El estudio del carbono es muy amplio, las propiedades del carbono son las que nos permitan explicar el cómo y el porqué este elemento puede formar una amplia gama de compuestos orgánicos que son la base de la composición de los seres vivos: animales y vegetales.
También se puede unir con oros elementos formando una gran variedad de compuestos, actualmente se conocen mas de 2 millones de compuestos.
El carbono es el primer elemento de la familia IV A en la tabla periódica . Es un no metal. Se une químicamente con otros elementos para formar compuestos inorgánicos, como carburos (CaC2), óxidos (CO2) y sales (Na2CO3); pero también forma una inmensa gama de compuestos orgánicos también llamados compuestos del carbono, los cuales forman parte de las estructuras de los organismos vegetales y animales, los que a su vez son la fuente principal de la alimentación humana.
Alótropos
A pesar de que sus propiedades son completamente diferentes están compuestos por la misma sustancia, y es que se ha comprobado experimentalmente que tanto en el diamante como en el grafito se encuentran formados solamente por átomos de Carbono la razón por la cual son tan distintos es la forma en que sus átomos se entrelazan y se distribuyen adquiriendo estructuras diferentes que establecen formas y características distintas.
El grafito tiene exactamente el mismo tipo de átomos que el diamante, pero por estar unidos y distribuidos en distinta forma, su textura, fuerza y color son diferentes; sin embargo, la descomposición del diamante es extremadamente lenta que sólo es apreciable a escala geológica. A las diferentes estructuras de sustancias con el mismo tipo de átomos se les conoce como formas alotrópicas, en este caso el diamante y el grafito son dos de los alótropos naturales más abundantes del carbono.
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El metano es el compuesto más pequeño de los millones de compuestos que llegan a formarse cuando se combinan átomos carbono e hidrógeno. Su modelo puede representarse de distintas formas.
El carbono forma enlaces covalentes.
Cada enlace covalente se forma con un par de electrones, uno de cada átomo que se une.
En las estructuras desarrolladas de los diferentes compuestos orgánicos es común visualizar el par de electrones que se comparte como una línea que une los símbolos.
Ejercicio
1-
Hidrocarburos
Los átomos de carbono se unen entre sí para formar largas cadenas lineales o ramificadas, que van desde unos cuantos átomos hasta miles de ellos o bien anillos de todos los tamaños; debido a esta característica se considera al carbono, único en la naturaleza, lo que le permite formar una inimaginable cantidad de compuestos; a esta propiedad del carbono se conoce como concatenación.
Los átomos de carbono al combinarse químicamente ya sea entre sí o con átomos de otros elementos siempre forman cuatro enlaces, generalmente covalentes.
Los enlaces carbono-carbono pueden ser simples, dobles o triples.
El átomo de hidrógeno al combinarse químicamente sólo puede formar un enlace que se representa con una sola línea
Los hidrocarburos se clasifican en Alifáticos y Aromáticos. Los alifáticos pueden ser saturados que son Alcanos o Parafinas, o pueden ser Insaturados que son Alquenos u Olefinas, Alquinos o Acetilénicos. Los hidrocarburos Alifáticos pueden ser de cadena abierta o cíclicos los de cadena abierta pueden ser ramificados o no ramificados.
Los hidrocarburos aromáticos son Insaturados deben tener un Anillo bencénico, que pueden ser ramificados o no ramificados.
Los hidrocarburos saturados son aquellos compuestos que tienen el máximo de átomos de hidrógeno en su estructura molecular, es decir están saturados de hidrógeno, estos compuestos solamente presentan enlaces sencillos.
Los hidrocarburos insaturados son aquellos compuestos que tienen al menos un enlace doble o triple entre los átomos de carbono que los forman; debido a que los átomos de carbono al unirse entre sí con enlaces múltiples agotan las posibilidades de enlazarse con el hidrógeno. La cantidad de átomos de hidrógeno que tienen los hidrocarburos insaturados es siempre menor a la de los saturados de igual número de átomos de carbono.
Los alcanos son aquellos hidrocarburos que sólo presentan enlaces covalentes simples, pueden ser cadenas abiertas o cerradas, ramificadas o lineales, mientras que los Alcanos que en su composición tienen menos átomos de hidrógeno que el alcano del mismo número de carbonos, y en su estructura se encuentra por lo menos un enlace doble, también son llamados olefinas.
En la estructura de los alquinos se encuentra por lo menos un enlace triple, también son llamados acetilénicos
Ejercicio
2-
Fórmulas y nomenclaturas de los Hidrocarburos
Existen varias formas de representar las estructuras de los hidrocarburos y cada una tiene sus propias reglas de construcción. Las más comunes son: la desarrollada, la semidesarrollada, de esqueleto, de esferas y palos, y condensada.
En la estructura desarrollada se representan todos los átomos de carbono e hidrógeno, así como sus enlaces, en una estructura plana.
En la estructura se agrupan los hidrógenos al átomo de carbono con el que se encuentran enlazados, esto se hace con cada átomo de carbono para estructuras relativamente cortas.
La estructura de esqueleto consiste en trazar líneas en zig-zag, donde los vértices y los extremos representan átomos de carbono unidos mediante líneas sencillas, dobles o triples, y los hidrógenos no se representan.
En este modelo los átomos son esferas compactas que se unen mostrando el acomodamiento espacial más probable de los átomos de carbono e hidrógeno.
En la estructura condensada se agrupan todos los átomos de carbono e hidrógeno, es útil para ver la composición pero no la estructura.
Se debe identificar el tipo de enlaces que tiene; sencillo, doble o triple; para dar la terminación del nombre.
Si hay enlace doble o triple, se enumeran los átomos de carbono asignándole la menor posición al enlace múltiple.
Se nombra el hidrocarburo empezando por la posición del enlace doble o triple y posteriormente se escribe el nombre de la cadena principal.
Se identifican las ramificaciones y el número de átomos de carbono que las forman para asignarles nombre, se utilizan las mismas raíces griegas pero se les da terminación - il
Se nombra la estructura enlistando las ramificaciones en orden alfabético indicando su posición, y posteriormente se nombra la cadena principal.
Ejercicio
3-
Compuestos del carbono
La vitamina B1 tiene acción benéfica sobre el sistema nervioso y la actitud mental. Favorece el crecimiento y ayuda a la digestión de carbohidratos y lípidos, entre otras funciones. La estructura química de la vitamina B1 es la responsable de tales propiedades.
En la imagen se observan los átomos de nitrógeno y de azufre indicando el número de enlaces que se había preestablecido con los modelos de Lewis, esto es 3 enlaces para los átomos de nitrógeno y 2 enlaces para los de azufre.
Ejercicio
4-
Isomería
A partir de 4 átomos de carbono podemos encontrar dos o más compuestos con la misma cantidad de átomos, en otras palabras, tienen la misma fórmula molecular o condensada, sin embargo, la distribución atómica de éstos es diferente, es decir, sus estructuras no son iguales.
Estos compuestos reciben el nombre de isómeros, que tienen la misma composición atómica pero diferente fórmula estructural, por esto es necesario conocer la fórmula desarrollada o semidesarrollada, para saber qué tipo de compuesto es y poderlo diferenciar del otro, además la estructura podrá ayudar a explicar mejor las propiedades de cada isómero.
Entre mayor sea el número de átomos en un compuesto, mayores son las posibilidades de formar diferentes isómeros.
Entre mayor sea el número de átomos en un compuesto, mayores son las posibilidades de formar diferentes isómeros.
La isomería estructural se divide en tres:
-Cadena: Es la que presentan las sustancias cuyas fórmulas difieren únicamente en la disposición de los átomos de carbono.
-De posición: Es la que presenta sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la posición de su grupo funcional sobre el esqueleto de carbonos.
-De función: Es la que presenta sustancias con la misma fórmula molecular teniendo diferente grupo funcional, por ejemplo, C3H6O, puede corresponde a la molécula éter etil-metílico (función éter) o al 2 propanol (función alcohol).
Ejercicio
5-
Relación entre estructura de las moléculas y las propiedades de los compuestos
Los isómeros también presentan diferentes propiedades debido a su estructura. Esto se puede observar en los Isómeros C5H12, dónde se puede apreciar que al aumentar el número de ramificaciones en la estructura, el punto de ebullición disminuye y el estado físico cambia.
N pentano
-Es ligeramente soluble en agua, soluble en etanol, y muy soluble en éter etílico. Su punto de fusión es -129.7 °C, su punto de ebullición es 36.1 °C. Es liquido a temperatura ambiente.
Metil Butano
-Es insoluble en agua, soluble en etanol y muy soluble en éter etílico, su punto de fusión es de -160 °C, su punto de ebullición es de 27.9 °C. Es liquido a temperatura ambiente.
Dimetilpropano
-Es insoluble en agua, soluble en etanol y en éter etílico, su punto de fusión es -16.6 °C, su punto de ebullición es 9.5 °C. En estado ambiente es un gas con densidad de 586 g/l
Actividad Final
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