Relación entre estructura molecular y reactividad

1. Introducción

Antes de considerar el efecto inductivo te propondremos un ejercicio facil de efectuar hagamos el siguiente análisis:

1. Imagínate un recipiente que contiene agua caliente.

2. Introducele 3 láminas metálicas de diferentes tamaños (pueden ser cuchillos, cucharillas, etc.)

3. Al poco tiempo si tocas cada una de ellas, observarás que el calor se ha transmitido a lo largo de las láminas, pero en la más corta el efecto es mayor en su extremo exterior, y disminuye a medida que aumenta la longitud del material (lámina).

2. Efecto inductivo

Si observas la Tabla 1, te darás cuenta que el F, O, CI, N y Br poseen valores de electronegatividades mayores que la del carbono, por lo tanto, todo enlace covalente que se entre el C y cualquiera de los átomos anteriormente señalados, está polarizado, es decir, los electrones del enlace son atraidos en mayor grado por el átomo más electronegativo, una carga parcial negativa (δ-) y dejando al C deficiente de electrones, con lo cual e una carga parcial positiva (δ+).

Si el átomo de carbono unido al cloro (o a otro átomo más electronegativo que el C) está a su vez unido a otros átomos de carbono, esta acción es transmitida a través de ellos, como es del calor en las láminas metálicas introducidas en el agua caliente.

La acción del átomo de cloro (u otro átomo más electronegativo que el C) en su apropia parcial de los electrones del enlace C-Cl, conduce al C, a un débil déficit electrónico, este a su vez, intenta recuperar su estado original atrayendo hacia él los electrones que forman enlace que lo une al C₂, y asi se continúa a lo largo de la cadena. Es lógico suponer y así sucede, que el efecto del Cl sobre el C es mayor, menor sobre el C1 y así sucesivamente, debilitándose rápidamente a través de la cadena, dejando de ser perceptible a partir del C₂.

Lo considerado anteriormente se conoce con el nombre de efecto inductivo, es decir, «el proceso por el cual un elemento más electronegativo que el carbono, atrae los electrones de los enlaces a través de la cadena carbonada».

La mayoría de los átomos o grupos atómicos que pueden sustituir hidrógeno en una molécla orgánica, son más electronegativos que el carbono y, en consecuencia, ejercen el efecto inductivo. Estos átomos o grupos de átomos son aceptores de electrones, por ejemplo.

Es conveniente señalarte que los radicales alquilos (-R, -CH₃ - CH₂CH₃, etc.) y los metálicos en los compuestos de Grignard son dadores de electrones, polarizando negativamente a los átomos de carbono a los cuales están unidos.

En este caso el efecto inductivo lo ejerce el átomo de C.

Cualquiera que sea el efecto inductivo experimentado por el átomo de carbono, afecta la reactividad química del compuesto en el cual se encuentre. Asi vemos que:

a) Una región de la molécula de elevada densidad electrónica dificilmente es atacada por un ion negativo (ejemplo OH-), pero lo es facilmente por un ion positivo (ejemplo H+).

b) Una región de la molécula de baja densidad electrónica es atacada con facilidad por un ión positivo.

Preguntas de control:

1. Usa la Tabla de Electronegatividades y organiza de mayor a menor polaridad los enlaces C-F, C-N, C-Br, y C-Cl.

2. El F está unido a una cadena de 4 átomos de C. Explica qué sucede con los enlaces. Representa tu explicación con un gráfico.

3. Define efecto inductivo.

4. Escribe 6 átomos o grupos de átomos que acepten electrones.

5. Explica cómo actúan los grupos alquílicos y los compuestos de Grignard cuando están unidos a un átomo de carbono.

6. Explica cómo el ion OH- atacaría al enlace C→F

5 Puntos para hablar en público

1. Háblale a tu audiencia en "su idioma"

Exprésate con términos comprensibles para cualquiera de los presentes.

Si usas un lenguaje más técnico, trata de explicar tu punto con ejemplos prácticos.

2. Dialoga con ellos, no emitas, comunica

Asegúrate de que el m masaje no solo le ha llegado a tu audiencia, sino que además, lo ha entendido.

3. Prepara tu charla y practica antes de exponer tus ideas

No pierdas en el camino a tus oyentes, prepara adecuadamente lo que dirás y mantén un orden establecido de tus ideas.

4. Introduce un toque de humor (con responsabilidad)

Un poco de humor siempre dará sazón a tu presentación, no se trata de ser un "hazme reír", se trata de sacar una sonrisa.

5. Diles como pueden seguir aprendiendo

Cuando consigas apasionar a tu auditorio, no los dejes con la duda, indícales cómo pueden seguir profundizando en el tema.

Volumetría

Es la valoración volumétrica que se hace de una solución de concentración desconocida mediante empleo otra solución cuya concentración conoce, en presencia de un indicador adecuado.

La solución concentración se conoce denomina solución estándar.

Esta operación recibe nombre titulación que puede definir como la operación volumétrica mediante la cual determina concentración de una solución, a partir de otra solución de concentración conocida cual reacciona.

Si solución problema álcali operación se alcalimetría y si es un ácido acidimetría.

Estas operaciones volumétricas se fundamentan en la neutralización que experimentan esas sustancias. El uso las relaciones molares permite realizar los cálculos para la valoración de una de las soluciones, relacionando los volúmenes y las concentraciones (mol/L) con las proporciones molares que indican la ecuación química correspondiente.

Los siguientes ejemplos de neutralización demuestran la afirmación anterior.

NaOH + HCl→ NaCl + H₂O     (1)

1 mol   1mol

2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O   (2)

2 moles  1 mol

Observa que en (1) la relación molar es 1 mol de NaOH / 1 mol de HCI y en (2) la relación molar es 2 moles de NaOH / 1 mol de H2SO4.

Estas relaciones molares permiten establecer las relaciones estequiométricas correspondientes utilizando las respectivas masas molares.

Asi:

(1mol de NaOH / 1 mol HCl) = (40,0 g de NaOH / 36,5 g de HCI)

y

(2 moles de NaOH / 1 mol de H2SO4) = (80,0 g de NaOH / 98,0 g de H2SO4)

Para conocer el punto final de una titulación se utilizan sustancias llamadas indicadores, tales como la fenolftaleína, el anaranjado de metilo, etc., que se caracterizan por presentar un color en medio ácido y otro en medio básico.

Al alcanzarse el punto final el indicador toma una coloración intermedia entre ambas coloraciones, así tenemos que la fenolftaleína incolora en medio ácido y roja en medio básico, toma un color violeta cuando se logra el punto final. El anaranjado de metilo, rojo en medio ácido y amarillo en medio básico, toma un color anaranjado en el punto final.

Al realizar una titulación debe seleccionarse adecuadamente el tipo de indicador a utilizar.

La operación de titulación se realiza en los laboratorios, con instrumentos denominados buretas.

Conocida la concentración y el volumen del ácido, se puede determinar la concentración de un volumen determinado de una base y viceversa.

Si llamamos:

Va Volumen del ácido

Ca = concentración del ácido

Vb Volumen de la base

Cb = concentración de la base.

Se puede emplear la fórmula:

Ca x Va = Cb x Vb

cuando la reacción de neutralización es de mol a mol.

Ley de Ohm (Ejercicios)

 

1 ¿Por qué es importante la Ley de Ohm?

2. ¿Cómo harías para calcular la intensidad de una plancha doméstica si tienes sólo un ohmímetro?

3 Ejercicios de cálculo:

a)      Un secador de pelo absorbe 2 amperes al ser conectado a un tomacorriente de 110 voltios Calcular su resistencia.

b)      Calcular la caída de tensión a través de una cocinilla eléctrica que posee una resistencia en caliente de 25 ohmios y absorbe 4 amperes de la línea.

c)       ¿Qué intensidad circulará por una sandwichera eléctrica que tiene una resistencia en caliente de 24 ohmios y se enchufa a una red de 110 voltios?

d)      ¿Cuál será el valor de una resistencia desconocida que al aplicar el método del voltímetro y amperímetro las lecturas señalan 1,5 amperes y 30 voltios?

e)       Por una resistencia de un secador de cabello de 25 ohmios circula una corriente de 4.5 amperes de intensidad Calcula el calor (Q) desprendido durante 45 segundos.

f)        Un motor eléctrico consume 12 amperes a 110 voltios. Halla la potencia en vatios.

g)       Un electrodoméstico suministra 350 calorías y absorbe 7.5 amperes de la red. Calcula la resistencia de dicho artefacto

h)       Los parámetros de un bombillo son: 110 voltios y 75 vatios ¿Cuál es el valor de la resistencia ¿Cuál es el valor de la intensidad al encender el bombillo? ¿Qué calor consume durante una hora? 

Ley de Ohm

 

DEFINICIÓN DE LA LEY DE OHM

En todo circuito eléctrico se puede determinar el parámetro intensidad de corriente eléctrica conociendo la resistencia y la tensión aplicada en el circuito.

George Simon Ohm determinó experimentalmente que la intensidad viene dada por la relación tensión sobre resistencia:

I = E / R

Es decir que conociendo dos de estos tres parámetros podemos hallar el tercero. Así:

E= I x R R = E / I

IMPORTANCIA PRÁCTICA

Es una de las leyes más importantes de la electricidad. Con ella se resuelven numerosos problemas de la vida real e introduce una nueva forma para obtener otro nuevo parámetro como lo es la potencia eléctrica, que viene dado por la expresión:

P= I2 x R o bien P = E x I

y su unidad es el vatio.

CÁLCULOS Y APLICACIONES

Mediante la aplicación de la Ley de Ohm podemos efectuar cálculos sencillos relacionados con la vida cotidiana.

Ejemplos:

1. ¿Cuál será la intensidad que circula por un calentador conectado a una red de 110 voltios y que tiene una resistencia de 11 ohmios?

Datos:

E = 110 Voltios

R = 11 Ohmios

I = ?

Solución:

I = E / R = 110 Voltios / 11 0hmios

I = 10 Amperes

Esto significa que por el calentador están circulando 10 amperes que son los que producen fricción en la resistencia y este calor se aprovecha para calentar el agua.

2. ¿Cuál será la resistencia de un bombillo que alumbra una habitación y que al medir la intensidad con un amperímetro marca 0,54 amperes?

Datos:

E= 110 Voltios (tensión de la casa)

I = 0,54 Amperes

R = ?

Solución:

R = E / I = 110Voltios / 0,54 Amperes

R =204 Ohmios aproximadamente

Una aplicación de la Ley de Ohm, es para medir resistencias desconocidas utilizando un voltímetro y un amperímetro (Método del voltímetro y amperímetro).

Ejemplo: El Metro de Caracas desea medir el coeficiente de resistividad de una goma que se utilizará para colocar en el piso de los andenes

El procedimiento a seguir es el siguiente:

Se toma una muestra de forma circular de la goma del piso (de aproximadamente 8 cm, de diámetro).

Se le aplica a la muestra una diferencia de potencial de 300 voltios, en corriente continua, de una fuente a través de un par de electrodos circulares

Se coloca un amperímetro en serie con la goma para medir la intensidad.

Se mide con un voltímetro la caída de voltaje en la goma, así como se muestra en la figura.

Con el amperímetro y voltímetro se obtienen los parámetros: intensidad y tensión.

Aplicando la Ley de Ohm obtenemos R

De la fórmula R = ρ x (l / s), vista anteriormente en la Actividad Valorativa anterior, despejamos la resistividad ρ = (R x s) / l

NOTA: s y l dependen de la muestra de la goma cuya resistividad se mida.

POTENCIA ELÉCTRICA

Es el trabajo realizado por la diferencia de potencial de 1 voltio que mueve la carga de 1 coulombio en la unidad de tiempo de 1 segundo. Este trabajo elemental se denomina vatio que es la unidad de potencia eléctrica.

Como: 1 coulombio por 1 segundo es 1 ampere

Entonces: La potencia en vatios será igual al producto de voltios por amperes

Potencia Tensión x Intensidad

(vatios)= (voltios) x (amperes)

y simbólicamente         P = E x I

NOTA: La potencia se simboliza con P o más generalmente con W en honor a James Watt

CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Es el uso que se hace de la electricidad tanto en los hogares como en la comunidad, en la industria, en el campo, etc…

El consumo es controlado por las compañías que suministran la energía a través de un servicio de pago obligatorio.

El pago del servicio se hace en base a los kilovatios-hora consumidos por el usuario y que se registran en un contador electrónico (“el medidor”) que tiene cada suscriptor.

Existen varias tarifas de pago, dependiendo del tipo de tensión requerida: alta, media y baja. Estas tarifas son autorizadas por el Gobierno Nacional.

UNIDADES

La unidad de potencia eléctrica es el vatio.

1 vatio=1 voltio x 1 ampere 

ó 1 vatio = 1 Joule / 1 s

Son múltiplos del vatio:

el Kilovatio (1.000 vatios)

el Megavatio (1.000.000 vatios)

CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A CALÓRICA

La potencia suministrada por una fuente de energía se convierte en una cierta cantidad dada por Q.

Así: P= Q / t es decir, Trabajo / Tiempo en que se realiza el Trabajo

Como P= I2 x R entonces I2 x R = Q / t, despejando obtenemos Q = I2 x R x t

El trabajo en Joules necesario para mover la unidad de carga q (coulomb), desde un punto a otro de un circuito eléctrico, se transforma en calor al pasar por el conductor de R (Ω). Esto se conoce como Efecto Joule Tomando en cuenta que 1 Joule equivale a 0,24 calorías tenemos que:

Calor = Q = 0,24 x R x I2 x t

Donde:

Q es la cantidad de calor

R es la resistencia del circuito I es la intensidad de corriente del circuito

I es la intensidad de corriente del circuito

t es el tiempo que dura el paso de la corriente por el circuito.

APLICACIONES

La aplicación más común es la de calentar el conductor para utilizar el calor generado Algunos electrodomésticos se diseñan según esta Ley (efecto Joule):

Unos intercambian el calor con el aire: como por ejemplo: los secadores de pelo, las planchas eléctricas, las cocinas eléctricas, etc...

Otros intercambian el calor con el agua; como por ejemplo: los calentadores de agua, los calentadores al Baño María, etc...

NOTA: El aire y el agua son disipadores del calor. Si un artefacto diseñado para disipar el calor con aire se deja conectado a la red puede durar mucho tiempo sin quemarse; en cambio un artefacto diseñado para disipar el calor por agua si se le retira el agua y se le deja conectado a la red éste se destruye totalmente en poco tiempo

El efecto Joule se toma muy en cuenta en el diseño de protecciones eléctricas, como lo son: fusibles, termostatos, breakers, etc…

AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA 

1. El ahorro de energía es dar el uso correcto a la electricidad. Esto consiste en:

2. Utilizar la luz de los bombillos solamente cuando es necesaria la iluminación de un determinado ambiente y no dejarla prendida sin utilizarla.

3. El uso adecuado de la plancha lo cual significa realizar un planchado de toda la ropa una sola vez a la semana y no encender la plancha cada día para plancha una o dos prendas

4. Utilizar el calentador de agua en forma adecuada no malgastando el agua caliente apagarlo si se está mucho tiempo fuera de casa o si se va el agua.

5. Evitar el continuo abrir y cerrar de la nevera ya que el termostato acciona con más frecuencia el compresor a causa de la disminución de la temperatura dentro de la nevera.

6. No tener televisores, radios, tocadiscos, etc. energizados si no se están utilizando el momento.

7. Mantener enchufes, tomacorrientes, apagadores, conexiones, etc., en perfectas condiciones, lo cual significa que no suelten chispas al utilizarlos

8. Darle a la secadora de ropa un uso similar al de la plancha para evita exceso de consumo

NOTA. Los electrodomésticos que más energía consumen son plancha, secador, calentador de agua y cocina eléctrica.

NORMAS DE SEGURIDAD E HIGIENE

1. No introduzca destornilladores, alambres o cualquier otro objeto metálico en los tomacorrientes Cerciórese que todos los electrodomésticos que trabajan con agua (lavadora, secadora, termo, ducha eléctrica, nevera) tengan conectada la carcasa a un punto de tierra, que puede ser la tubería de agua

2. En casos de incendio o conato de incendio de un electrodoméstico desconecte inmediatamente breaker principal

3. Nunca trate de reparar ningún artefacto eléctrico si no está debidamente preparado. En caso contrario llame a un electricista.

4. Nunca deje recipientes con agua sobre artefactos eléctricos ya que puede producirse un cortocircuito de grandes proporciones.

5. Mantenga en perfectas condiciones los cables de alimentación de todos los artefactos eléctricos para evitar posibles cortocircuitos o una descarga eléctrica innecesaria

6. Cada vez que se vaya a reemplazar una lámpara un tomacorriente, un interruptor o cualquier otro dispositivo eléctrico, desconecte la red.

Fuerzas intermoleculares en moléculas no polares: fuerzas de van der Waals

En las moléculas no polares se establecen fuerzas electrostáticas muy débiles, entre los núcleos positivos de una molécula y los electrones que forman las cubiertas electrónicas de las moléculas inmediatas. Estas débiles fuerzas electrostáticas entre las moléculas no polares, se denominan fuerzas de van der Waals.

Las fuerzas de van der Waals se explican de la siguiente manera:

1. En una molécula no polar la distribución de carga es simétrica.

2. Como los electrones se están desplazando, en un instante de tiempo la distribución simétrica de carga se distorsiona, formándose un pequeño dipolo momentáneo.

3. Este dipolo momentáneo afecta la distribución de carga de otra (u otras) molécula (s), la(s) polariza y conduce a la formación de un dipolo inducido.

4. Entre estos dipolos instantáneos se establece una atracción neta, originando las fuerzas de van ser Waals, las cuales son de muy corto alcance. Sólo actúan entre las moléculas diferentes que están en contacto intimo, es decir, entre sus superficies.

Mientras mayor es el número de átomos que forman una molécula, las fuerzas de van der Waals aumentan. Lo mismo sucede al aumentar la masa molar. Esto trae como consecuencia que los puntos de fusión men. Esto trae como consecuencia que los puntos de fusión y ebullición aumenten. Esto puede apreciarse en el siguiente cuadro donde se presentan 6 miembros de la serie homóloga de los alcanos.

Puntos de fusión y ebullición de las moléculas polares y no polares

Puntos de fusión y ebullición de las moléculas polares y no polares

Ya sabemos que en los compuestos no iónicos (ejemplo: compuestos orgánicos). los sólidos están formados por unidades estructurales llamadas moléculas. Si las moléculas son polares se producen fuerzas intermoleculares de naturaleza eléctrica, llamada interacción dipolo-dipolo, que las mantiene unidas en el sólido. La parte positiva de una molécula atrae a la negativa de otra y la parte negativa de la primera atrae a la positiva de la segunda.

Si la molécula no es polar (apolar) esta interacción dipolo-dipolo no existe y en consecuencia las moléculas polares generalmente se unen entre si más firmemente que las no polares de masa molar parecida. Esta diferencia entre la intensidad de las fuerzas intermoleculares se refleja en las propiedades fisicas de los compuestos involucrados.

Para fundir una sustancia (sólido→líquido) o vaporizarla (liquido→vapor), es necesario suministrar energia para vencer las fuerzas intermoleculares que mantienen unidas a las particulas, en el sólido o liquido respectivamente.

Si la molécula es polar, se necesita mayor energia para romper estas fuerzas con relación a una molécula no polar de masa molar semejante. El resultado general es que el punto de fusión y el punto de ebullición de las sustancias que poseen moléculas polares, son mayores que el de aquellas sustancias que poseen moléculas no polares, de masa molar semejante. En el ejemplo anexo se señalan caracteristicas y propiedades del H₂O y CH₄.

Es conveniente señalarte que los puntos de fusión y ebullición del NaCl son 801°C y 1431°C, respectivamente.