el mismo nmero
atmico (nmero de protones), pueden tener distintonmero de neutrones. A los tomos de un mismo elemento que se diferencian
en el nmero de neutrones y, por ende, en su nmero msico se denominan
istopos.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
8/39
8
En la naturaleza encontramos 3 istopos del Hidrgeno. El Hidrgeno que
contiene 1 protn y no contiene neutrones, el Deuterio que es un tomo de
Hidrgeno que contiene un protn y un neutrn y el Tritio que es un tomo de
Hidrgeno que contiene un protn y dos neutrones. En la figura de abajo sepuede observar que cada uno de los istopos se diferencian por el nmero de
neutrones (crculo color gris) y no por el nmero de protones(crculo color
rojo) ya que los tres istopos contienen un solo protn. Por lo tanto, el
nmero atmico de los tres istopos es 1 pero el nmero msico vara segn
el istopo: 2 para el Deuterio y 3 para el Tritio.
Hidrgeno Deuterio Tritio
( H ) ( H ) ( H)
CONFIGURACION ELECTRONICA
Se entiende por configuracin electrnica la distribucin ms estable, y por
tanto ms probable, de los electrones en torno al ncleo. La distribucin
electrnica nos permite conocer el nmero de electrones que posee ese
elemento en su ltima capa o nivel de energa y que se denominan
electrones de enlaces.
1
1
21
3
1
Actividad de control 1: Indique el nmero de neutrones queposee un elemento cuya masa atmica es 14 y su nmeroatmico es 6. Explique brevemente su respuesta.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
9/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
10/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
11/39
11
De acuerdo con estas reglas el orden es el siguiente:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s
Los nmeros representan los niveles de energa y las letras los subniveles.
3.- Principio de exclusin de Pauli. En cada orbital slo puede haber 2
electrones y deben girar en sentido contrario, es decir, deben tener spines
diferentes.
4.- Principio de Hund o de mxima multiplicidad. Un segundo electrn no
entra en un orbital que est ocupado por otro mientras que haya otro orbital
desocupado de la misma energa
Tomando en consideracin todo lo expuesto con relacin a la distribucin
electrnica, pasaremos a realizar las distribuciones electrnicas de algunos
elementos importantes:
Ejemplo 1:
Escriba la distribucin electrnica del elemento Oxgeno y represntelagrficamente. El nmero atmico es 8.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
12/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
13/39
13
Las flechas representan a los electrones y sus direcciones opuestas a los
spines o giros del electrn.
Para el Oxgeno la representacin grfica de la distribucin electrnica es la
siguiente:
1s2 2s2 2px2 2py 2pz
Ejemplo 2:
Escriba la distribucin electrnica del elemento Carbono y represntela
grficamente. Nmero atmico 6.
Respuesta:
1.- El nmero atmico nos indica que el tomo de Carbono presenta 6
protones en su ncleo y, por ende, 6 electrones en su corteza. Esto asegura
la neutralidad del tomo de Carbono.
2.- Se distribuyen los 6 electrones en los diferentes orbitales, siguiendo el
orden establecido segn el diagrama de Moeller.
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s
Al 1s se le asignan 2 electrones, restan 4.
Al 2s se le asignan 2 electrones, restan 2.
Al 2p se le asignan los 2 electrones restantes.
La distribucin electrnica del Carbono es: 1s2, 2s2, 2p2
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
14/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
15/39
15
de stos tomos con ocho electrones, excepto los tomos que se encuentran
cerca del helio, que completan su ltimo nivel con slo dos electrones.
Los tipos fundamentales de enlace que se abordarn en este tema son el
inico, el covalente y las fuerzas intermoleculares, llamadas por algunos
autores como enlaces no covalentes. Para comprender todos estos tipos de
enlaces, es primordial estudiar lo relacionado con la electronegatividad de los
elementos qumicos.
Electronegatividad:
La electronegatividad puede definirse como la fuerza de atraccin que ejerce
un tomo sobre los electrones de otros cuando forman un enlace qumico. Si
un tomo tiene una gran tendencia a atraer electrones se dice que es muy
electronegativo y si tiene poca tendencia a atraer electrones se dice que es
muy electropositivo o con baja electronegatividad.
En la tabla peridica, a medida que avanzamos (de izquierda a derecha) en
un periodo los elementos son ms electronegativos y, por el contrario, a
medida que avanzamos (de arriba hacia abajo) en un grupo disminuye la
electronegatividad de los elementos. Eso implica que los elementos situados
a la derecha de la tabla peridica (no metales) tienden a ser muy
electronegativos y los elementos situados a la izquierda y en el centro de la
tabla (metales), tienden a ser muy electropositivos.
Los diferentes valores de electronegatividad se clasifican segn diferentes
escalas, entre ellas se encuentra la escala de Pauling que se muestra a
continuacin:
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
16/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
17/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
18/39
18
forma un enlace covalente dobley cuando comparten 6 electrones se forma
un enlace covalente triple. En todos estos enlaces cada tomo aporta la
mitad de los electrones.
Cmo se forman estos tipos de enlaces covalentes?
En la formacin de los enlaces covalentes se produce un solapamiento de los
orbitales de los niveles de energa ms externos de los tomos que forman el
enlace. Cuando el solapamiento de los orbitales es frontal se dice que el
enlace covalente es de tipo sigma ()y cuando el solapamiento es lateral el
enlace covalente es de tipo pi (). Cuando se forma un enlace sencillo, el tipo
de enlace covalente que se forma es sigma (); cuando el enlace es doble
uno de los enlaces es sigma y el otro pi (). En el caso del enlace triple uno
de los enlaces es sigma y los otros dos son de tipo pi () . En la figura se
puede observar como el solapamiento frontral de los orbitales s
o p originan enlaces tipo sigma (), mientras que el
solapamiento lateral de los orbitales p generan enlaces tipo
pi().
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
19/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
20/39
20
Hibridacin sp: En este tipo de hibridacin se encuentran involucrados 1
orbital s y 1 orbital p y forman 2 orbitales nuevos sp.
De acuerdo al tipo de enlace (sencillo, doble o triple) que van a formar los
tomos, se producir un tipo especfico de hibridacin. Para formar enlaces
sencillos el tipo de hibridacin que se produce se denomina sp3, en este tipo
de hibridacin se encuentran involucrados 1 orbital s y 3 orbitales p. Cuando
se van a formar enlaces dobles se produce una hibridacin del tipo sp2, en lacual se encuentran implicados 1 orbital s y 2 orbitales p, el orbital p que no se
hibridiz forma el doble enlace y cuando se van a formar enlaces triples se
produce una hibridacin sp, constituida por 1 orbital s y 1 p, los otros dos
orbitales p no hibridizados van a formar los otros dos enlaces para generar el
enlace triple.
Ejemplo1
Hibridacin sp3del carbono
El tomo de carbono tiene la siguiente distribucin electrnica: 1s2, 2s2, 2p2
La representacin grfica de la distribucin electrnica de este elemento es:
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
21/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
22/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
23/39
23
En este proceso de hibridacin, lo primero que ocurre es que uno de los
electrones ubicado en el orbital s es transferido al orbital 2pz y
posteriormente se produce la hibridacin del orbital s con 2 de los
orbitales p, originando 3 nuevos orbitales denominados sp2, se llaman asporque se unieron 1 orbital s y 2 orbitales p, el orbital p restante formar
el doble enlace. De esta forma, el carbono logra formar sus 4 enlaces
covalentes.
Recuerda que los enlaces sencillos son de tipo sigma () y los enlaces
dobles estn formados por un enlace sigma y otro pi ().
Grficamente puede representarse de la siguiente manera:
1s2 2s 2px 2py 2pz 1s2 sp2 sp2 sp2 spz
C
Grficamente, la hibridacin sp2del carbono se muestra en la figura de abajo.
Este tipo de hibridacin permite que el carbono adquiera una estructura
espacial triangular cuando forma sus enlaces. Esta estructura le permite al
tomo de carbono formar dos enlaces sencillos y uno doble con otros
elementos o con el mismo.
hibridacin
Las lneas de color negro corresponden alos enlaces sencillos y las rojascorresponden al enlace doble.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
24/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
25/39
25
C
Grficamente, la hibridacin spdel carbono se muestra en la figura de abajo.
Este tipo de hibridacin permite que el carbono adquiera una estructura
espacial lineal cuando forma sus enlaces. Esta estructura le permite al tomo
de carbono formar un enlace sencillo y uno doble con otros elementos o con
el mismo.
Ejemplo 2
Hibridacin sp3del Oxgeno
El tomo de Oxgeno presenta la siguiente distribucin electrnica:
1s2, 2s2, 2p4
La representacin grfica de la distribucin electrnica de este elemento es:
1s2 2s2 2px2 2py 2pz
La lnea de color negro representa el
enlace sencillo y las lneas de color rojocorresponden al enlace triple.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
26/39
26
Si el tomo de Oxgeno va a formar enlaces sencillos, se debe producir una
hibridacin sp3. Este tipo de hibridacin se produce de la siguiente manera:
Como se observa el nivel energtico mas externo es el 2 que contiene 6
electrones, por lo tanto el carbono requiere de 2 electrones adicionalespara completar los 8 electrones y cumplir la regla del octeto, alcanzando
as su mxima estabilidad.
Estos 2 electrones lo obtiene el Oxgeno formando 2 enlaces (en este
caso sern enlaces sencillos)
En este nivel de energa (nivel 2) los electrones ocupan dos orbitales
distintos: el orbital s y el orbital p, por lo se debe producir la hibridacin de
estos orbitales y originar cuatro nuevos orbitales sp3(mezcla de 1 orbital
s y 3 orbitales p) para poder formar los enlaces.
Dos de los orbitales hbridos ya tienen sus dos electrones completos
(denominados electrones apareados) y los dos orbitales hbridos
restantes contienen un electrn cada uno (electrones desapareados),
stos ltimos son los responsables de formar los enlaces covalentes.
Recuerda que los enlaces sencillos son de tipo sigma ().
Grficamente la hibridacin sp3puede representarse de la siguiente manera:
1s2 2s 2px 2py 2pz 1s2 sp3 sp3 sp3 sp3
O
hibridacin
..
..Las lneas negras corresponden a los enlaces
covalentes sencillos y los dobles puntos por encima
y debajo del tomo de Oxgeno corresponden a los
electrones apareados.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
27/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
28/39
28
POLARIZACIN DE LOS ENLACES COVALENTES
Como se plante anteriormente, los elementos tienen la capacidad de atraer
los electrones cuando forman un enlace qumico. A esta propiedad ladenominamos ELECTRONEGATIVIDAD.
Cuando se forma un enlace covalente, los dos tomos enlazados comparten
electrones. Si los tomos del enlace covalente son de elementos diferentes,
uno de ellos tiende a atraer a los electrones compartidos con ms fuerza, es
decir, uno de ellos es ms electronegativo que el otro. Esto origina que los
electrones, que forman el enlace, pasen ms tiempo del lado del tomo ms
electronegativo. Este fenmeno genera una carga parcial negativa en eltomo ms electronegativo y una carga parcial positiva en el tomo menos
electronegativo, producindose un dipolo permanente entre estos dos tomos
y el enlace que forman se le conoce como enlace covalente polar. La
diferencia de electronegatividades entre los tomos que forman el enlace
covalente polar debe estar en el rango de 0,5 a 2.
Por otra parte, cuando los tomos unidos por un enlace covalente presentan
una diferencia entre sus electronegatividades menor a 0,5 forman un enlace
covalente apolar. Los tomos de un mismo elemento forman este tipo de
enlace porque presentan el mismo nivel de electronegatividad y, por ende,
ninguno de los tomos atrae a los electrones compartidos con ms fuerza que
el otro.
Actividad de control 4:Qu tipo de hibridacin presentan loselementos carbono y oxgeno en los enlaces sealados entrelos asterisco (*). Explique su respuesta.a.- HO - CH *=* Ob.- CH2*=* CH2c.- CH3*-*O-Hd.- HC*
*CH
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
29/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
30/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
31/39
31
El ejemplo biolgico que muestra este tipo de fuerza es la interaccin que se
produce entre el in Fe++ de la
hemoglobina y la molcula de O2. La
molcula de oxgeno es apolar ya queest formada por dos tomos iguales y
la diferencia de electronegatividad es
cero. Esta interaccin es la que
permite la unin reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2
desde los pulmones hacia los tejidos. En la figura de la izquierda (forma
oxigenada de la hemoglobina), se observa como el in ferroso al acercarse a
la molcula de oxgeno la polariza y se establece la interaccin in-dipolo
inducido y el oxgeno se une a l. En la figura de la derecha (forma
desoxigenada de la hemoglobina), cuando el in ferroso se aleja se rompe la
interaccin y el oxgeno queda libre.
Interacciones hidrofbicas: Cuando las molculas apolares se ponen en
contacto con el agua, tienden a asociarse para evitar al mximo la interaccin
con las molculas de este solvente.
Este fenmeno se denomina efecto hidrofbico, el cual es el responsable deque determinados lpidos formen agregados supramoleculares. Entre los
ejemplos biolgicos de fuerzas hidrofbicas podran sealarse:
Las fuerzas hidrofbica que se establecen entre los fosfolpidos que
forman las membranas celulares (forman bicapas)
Las fuerzas hidrofbicas que se establecen en el interior de una micela
durante la digestin de los lpidos
Las fuerzas hidrofbicas que hacen que los aminocidos hidrofbicos
se apien en el interior de las protenas globulares
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
32/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
33/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
34/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
35/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
36/39
36
Respuestas a las actividades controles
Actividad control 1:
Masa atmica = protones + neutrones
Nmero atmico= protones
Neutrones = Masa atmicaprotones
Neutrones= 146 = 8
El nmero de neutrones presentes en el ncleo de este elemento es 8.
Actividad control 2:
La configuracin electrnica del sodio es: 1S2, 2S2, 2P6,3S1
Esquematicamente se representa de la siguiente manera:
1S2 2S2 2Px 2Py 2Pz 3S1
Actividad control 3:
Compuesto Tipo de enlace
NaCl Ionico
Cl2 Covalente no polar
HF Covalente polar
NaCl: El elemento sodio posee en su nivel de energa ms externo 1 electrn
y en el nivel inmediato inferior 8 electrones, por lo tanto el sodio tiende a
perder 1 electrn para cumplir la regla del octeto. Por otra parte, el cloro
posee 7 electrones en su nivel de energa mas externo por lo que tiende a
ganar 1 electrn para cumplir la regla del octeto. La diferencia de
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
37/39
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
38/39
38
formarn el enlace sencillo (sigma) y el orbital p que no particip en la
hibridacin formar el doble enlace (pi).
c.- CH3*-*O-H: Tanto el tomo de carbono como el tomo de oxgeno
presentan hibridacin sp3. Esto es debido a que cuando estos tomos forman
enlaces sencillos, se produce la hibridacin de un orbital s y tres orbitales p.
Los orbitales hibridizados formarn los enlaces sencillos (sigma).
d.- HC*
*CH:El tomo de carbono presentan hibridacin sp. Esto es debido
a que cuando este elemento forman un triple enlace, se produce la
hibridacin de un orbital s y un orbitales p. Los orbitales hibridizados formarn
el enlace sencillo (sigma) y los orbitales p que no participaron en la
hibridacin formar el triple enlace (pi).
Actividad control 5: El HF es ms polar que el HCl debido a que la
diferencia entre las electronegatividades del hidrgeno y el flor (4-2,1=1,9)
es mayor que la diferencia entre el hidrgeno y el cloro (32,1 = 0,9).
Actividad control 6:
a.- Na+ y H2O: Interaccin in dipolo. El sodio es un in y el agua es una
molcula polar.
b.- cido linolicoy H2O: Interacciones hidrofbicas. El cido linolico es un
cido graso y el agua una molcula polar.
c.- H2O y metanol (CH3OH): Puentes o enlaces de hidrgeno. Ambas
molculas son polares y el tomo de hidrgeno se encuentra unido a un
elemento altamente electronegativo.
d.- cido araquidnico y cido araquidnico: Interaccin dipolo
instantneo- dipolo inducido. Las dos sustancias son cidos grasos.
e.- Metanol y propano. Interaccin dipolo-dipolo inducido. El metanol es una
molcula polar y el propano una molcula apolar.
-
7/24/2019 Estructura Del Atomo y Enlace Quimico1 (1)
39/39