[Química 2º Bachillerato] Ejercicios + Soluciones: Fundamentos de la química del carbono

BS_Quimica2Bac_08_PAU

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Química

Fundamentos de la química del carbono

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1 Ordena los compuestos que se relacionan a continuación según sus puntos de ebullición crecientes, justificando la respuesta con arreglo a los diferentes tipos e intensidad de las fuerzas intermoleculares que se presentan en cada caso:

a) Butano.

c) 1-Butanol.

b) Pentano.

d) Butanal.

El pentano y el butano son moléculas no polares, con enlaces también prácticamente apolares que no presentan más atracción intermolecular que la derivada de las fuerzas de Van der Waals. Serán los compuestos con un punto de ebullición más bajo, algo mayor en el pentano debido a que su masa molecular es mayor que la del butano. A continuación se sitúa el butanal, pues su enlace CuO está fuertemente polarizado debido a la diferencia notable de electronegatividades entre ambos átomos. Esta polarización facilita la interacción dipolo-dipolo de modo permanente. Finalmente, el punto de ebullición mayor debe adjudicarse al 1-butanol, pues la presencia del grupo UOH permite la existencia de enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas. Estos enlaces son más fuertes que los anteriores y, en consecuencia, el compuesto será menos volátil. 2 a) Define los conceptos de intermedio de reacción, reactivo nucleófilo y reactivo electrófilo.

b) Indica la estructura de los principales tipos de intermedios en química orgánica y especifica el carácter nucleófilo o electrófilo de cada uno de ellos. a) • Los intermedios de reacción son aquellas especies químicas procedentes de la ruptura de enlaces que tienen un cierto tiempo de vida antes de transformarse en los productos definitivos de la reacción. • Un reactivo nucleófilo es aquel que presenta pares de electrones no compartidos (base de Lewis) y que ataca las zonas de baja densidad electrónica de los reactivos sustratos. • Un reactivo electrófilo es aquel que presenta deficiencia de electrones o gran afinidad por ellos, al poseer orbitales vacíos (ácido de Lewis), y que ataca las zonas de elevada densidad electrónica de los reactivos sustratos. b) Los intermedios de reacción pueden provenir de rupturas homolíticas (y se tratará de radicales) o heterolíticas (y serán carbocationes o carbaniones que tendrán carácter electrófilo o nucleófilo, respectivamente). (Véase la página 309 del libro del alumno.) 3 Explica los diversos tipos de enlace del átomo de carbono.

Se mencionarán los enlaces simples, dobles y triples del átomo de carbono, en función de la hibridación que presenta en cada caso (sp3, sp2 y sp). Se indicará la geometría implicada en cada caso y la posibilidad de que existan isómeros. En el caso de los dobles enlaces, se comentarán los sistemas de enlaces deslocalizados, como el benceno y otros compuestos aromáticos. Además de los ejemplos de alcanos, alquenos y alquinos, se citarán también los dobles y triples enlaces que los átomos de carbono pueden establecer con otros átomos como los de oxígeno, azufre o nitrógeno. (Véanse las páginas 285-286 del libro del alumno.) © Grupo Editorial Bruño, S. L.

8/Fundamentos de la química del carbono

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Química 4 Formula y nombra los isómeros que posean fórmula empírica C4H10O e indica el tipo de isomería al que pertenecen.

• Los posibles isómeros y sus nombres son: A: CH3UCH2UCH2UCH2OH, B: CH3UCH2UCHOHUCH3, C: CH3UCH(CH3)UCH2OH, D: CH3UCOH(CH3)UCH3,

1-butanol 2-butanol

meti l-1-propanol

E: CH3UOUCH2UCH2UCH3,

metil-propil éter

F: CH3UCH2UOUCH2UCH3,

dietil éter

G: CH3UOUCH(CH3)UCH3,

metil-isopropil éter

metil-2-propanol

C

H3C

OH

H

H2C — CH3 — —

— —

H2C — CH3

C

H3C

2-(R)-Butanol

H

OH

2-(S)-Butanol

• A y B son isómeros de posición; A y C, de cadena; A y E, de función. B (2-butanol) tiene isómeros ópticos (R-S) debido al carbono asimétrico. 5 Para los cinco siguientes compuestos:

CH3UCH2UCOOH CH3UCH2UCH(NH2)UCH2UCH3 CH3UCH(NH2)UCH2UCH3 CH3UCHOHUCH3 CH3UCHOHUCH2UCH3 a) Explica si presentan isomería óptica. b) Dibuja las estructuras de los correspondientes isómeros. a) Presentarán isomería óptica aquellos que tengan un carbono asimétrico, es decir, con cuatro sustituyentes distintos. En este caso se encuentran: CH3UCH(NH2)UCH2UCH3

CH3UCHOHUCH2UCH3

2-Butilamina

2-Butanol

b) La representación convencional de sus isómeros R-S es:

C

H3C

NH

H

H2C — CH — —

— —

H2C — CH

C

H3C

H

NH2

H2C — CH3

H2C—CH3

C

H3C

OH

H

2-(R)-Butanol

— —

2-(S)-Butilamina

— —

2-(R)-Butilamina

C

H3C

H

OH

2-(S)-Butanol

6 Indica la fórmula molecular y qué grupo o grupos funcionales presenta cada uno de los siguientes compuestos:

a) CH3UCOOH b) CH3UCOUCH3 c) CH3UCH2UCl d) CH3UCHOHUCH3 © Grupo Editorial Bruño, S. L.

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Química e) CH3UCHOHUCOOH f) CH3UCHOHUCHO a) C2H4O2, ácido.

d) C3H8O, alcohol.

b) C3H6O, cetona.

e) C3H6O3, ácido y alcohol.

c) C2H5Cl, halogenuro.

f) C3H6O2, aldehído y alcohol.

7 Formula y nombra todas las aminas primarias que tengan un radical alquílico saturado de cuatro átomos de carbono. Indica razonadamente los tipos de isomería que se pueden dar.

• A: CH3UCH2UCH2UCH2UNH2, B: CH3UCHNH2UCH2UCH3,

n-butilamina.

2-butilamina.

C: CH3UCH(CH3)UCH2UNH2,

isobutilamina.

• A y B son isómeros de posición. A y C, lo mismo que B y C, son isómeros de cadena. La 2-butilamina presenta isomería óptica en el carbono 2. La representación convencional de sus isómeros RUS es:

C

H3C

H2C—CH3 — —

— —

H2C—CH3

C

NH2

H3C

H

2-(R)-Butilamina

H

NH2

2-(S)-Butilamina

8 Representa mediante un diagrama de solapamiento de orbitales la estructura del etanal, sabiendo que los ángulos de enlace en torno al carbono C(1) son de 120°y los de C(2) son de 109°, aproximadamente. Justifica cuál será el centro de ataque preferido por un reactivo electrófilo y cuál por un nucleófilo.

El C(1) y el O presentan una hibridación sp2 que reserva un orbital p para formar un enlace n entre ellos. El C(2) presenta hibridación sp3. Se forman enlaces σ entre los H y los C y otro enlace σ entre el C(1) y el O. El grupo carbonilo presenta una polarización neta por la diferencia de electronegatividades entre el C y el O: u CuuO δ− U

δ+

Esto hace que el C(1) sea un objetivo para reactivos nucleófilos y, en cambio, el O para reactivos electrófilos. 9 Explica el concepto general de isomería y sus tipos. Pon algunos ejemplos.

Se dice que dos compuestos son isómeros cuando presentan la misma fórmula empírica y difieren en alguna de sus fórmulas estructurales. Se puede distinguir entre isomerías estructurales y estereoisomerías. Entre las isomerías estructurales se cuentan: • La isomería de cadena como la que presentan el hexano y el 2,3-dimetilbutano: CH3UCH2UCH2UCH2UCH2UCH3 Hexano

CH3UCHUCHUCH3 h h CH3 CH3 2,3-Dimetilbutano

• La isomería de función, ejemplos de la cual son el etanol y el dimetil éter: CH3UCH2OH Etanol

CH3UOUCH3 Dimetil éter

• La isomería de posición, como la del butanol: CH3UCH2UCH2UCH2OH 1-Butanol

CH3UCH2UCHOHUCH3 2-Butanol

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Química Entre las estereoisomerías, se distinguen: • La isomería óptica, como la del 2-butanol:

C

H3C

H2C—CH3

— —

— —

H2C —CH3

C

OH

H3C

H

2-(R)-Butanol

H OH

2-(S)-Butanol

• La isomería cis−trans, o geométrica, como la del 1,2-dicloroeteno: —C C—

H

H

Cl

cis-1,2-Dicloroeteno

Cl

—

—

—

—

H

Cl

—

—

H

—C C—

—

—

Cl

trans-1,2-Dicloroeteno

(Véanse las páginas 292-298 del libro del alumno.) 10 ¿Qué ataque sufrirá más fácilmente un alqueno, el de un reactivo nucleófilo o el de un reactivo electrófilo? Justifica la respuesta mediante un ejemplo.

Un alqueno posee como centro más reactivo su doble enlace CuC. Este enlace es una zona de elevada densidad electrónica y los electrones que forman el enlace π están, además, situados en el exterior del espacio internuclear. Por tanto, los alquenos sufren más fácilmente el ataque de un reactivo electrófilo. Por ejemplo, en el ataque de un ácido hidrácido como el ácido clorhídrico, primero se produce el ataque electrófilo del ion H+ sobre el doble enlace y, posteriormente, el ataque del ion nucleófilo sobre el catión formado: CH2uCH2 + HB

B

CH2UCH3

B

CH2UCH3 + Brv

CH2BrUCH3

(Véanse las páginas 307 y 308 del libro del alumno.) 11 ¿Qué se entiende por isomería cis-trans? Formula los isómeros cis y trans del 2-buteno.

H

cis-2-Buteno

H3C

—

C— C

CH3

—

—

H

H

—

—

—C C—

CH3

—

—

H3C

—

La isomería cis-trans consiste en la existencia de dos moléculas distintas debido solo a la posición relativa de dos de sus átomos o grupos de átomos. La existencia de dos isómeros es típica de los dobles enlaces pero también la presentan los compuestos cíclicos que impiden la libre rotación de los enlaces. Se designa como cis el isómero que posee los dos átomos o grupos iguales en el mismo lado del plano perpendicular al que contiene los átomos en cuestión y aquellos a los que están unidos directamente. Se designa como trans aquel isómero en el cual los dos átomos o grupos iguales están en el lado contrario (véase la página 296 del libro de alumno). En el caso del 2-buteno:

H

trans-2-Buteno

12 Formula los siguientes compuestos:

a) 1-Hidroxibutanona. b) Ácido 3-metilpentanoico. c) 1,2-Dicloroeteno. d) Propanoato de etilo. e) Fenilpropanal. f) Ciclobutilamina. Si alguno de los compuestos formulados presenta isomería geométrica, indica cuál es y formula y nombra los isómeros correspondientes. © Grupo Editorial Bruño, S. L.

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Química a) CH3UCH2UCOUCH2UOH

b) CH3UCH2UCHUCH2UCOOH h CH3

c) CHCluCHCl

e)

—

CH—NH2

—

f) H2 C

d) CH3UCH2UCOOUCH2UCH3

CH2

—

—

— CH2 —CH2 —CHO

CH2 El 1,2-dicloroeteno presenta dos isómeros geométricos: —

—C C—

H

Cl


Cl

—

—

—

H

Cl

—

—

H

—C C—

—

—

Cl

H


13 Formula o nombra, según corresponda, los siguientes compuestos orgánicos:

a) 1-Buten-3-ino. b) 3-Metil-1-butanol. c) CH3UCH2UCH(CH3)UCH2UCHO d) NH2UCH2UCH2UCH3 e) CH3UCOOUCH2UCH3 ¿Qué productos se obtienen en la deshidratación de los alcoholes? Pon tres ejemplos. a) CH2uCHUCICH

c) 3-Metilpentanal

b) CH3UCHUCH2UCH2OH h CH3

d) 1-Propilamina

e) Etanoato de etilo

La deshidratación de los alcoholes produce alquenos cuando se emplea un deshidratante potente como el ácido sulfúrico y se efectúa la reacción a elevada temperatura:

H2SO4

—C H2C —

—

—

H3C—C—OH

CH3

—

—

CH3

CH3

H2SO4

CH3 —CH2OH

CH3

— CH CH2 — 2

Pero si la reacción se realiza a temperatura suave (menor de 150 °C) la deshidratación es intermolecular y se producen éteres (véase la página 314 del libro del alumno): CH3UCH2OH

H2SO4, 140 °C

CH3UCH2UOUCH2UCH3

14 Explica cuál de los siguientes carbocationes presenta mayor estabilidad y propón una posible reacción en la que intervenga alguno de ellos: B

a) CH3UCH2UC H2 B

b) CH3UC HUCH3 B

c) (CH3)3C

a) Los carbocationes terciarios son más estables que los secundarios, estos más que los primarios y estos más que el del metilo. Ello se debe al efecto inductivo positivo I+ de los grupos alquilo unidos al carbocatión. Así, en este caso, el orden de estabilidad será: B

CH3UCH2U CH2

B

< CH3U CHUCH3

B

< (CH3)3 C



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Química b) Los carbocationes aparecen como intermedios en las reacciones en las que se producen roturas heterolíticas de los enlaces. Por ejemplo, en el ataque electrófilo de HBr a propeno: CH3UCHuCH2 + HB B

CH3U CHUCH3 + Brv

B

CH3U CHUCH3 CH3UCHBrUCH3

(Véase la página 307 del libro del alumno.) 15 a) ¿Qué entiendes por isomería? ¿Qué tipos de isomería conoces? Para cada tipo utiliza un ejemplo que lo clarifique.

b) Escribe las fórmulas estructurales de todos los isómeros de C4H9Cl y nombra los compuestos que formules. a) Veáse el ejercicio 53, así como las páginas 292-298 del libro del alumno. b) C4H9Cl corresponde a la fórmula de un butano monoclorosustituido. Los posibles isómeros de cadena de C4H9Cl son: CH2ClUCH2UCH2UCH3 1-Clorobutano

CH3UCHUCH2Cl h CH3 1-Cloro-2-metilpropano

CH3UCHClUCH2UCH3 2-Clorobutano

CH3UCClUCH3 h CH3 2-Cloro-2-metilpropano

Además, el 2-clorobutano posee un C asimétrico, con lo cual presenta dos isómeros ópticos:

C

H3C

H2C — CH3 — —

— —

H2C — CH3

C

Cl

H3C

H

2-(R)-Clorobutano

H

Cl

2-(S)-Clorobutano

16 Define y pon un ejemplo de las siguientes reacciones:

a) Reacción de adición. b) Reacción de sustitución. a) Una reacción de adición es aquella en la que los átomos de un reactivo se unen a los de otro reactivo sin que se produzca pérdida o eliminación de cualquier otro átomo o grupo de átomos. Son típicas de los dobles y triples enlaces (véase la página 313 del libro del alumno). Por ejemplo: CH3UCHuCH2 + HBr

CH3UCHBrUCH3

b) Las reacciones de sustitución son aquellas en las que algunos átomos del reactivo sustrato son sustituidos por otros del reactivo atacante. Son típicas de los compuestos aromáticos (véase la página 310 del libro del alumno). Por ejemplo:

+ Cl2

—

Cl + HCl

17 El etanol y el dimetil éter son isómeros estructurales:

a) ¿Qué isomería presentan? b) Escribe sus fórmulas. c) Compara sus puntos de ebullición y solubilidad en agua. Justifica las respuestas. a) Presentan isomería de función. Su fórmula empírica es la misma, C2H6O, pero el etanol es un alcohol y el dimetil éter es un éter, como su nombre indica. © Grupo Editorial Bruño, S. L.

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Química b) • Etanol:

CH3UCH2OH (alcohol).

• Dimetil éter:

CH3UOUCH3 (éter).

c) El etanol presenta entre sus moléculas enlaces por puentes de hidrógeno que son mucho más fuertes que las fuerzas de Van der Waals, las únicas que existen entre las moléculas de dimetil éter. Esto condiciona que el etanol sea un líquido menos volátil que el dimetil éter y tenga un punto de ebullición más elevado (Te = +78,4 °C) que este, que es un gas a temperatura ambiente (Te = −23,7 °C). El etanol también puede establecer enlaces por puentes de hidrógeno con las moléculas de agua en el caso de que ambas sustancias se mezclen, de modo que la solubilidad en agua será elevada (de hecho, son miscibles en cualquier proporción) mientras que el dimetil éter será una sustancia apolar soluble en agua, pero menos, gracias a que su oxígeno también puede formar enlaces por puentes de hidrógeno con los hidrógenos del agua y a que sus grupos alquilo no son demasiado voluminosos. Para éteres superiores, la solubilidad disminuye drásticamente. 18 a) Representa mediante un diagrama de Lewis la molécula de eteno y describe su geometría.

b) ¿Tiene isómeros el eteno?; ¿y el 1,2-dicloroeteno?; ¿por qué? Los números atómicos del H y del C son 1 y 6, respectivamente.

—C C—

H La molécula es plana con los enlaces de cada C formando ángulos de 60°. Esta geometría se explica a partir de la hibridación sp2 que preH sentan los átomos de C. (Véase la página 282 del libro del alumno.)

—

—

H

—

H C— C H H

—

a) H

H

b) El eteno no posee isómeros porque los cuatro sustituyentes de los C son iguales, pero el 1,2-dicloroeteno sí presenta dos isómeros: —

C— C

H

H

Cl


Cl

—

—

—

H

Cl

—

—

H

—C C—

—

—

Cl


19 Escribe las fórmulas desarrolladas e indica el tipo de isomería que presentan entre sí las siguientes parejas de productos químicos.

a) b) c) d)

Propanal y propanona. 1-buteno y 2-buteno. 2,3-dimetilbutano y 3-metilpentano. Etil metil éter y 1-propanol.

H3C—CH2 —C

O

— —

O

—

— —

a) Isomería de función:

H3C—C—CH2

H propanal

propanona

b) Isomería de posición: — CH—CH2 —CH3 H2C —

— CH—CH3 H3C—CH —

1-buteno

2-buteno

c) Isomería de cadena:

H3C—CH—CH—CH3 2,3-dimetilbutano

CH3

—

—

—

CH3 CH3

H3C—CH2 —CH—CH2 —CH3 3-metilpentano

d) Isomería de función: H3C—CH2 —O—CH3

HO—CH2 —CH2 —CH3

etil metil éter

1-propanol



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Química 20 a) Formula los siguientes compuestos orgánicos:

2-propanol; 2-metil-1-buteno; ácido butanoico; N-metil etilamina. b) Nombra los siguientes compuestos orgánicos: I) CHOUCH2UCH2UCH3 II) CH3UCH2UCOOUCH3 c) Escribe la reacción de obtención de II) e indica de qué tipo de reacción se trata.

— —

— C—CH2 —CH3 H2C —

H3C—CH2 —CH2 —C

O H3C—CH2 —NH—CH3

—

a) H3C—CH—CH3

CH3

—

—

OH

H 2-propanol

2-metil-1-buteno

b) I) CHOUCH2UCH2UCH3

N-metil etilamina

Butanal

II) CH3UCH2UCOOUCH3

Propanoato de metilo

c) CH3UCH2UCOOH + CH3OH Ácido propanoico

ácido butanoico

CH3UCH2UCOOUCH3 + H2O

Metanol

Propanoato de metilo

Agua

Se trata de una reacción de esterificación que es un caso de reacción de sustitución.

CH2 —OH propen-1,3-diol

—C C—

H3C—O

H

—

H

—

—

H

H

—

—

—C C—

—

—

HO

—

21 Formula y nombra dos compuestos orgánicos cuya fórmula molecular sea C3H6O2.

OH

2-hidroxietenil, metil éter

22 Los hidrocarburos de cadena ramificada producen en los motores de combustión menos detonación que los compuestos de cadena lineal. Por eso, el 2,2-dimetilbutano tiene un octanaje mayor que el n-hexano (hexano lineal). Formula estos dos compuestos y señala el tipo de isomería que presentan.

—

CH3

—

H3C—C—CH3

H3C—CH2 —CH2 —CH2 —CH3

CH3 2,2-dimetilbutano

n-hexano


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[Química 2º Bachillerato] Ejercicios + Soluciones: Fundamentos de la química del carbono

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