Categoría: Fisicoquímica

Propiedades y nomenclatura de éteres

Los éteres son utilizados como solventes orgánicos en diversas reacciones de síntesis orgánica, así como en la separación de mezclas y purificación debido a sus propiedades física y químicas.

El dietil éter fue utilizado como anestésico quirúrgico en décadas pasadas, actualmente se prefiere el uso de sustancias cuyos efectos secundarios son menores.
El dietil éter fue utilizado como anestésico quirúrgico en décadas pasadas, actualmente se prefiere el uso de sustancias cuyos efectos secundarios son menores.

Los éteres (R-O–R´) son compuestos oxigenados que se caracterizan por tener dos cadenas carbonadas unidas a un átomo de oxígeno mediante enlaces simples C-O.

Dicho de otra forma, los éteres son el resultado de sustituir los hidrógenos de la molécula de agua por sustituyentes del tipo alquilo y arilo, entre otros.

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS ÉTERES

Los éteres son compuestos polares, ya que la suma de los momentos polares de sus enlaces es diferente de cero, así mismo los dos pares de electrones libres contribuyen a la polaridad de este tipo de compuestos.

Las fuerzas intermoleculares que predominan en los éteres son del tipo dipolo-dipolo. Además, debido a la ausencia de grupos hidroxilos en su estructura, no son capaces de formar enlaces o puentes de hidrogeno por lo cual sus puntos de ebullición son inferiores a los observados en alcoholes con masas molares semejantes.

Los éteres son sustancias más volátiles que los alcoholes.

En cuanto a su comportamiento químico, los éteres son sustancia de baja reactividad si se comparan con otros compuestos oxigenados, de allí que sean utilizados como solventes en diversas reacciones químicas.

Uno de los puntos a favor que presentan los éteres frente a otro solventes orgánicos polares como los alcoholes es que no se comportan como ácidos en presencia de una base fuerte y por tanto pueden ser utilizados en reacciones en medio básico sin riesgo alguno.

NOMENCLATURA DE ÉTERES

Según la nomenclatura funcional, los éteres se denominan al colocar el nombre de los sustituyentes en orden alfabético, seguidos de la palabra éter.

Por otra parte, debido a que los éteres son considerados derivados oxigenados de los alcanos, se pueden nombrar con la denominación del alcano correspondiente a la cadena principal precedido por el nombre del sustituyente alcoxido.

En el caso de los éteres cíclicos el nombre está conformado por el prefijo oxa- seguido del nombre del ciclo correspondiente, cuya numeración inicia en el átomo de oxígeno.

¡RECUERDA!

Las normas generales de nomenclatura orgánica son:

  1. Seleccionar la cadena principal, ésta siempre es la más larga y la que contiene el grupo funcional de mayor prioridad.
  2. Enumerar la cadena principal, para lo cual se asigna la numeración más baja posible al grupo funcional principal y a los sustituyentes e insaturaciones presentes en la estructura.
  3. Identificar y nombrar los sustituyentes presentes.
  4. Los sustituyentes se nombran en orden alfabético, en casos donde los sustituyentes se encuentran repetidos se utilizan prefijos de cantidad que no son considerados al momento de ordenar, por ejemplo: di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5, hexa = 6 y así sucesivamente.

¡Aplica lo aprendido!

Indica el nombre del siguiente éter.

  1. Ubicar los sustituyentes y enumerar la cadena principal de los mismos.

 

  1. El sustituyente señalado en azul es un alqueno, el nombre indica la posición del doble enlace seguida del prefijo correspondiente a la cadena principal y el sufijo –enil.

SUSTITUYENTES INSATURADOS

Para nombrar sustituyentes con doble y triple enlace es necesario cambiar los sufijos correspondientes a cada caso, como se indica a continuación:

-Alquenos, se cambia la terminación –eno por –enil.

-Alquinos, se cambia el sufijo –ino por -inil.

  1. El sustituyente señalado en verde tiene a su vez dos radicales iguales, los cuales se deben nombrar indicando la posición y utilizando el prefijo de cantidad correspondiente seguido del nombre de la cadena principal.

  1. Una vez que se nombran ambos sustituyentes, se agrega la palabra “éter” al final para completar el nombre del compuesto.

Solubilidad y polaridad

Al adicionar una sustancia en un agua, ésta se puede disolver o no. Lo que determina que ocurra un hecho u otro es la solubilidad del soluto, la cual a su vez depende diferentes factores, entre ellos, la polaridad.

Solubilidad

La solubilidad es la capacidad que tiene una sustancia de disolverse en otra, por ejemplo: la sal se disuelve en el agua, por tanto la sal es soluble en agua.


El vinagre es soluble en agua. Los términos soluble, ligeramente soluble e insoluble son utilizados como medida cualitativa de la solubilidad.

Dicho de otra forma, la solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en un determinado solvente y se expresa como:

Solubilidad = (g soluto ÷ g solvente) x 100

¡Recuerda!

Una sustancia tiene una solubilidad diferente para cada solvente.

¿Cuál es la solubilidad de una sustancia en 140 g de agua si sólo se disuelven 5 g de la misma?

Solubilidad = (5 g soluto ÷ 140 g) x 100 = 3,6


La presión influye en la solubilidad de los gases, ejemplo de ello es el CO2 contenido en las bebidas gaseosas cuya disolución es posible gracias al aumento de la presión.

Polaridad

La polaridad es una propiedad de las moléculas que se manifiesta cuando existe una separación de cargas en las mismas que da lugar a la formación de un dipolo eléctrico.

En este sentido se distinguen dos tipos de moléculas: polares y apolares. Las primeras son aquellas que poseen dipolos eléctricos, es decir, tienen un extremo positivo y otro negativo. En tanto, las segundas no poseen dipolo eléctrico.

¿Polares o apolares?

Solubilidad y polaridad

La solubilidad de una sustancia en un determinado solvente dependerá de la polaridad de ambos componentes. En general, la solubilidad en función de la polaridad está determinada por la siguiente regla: “Lo semejante disuelve a lo semejante”.

La anterior premisa significa que una sustancia polar se disuelve en un solvente polar, en tanto, un soluto apolar se disuelve en un disolvente apolar.

  • Etanol en agua

El etanol y el agua son sustancias polares que forman enlaces o puentes de hidrógeno (fuerza intermolecular), de manera que cuando el etanol se añade al agua, inicia el proceso de solvatación, es decir, las moléculas de etanol y agua empiezan a interactuar entre sí y dan como resultado la formación de puentes de hidrogeno entre estas.

Se denomina solvatación al proceso en el cual las moléculas del soluto interaccionan con las moléculas del solvente y dan lugar una asociación de las mismas.

 

 

  • Hexano en agua

El agua es una sustancia polar capaz de formar puentes de hidrógeno, mientras que el hexano es una sustancia apolar cuyas fuerzas dispersión de London son más débiles. Entonces, considerando la regla de “lo semejante disuelve a lo semejante”, se puede deducir que el hexano no se disuelve en agua.

A nivel molecular, lo que ocurre es que la interacción agua-agua es más fuerte que la interacción agua-hexano y como resultado el hexano no se disuelve en el agua.

La solubilidad también depende de la temperatura. Generalmente, la solubilidad de un sólido se incrementa con el aumento de la temperatura, mientras que para un gas se observa el efecto contrario.

Miscible e inmiscible

Los términos miscibles e inmiscibles son utilizados frecuentemente para describir la solubilidad de un líquido en otro. Dos líquidos son miscibles cuando forman una solución o mezcla homogénea, en tanto, son inmiscibles cuando no forman una solución.

 

 

Ejercicios:

1) Resuelve los siguientes problemas.

a) En 150 g de agua se disolvieron 40 g de una sustancia. ¿Cuál es la solubilidad de la sustancia?
b) La solubilidad de una sustancia A en 120 g de agua es igual a 3. ¿Cuántos gramos de de A se disolvieron en el agua?

 

2) Una con flecha los elementos de las columnas A y B según corresponda.

A B
Metanol
Cloroformo Polar
Agua No polar
Hexano
Glicerina

 

3) Predice la solubilidad de las siguientes sustancias en agua.

a) Tolueno
b) Ácido acético
d) Metanol
e) Acetona

 

4) Predice la solubilidad de las siguientes sustancias en tolueno.

a) Hexano
b) Cloruro de sodio
c) Etanol
d) Agua

La química del champagne

El champagne, champán o champaña es un vino de la categoría de vino espumoso elaborado a partir de uvas muy selectas, provenientes de una región muy particular de Francia llamada Champagne – Ardenne y es por ésta región que la bebida recibe su nombre.

Los ejemplos más representativos del uso del champagne son las celebraciones populares como los fines de año, la botadura de un barco o incluso la victoria en una carrera automovilística.

El champagne puede tener diversas presentaciones en las que varían una o más de sus características como son su cuerpo o consistencia, su color, su espuma, su olor y por supuesto su sabor. Aparte del champán blanco tradicional también podemos encontrar el rosado, que se elabora a partir de una amplia variedad de uvas, en su mayoría tintas.

Historia

El origen del champagne se remonta al siglo IV, cuando eran los monjes franceses quienes se ocupaban de producir el vino sagrado que se usaba durante las misas de la época. Sin embargo no fue hasta el año 496, durante el bautismo de Clovis, rey de Francia, que se utilizó el champán para su unción y conversión al cristianismo. A partir del siglo XII el champagne empezó a tomar gran importancia en todo el mundo y fue aceptado como el vino predilecto para todo tipo de celebraciones, actualmente también es el preferido en los grandes eventos deportivos, utilizado con motivo de festejar las victorias.

El champán rosado goza de gran popularidad, sobre todo
para el público femenino.

Hoy en día la principal celebración deportiva en la que se utiliza el champán corresponde a las carreras de automóviles. La primera vez que se usó esta bebida en el mundo de la competición automovilística fue en el año 1907, en la carrera Pekín – París, que comprendió un recorrido de casi 15.000 km y donde el vencedor recibió como único premio una botella de champagne.

El Comité del Champán

Existe una organización a nivel mundial encargada de todo lo concerniente al champagne, llamada “The Comité Champagne” o “El Comité del Champán” en español, cuyo eslogan es “El champagne solo viene de Champagne, Francia”. El organismo se encarga de llevar el control de todo el proceso de cosecha, elaboración y distribución de la bebida alcohólica, teniendo además un mecanismo de control de autenticidad que garantiza que el origen del champán sea única y exclusivamente de la región de Champagne, Ardenne de Francia. El comité del champán posee ciertas reglas de cultivo, producción y almacenamiento que hacen que sus productos sean únicos en el mundo.

Existen muchos tipos de uvas utilizados en la elaboración de vinos espumosos y champañas, sin embargo los tres tipos más utilizados son: la Chardonnay, que es una uva blanca de pulpa blanca; la Pinot Noir y la Pinot Meunier, ambas son especies de uvas tintas de pulpa blanca.

Viñedo de Chardonnay, una variedad uva blanca utilizada en la fabricación de vinos blancos y champañas.

La química del Champagne

Para obtener la mayoría de las bebidas alcohólicas se da un proceso de fermentación, el cual fue descubierto por Luís Pasteur y que consiste en descomponer los azúcares o carbohidratos tales como glucosa, sacarosa, fructosa, entre otros, gracias a la acción de las levaduras y así obtener como productos finales el etanol, dióxido de carbono (CO2), NAD+ (Nicotinamida adenina dinucleótido) y dos moléculas de ATP (Adenosin trifosfato).

Modelo de una molécula de glucosa, donde los átomos azules son de carbono, los rojos de oxígeno y los blancos de hidrógeno.

El proceso de fermentación puede llevarse a cabo de manera anaeróbica, es decir, sin la presencia del oxígeno y se da específicamente gracias a la acción de unos microorganismos llamados levaduras y algunas bacterias. La levadura encargada de la producción de alcohol etílico para cervezas y algunos vinos se conoce como Saccharomyces cerevisiae y también interviene en la obtención de otros productos como la hidromiel, el pan, entre otros.

La fermentación alcohólica ocurre en varias etapas, en la primera se produce la ruptura de la molécula de glucosa mediante una reacción denominada glucólisis, obteniéndose dos moléculas de piruvato (anión del ácido pirúvico). En la segunda etapa se lleva a cabo una reacción de descarboxilación, por medio de la enzima descarboxilasa, obteniéndose como productos el acetaldehído y dióxido de carbono, que se desprende en forma gaseosa. En la última etapa actúa la enzima alcohol – deshidrogenasa sobre el acetaldehído, el NADH se oxida a NAD+ y se obtiene finalmente al etanol como producto final.

La ecuación general que se lleva a cabo en este proceso es la siguiente:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP  → 2 CH3-CH2-OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
(Glucosa)                            (Etanol)

Pi: piruvato
CO2: dióxido de carbono
ADP: adenosín difosfato
ATP: adenosín trifosfato
H2O: agua

En el proceso de fabricación de champagne y de la mayoría de los vinos espumosos se presentan dos fases de fermentación. La primera se realiza de la misma manera que para el resto de los vinos, es decir, en una cuba y la segunda fase de fermentación ocurre en la botella.

Métodos de gasificación

Método tradicional o Champenoise: para esto, a la botella se le añade azúcar, levadura y se cierra. El proceso de fermentación, como ya sabemos, produce CO2, que al no poder escapar se disuelve en el líquido. En la segunda etapa de fermentación debe cuidarse la cantidad de azúcar que se añade para que la cantidad de dióxido de carbono producido no cause que la botella reviente. Este método genera cierta sedimentación en las botellas, para eliminarla se las ubica con el cuello hacia abajo a 45° y se giran al menos dos veces al día. Cuando el sedimento se acumula en la botella se procede a congelar el cuello, luego se destapa y el gas expulsa el sedimento congelado, finalmente se procede a rellenar la botella con licor de expedición.

Almacenamiento de botellas de champagne luego de la segunda fermentación por el método tradicional.
La Levadura es un tipo de hongo que se caracteriza por su capacidad de fermentar azúcares y producir etanol.

Método Charmat o Granvas: en él se realiza una segunda fermentación en una cuba de acero inoxidable. Cuando ya se encuentra gasificado se embotella.

Fermentación de un vino espumoso en una cuba.
El tapón de las botellas de champagne es de corcho, debido a que por sus propiedades químicas y físicas permite su conservación.

Método industrial: el gas se inyecta directamente al líquido con máquinas especializadas, sin embargo de esta forma las burbujas no permanecen integradas a la bebida con tanta fuerza como en los casos anteriores.

Otras sustancias químicas presentes en el champagne: el proceso de descomposición de azúcares genera algunas sustancias volátiles tales como acetatos, aldehídos, cetonas, entre otros, que producen los olores característicos de esta bebida.
Es importante destacar que a las botellas de champagne se les colocan tapones de corcho en forma de setas, esto se debe a que este material es ideal debido a su elasticidad y a que se puede introducir mediante presión. Además, al estar en constante contacto con el licor el corcho tiende a endurecerse y así retener de mejor manera la presión interna de la botella.

Concepto de Arrehnius

Arrhenius propuso definiciones precisas de ácido, base y sal basadas en su teoría de la disociación electrolítica.

Para Arrhenius, un ácido es cualquier sustancia que en disolución acuosa da iones H+ (o, para ser más precisos y puesto que estos iones se hidrolizan, iones H3O+), es decir que contiene hidrógeno reemplazable por un metal o por un radical positivo para formar sales; una base es cualquier sustancia que en disolución da iones hidroxilo OH- , es decir que contiene uno más grupos hidroxilo reemplazables por radicales ácidos negativos para formar sales; y una sal es un compuesto que se ioniza dando aniones distintos al ion OH- y cationes distintos al ion H3O+.

Arrehnius se encargó de darle difiniciones a los ácidos, las bases y las sales.

Una sal ácida (NaHSO4, KHCO3, etc.) es la que, además de dar cationes de uno o más metales (sales dobles), da iones H3O+; análogamente, una sal básica (ClSbO, Cl(OH)Ca, etc.) es aquella que, además de los aniones que corresponden a su radical ácido, da aniones OH-. Por oposición a las sales ácidas y a las básicas, las sales normales se denominan sales neutras.

Steve August Arrehnius (1859-1927) fue un reconocido científico sueco.

Concepto de Bronsted y Lowry

Los iones H3O+ y OH-, cuya presencia caracteriza respectivamente las disoluciones acuosas de ácidos y de bases, se forman en realidad a partir de moléculas de agua que, respectivamente, incorporan o pierden un ion H+ o, lo que es lo mismo, un protón. Con otros disolventes distintos del agua, los ácidos y las bases se comportarían del mismo modo, es decir cediendo o aceptando protones, pero los iones formados serían distintos en cada caso.

Razonando a partir de estas y similares consideraciones, en 1923, Brönsted y Lowry propusieron, independientemente uno de otro, las siguientes definiciones de ácido y de base: Ácido es toda sustancia que puede ceder protones, y base toda sustancia que puede ganar protones. Es decir, un ácido es propiamente un dador de protones, mientras que una base es un aceptor de protones. Pero, puesto que el proceso de perder o ganar un protón es reversible, el ácido, al perder un protón, se transforma en una base y, a su vez, ésta, al ganarlo, se transforma en un ácido. Así, pues, un ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.

Ácido Protón + Base

Como un protón no puede tener una existencia libre en disolución, debe incorporarse a otra sustancia que se comporta así como base. Los equilibrios se establecen pues en sistemas conjugados dobles del tipo:

Ácido1 + Base2 Ácido2 + Base1

En los que, cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada y, cuanto más fuerte es una base, más débil es su ácido conjugado. Ejemplos:

HCl + NH3 NH4 + + Cl-

H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4 –

HSO4 – + H2O H3O+ + SO4 –

Es importante saber que se considera un ácido a toda sustancia que puede ceder protones, y base a toda sustancia que puede ganar protones.

Según la teoría de Brönsted y Lowry, un ácido y una base pueden ser tanto compuestos moleculares como iones, y una misma sustancia molecular o iónica puede actuar en un caso como ácido y en otro como base. Por ejemplo, el agua actúa como base frente al cloruro de hidrógeno y como ácido frente al amoníaco. En disoluciones no acuosas se forman iones distintos de los iones H3O+ y OH-, pero el proceso es esencialmente el mismo; así, disueltos en amoníaco, NH3, sustancia que como disolvente tiene un comportamiento muy similar al del agua, los ácidos dan lugar a la formación de iones amonio, NH4 +, y las bases a la formación de iones amida, NH2.

Thomas Martin Lowry (1874-1936)
Johannes Nicolaus Bronsted (1879-1947)

Concepto de Lewis

La principal dificultad de las definiciones de ácido y base de Brönsted y Lowry es que sólo pueden aplicarse a reacciones que implican la transferencia de un protón, por lo que para que una sustancia pueda actuar como un ácido en el sentido de la definición de Brönsted-Lowry debe contener en su molécula un átomo de hidrógeno ionizable.

Sin embargo, hay muchas reacciones en las que una sustancia que de acuerdo con la teoría de Brönsted-Lowry no sería un ácido se comporta realmente como tal en el sentido más clásico del término (el de formador de sales). Así, por ejemplo, en ausencia de disolvente y, por lo tanto, sin que exista transferencia de protones, el dióxido de carbono, CO2, reacciona con un óxido básico como el óxido de calcio, CaO, para formar una sal:

CaO + CO2 CaCO3

El problema estriba esencialmente en el injustificado papel especial que la teoría de Brönsted-Lowry otorga al protón. Para superar esta dificultad, Lewis propuso en 1923 un innovador concepto de ácido y base. El nuevo punto de vista no tuvo apenas eco en el mundo científico hasta que el propio Lewis volvió a presentar sus ideas más ampliamente desarrolladas en 1938. De acuerdo con esta teoría, un ácido es toda sustancia (molecular o iónica) que puede aceptar un par de electrones, y una base toda sustancia que puede ceder un par de electrones. En otras palabras, un ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y una base debe poseer un par de electrones solitarios. Entonces, la unión de un ácido y una base corresponde a la formación de un enlace covalente dativo o coordinado.

El concepto de Lewis propuso corregir los errores de la teoría de Bronsted y Lowry.

El concepto de base propuesto por Lewis coincide esencialmente con el de Brönsted-Lowry, ya que para que una sustancia pueda aceptar un protón (es decir, comportarse como base en el sentido de Brönsted-Lowry) debe poseer un par de electrones no compartidos. Por ejemplo, la molécula de agua, H2O, y el ion cloruro, Cl-, que pueden aceptar un protón, tienen las siguientes estructuras electrónicas:

O sea, que poseen un par de electrones no compartidos que pueden emplear para aceptar un protón, formando, respectivamente, el ion H3O+ y la molécula HCl:

Evidentemente, tanto el agua como el ion cloruro pueden comportarse como bases de Lewis cediendo un par de electrones no compartidos a un ácido. Vemos, pues, que, respecto al concepto de base de la teoría de Brönsted-Lowry, el concepto propuesto por Lewis no amplía de forma significativa el número de compuestos que pueden ser considerados como bases.

Sin embargo, el caso es radicalmente distinto para el concepto de ácido. Para empezar, hay sustancias que son ácidos de acuerdo con la definición de Brönsted-Lowry y que no lo son en el sentido de Lewis. Por ejemplo, para Lewis el HCl no es realmente un ácido sino la combinación de un ácido (H+) y una base (Cl-); ya vimos que el ion Cl- es una base tanto según la definición de Brönsted-Lowry como de Lewis y ahora justificaremos que el ion H+ es un ácido en el sentido de Lewis mediante la reacción:

H+ + H2O H3O+

En la que el H+ acepta un par de electrones de la molécula de agua para formar un ion H3O+, comportándose, por lo tanto, como un ácido. También deben ser considerados como ácidos en el sentido de Lewis los cationes metálicos, que aceptan pares de electrones al hidratarse o solvatarse. Y, volviendo a la reacción que escribimos más arriba entre el dióxido de carbono y el óxido de calcio:

CaO + CO2 CaCO3

También aquí debemos considerar que el CO2 es un ácido en el sentido de Lewis, ya que en esta reacción el átomo de carbono del CO2 acepta en covalencia dativa un par de electrones cedidos por el átomo de oxígeno del CaO:

El modelo de Lewis se utiliza en química orgánica para explicar el comportamiento catalítico de algunos compuestos que son ácidos de Lewis, pero, en general, cuando se estudian reacciones que tienen lugar en disolución acuosa o simplemente que implican una transferencia de protones, la generalización propuesta por Lewis resulta innecesaria y los químicos razonan en estos casos a partir de los conceptos de Arrhenius o de Brönsted-Lowry.

Gilbert Newton Lewis (1875-1946) fue un reconocido fisicoquímico estadounidense.

Aplicaciones y propiedades de los elementos químicos

El avance de la ciencia en gran parte se debió a los usos que los seres humanos le dieron a los elementos químicos, cada uno de los cuales presenta cualidades particulares, como su dureza, resistencia a la corrosión y otras más que permiten emplearlos para distintos fines como chips, medicinas y cosméticos.

Los elementos químicos

Un elemento químico se define como la sustancia conformada por un solo tipo de átomo. Hasta la fecha se han identificado 118 elementos de los que solamente 92 pueden encontrarse en la naturaleza y el resto son elementos sintéticos producidos por el ser humano de forma artificial.

Cada elemento químico de la tabla periódica tiene un número atómico que indica la cantidad de protones que posee en su estructura atómica.
Cada elemento químico de la tabla periódica tiene un número atómico que indica la cantidad de protones que posee en su estructura atómica.

El elemento que se encuentra con mayor presencia en el universo es el hidrógeno y sirve como combustible para las estrellas, el segundo más abundante es el helio. Por otra parte, el elemento más abundante en la corteza y atmósfera de nuestro planeta es el oxígeno, seguido por el silicio que se encuentra en formas rocosas y en la arena.

El cuerpo es un conglomerado de elementos químicos, los más abundantes son el oxígeno y el carbono.
El cuerpo es un conglomerado de elementos químicos, los más abundantes son el oxígeno y el carbono.

Aplicaciones de los elementos

Dependiendo de las propiedades físicas y químicas de los elementos, el ser humano ha sabido hacer uso de ellos para una infinidad de productos que muchas veces pasan desapercibidos en nuestra vida, pero juegan un gran papel importante en la ciencia y en la sociedad actual.

Los elementos de la tabla periódica se encuentran distribuidos en 7 filas denominadas periodos y 18 columnas denominadas grupos. Cada grupo de elementos presenta características químicas similares. A continuación se muestran algunas de las aplicaciones de los elementos de cada grupo:

Grupo IA – Metales alcalinos

Son todos (a excepción del hidrógeno) blancos, brillantes y muy activos, se encuentran en la naturaleza en forma de compuestos. El sodio y el potasio se emplean en la industria principalmente en forma de sales. El litio se usa en reactores de fusión y en la fabricación de baterías eléctricas. El rubidio es empleado en las celdas fotoeléctricas y como localizador de tumores cerebrales.

La sal común está formada por cloro y sodio.
La sal común está formada por cloro y sodio.

Grupo IIA – Metales alcalinotérreos

Obtienen su nombre debido al aspecto térreo de sus óxidos, se caracterizan por ser buenos conductores de calor y de electricidad. Debido a que son demasiado activos, no existen en la naturaleza y son metales difíciles de obtener, por lo que sus aplicaciones son muy limitadas. El berilio se usa en aleaciones de uso industrial y para fabricar pantallas y ventanas de radiación en dispositivos de rayos X. El magnesio presenta alta resistencia a la tensión, por lo que es usado en aleaciones para la industria aeronáutica y para fabricar émbolos y pistones, se usa también como material refractario y para la elaboración de pastillas. El estroncio se emplea como purificador del azúcar, aunque la medicina lo ubica como un elemento causante de cáncer. El bario se emplea en la pirotecnia y sirve como medio de contraste para que el estómago y los intestinos puedan observarse en las radiografías. El radio es usado en la pintura fluorescente.

En la purificación del azúcar se emplea el estroncio.
En la purificación del azúcar se emplea el estroncio.

Grupo IIIA – Familia del boro

El boro tiene una amplia química de estudio, se usa para fabricar vidrios, esmaltes y utensilios de cocina. El aluminio es empleado en la fabricación de materiales de cocinas como ollas y sartenes, también se usa en la industria automotriz para fabricar pistones y motores. El galio, el indio y el talio son raros y existen en cantidades mínimas. El galio y el indio tienen aplicaciones principalmente médicas en dispositivos especiales para detectar enfermedades. El talio se usa como veneno para las ratas por no tener ni olor ni sabor.

Muchos utensilios de cocina son fabricados con aluminio.

Grupo IV – Familia del carbono

La química orgánica es la disciplina encargada de estudiar los compuestos del carbono, el cual en su estado elemental se presenta como diamante y como grafito, este último empleado en la fabricación de lápices y para generar fibras de carbono. El silicio se emplea para la preparación de siliconas y por ser un elemento semiconductor muy abundante, se usa en la industria electrónica para crear chips. El óxido de silicio se usa para la fabricación de hormigón y también se emplea en la fabricación de vidrios. El germanio se usa en la fabricación de transistores y semiconductores, en las fibras y lentes ópticas. El estaño es ampliamente usado en los procesos industriales, en soldaduras de circuitos y en la fabricación del vidrio para reducir su fragilidad, también se usa como fungicida y en otros productos como tintes, dentífricos e insecticidas. El plomo se usa para la fabricación de baterías, como aislante de la radiación y como químico en la refinación del petróleo.

Los lápices emplean láminas de grafito, un mineral formado casi completamente por carbono.

Grupo V – Familia del nitrógeno

Es el grupo más heterogéneo de la tabla periódica y por esta razón las aplicaciones de los elementos de este grupo son muy variadas. El nitrógeno se usa para fabricar fertilizantes, explosivos, colorantes y para la síntesis del amoníaco. El fósforo se emplea en la fabricación de fuegos artificiales, en explosivos y en venenos para el control de plagas. El arsénico es un elemento muy contaminante y peligroso, es usado para limpiar las impurezas del vidrio y para fabricar pesticidas. El antimonio se emplea en aleaciones metálicas y en la fabricación de esmaltes y pinturas, también se usa en el proceso de vulcanización del caucho. El bismuto se usa para fabricar fusibles, para aleaciones de bajo punto de fusión y en la medicina se emplea en forma de subsalicilato de bismuto para tratar la diarrea.

El fósforo es usado en los fuegos artificiales.
El fósforo es usado en los fuegos artificiales.

Grupo VI – Colágenos

Son elementos no metálicos y la mayoría son corrosivos. El oxígeno se usa como aire artificial y como combustible de cohetes en su forma líquida. El azufre se emplea en la fabricación de pólvora, fósforos y como fungicida. El selenio es usado en la fabricación de dispositivos fotoeléctricos y en células solares. El teluro se usa para realizar aleaciones con cobre y el plomo para aumentar la resistencia a la tensión.

El azufre se emplea en la fabricación de la pólvora.

Grupo VII – Halógenos

Son compuestos que presentan una coloración característica en su estado gaseoso y tienen gran afinidad con el hidrógeno y con el oxígeno. El flúor es usado en la fabricación de dentífricos y enjuagues bucales, también se usa para el tratamiento del agua. El cloro se usa como blanqueador y desinfectante. El bromo se emplea en los fluidos de perforación de pozos petroleros, también es usado como colorante y en la fotografía. El yodo se usa principalmente en la medicina como antiséptico y desinfectante, también se usa como medio de contraste para la radiografía y como tratamiento de alteraciones de la tiroides.

Los dentífricos emplean flúor para proteger los dientes.
Los dentífricos emplean flúor para proteger los dientes.

Grupo VIII – Gases nobles

Los elementos que conforman a este grupo presentan propiedades similares, en condiciones normales son gases monoatómicos incoloros e inodoros, también puede decirse que su reactividad química es muy baja. El helio se usa para llenar globos meteorológicos, se usa mezclado con el oxígeno como aire artificial en los tanques de buceo. El neón es empleado como refrigerante, también se usa en los tubos incandescentes y en las pantallas de televisión. El argón se usa en las lámparas de incandescencia y se usa como gas para las soldaduras. El kriptón se emplea en las pistas de aterrizajes en los focos incandescentes debido a la luz roja que emite.

El helio es usado para llenar globos.
El helio es usado para llenar globos.

Elementos de transición

Están formados por los grupos IIB, IVB, VB, VIB, VIIB, IB y IIB de la tabla periódica. Los elementos pertenecientes a estos grupos presentan características muy variadas y todos son metales. Debido a su variabilidad en el estado de oxidación, sus compuestos son muy coloridos. Algunos de los elementos que conforman a este grupo son: cromo, hierro, níquel, cobre, cinc, plata y oro. El cromo es usado en aleaciones con otros metales para aumentar la dureza y resistencia a la corrosión de estos. El hierro debido a su abundancia se emplea mayormente para fabricar aceros. El níquel se emplea en la fabricación de componentes electrónicos como pilas y como revestimiento de otros metales propensos a la corrosión. El cobre se usa en la fabricación de cables y monedas, también se emplea para elaborar pigmentos. El cinc es usado en la fabricación de termómetros de altas temperaturas, también se emplea en componentes electrónicos como células fotoeléctricas y transistores. El oro y la plata se usan principalmente en la joyería y en algunos dispositivos electrónicos.

El hierro es el metal más abundante.
El hierro es el metal más abundante.

Proceso de destilación

Vivimos rodeados de productos que han pasado por procesos de destilación, desde el whisky hasta la gasolina. A nivel industrial, este procedimiento juega un papel fundamental en la separación de mezclas y se presenta en varios tipos.

¿Qué es la destilación?

Es un método o técnica de separación de mezclas que permite obtener sus componentes de forma individual, también se emplea para la purificación de líquidos.

Se fundamenta en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes que conforman la mezcla. Para lograr la separación de estos, se calienta la mezcla hasta que entra en ebullición, a medida que la temperatura aumenta se alcanzan los puntos de ebullición de los compuestos de forma ascendente, es decir, desde el compuesto con el punto de ebullición más bajo (más volátil) hasta el compuesto con mayor punto de ebullición de la mezcla (menos volátil).

A medida que un compuesto entra en ebullición, sus vapores son conducidos dentro de un condensador que se encarga de enfriarlos y así transformarlos a su estado líquido, mientras esto pasa, los demás compuestos permanecen en su estado original hasta que sus puntos de ebullición son alcanzados.

El proceso de destilación es más eficaz mientras la diferencia entre los puntos de ebullición de los compuestos de la mezcla es mayor.
Volatilidad de una sustancia

Es la tendencia que tiene un compuesto en evaporarse, en otras palabras, es una medida de la facilidad que tiene este para pasar a la fase gaseosa.

Los perfumes suelen estar compuestos de etanol, un compuesto muy volátil.

Ejemplo de destilación

El agua salada es una solución que puede separarse por destilación simple y su proceso se describe a continuación:

  1. El agua salada se somete a un calentamiento térmico en un balón de destilación que ocasiona que la mezcla libere vapor de agua al alcanzar el punto de ebullición (100 °C a presión atmosférica).

  1. El vapor liberado recorre un tubo de refrigeración que permite convertirlo a su estado líquido.

  1. La totalidad del agua condensada a partir del tubo de refrigeración se sitúa en un recipiente. La sal al ser un compuesto que no se evapora, permanece en el balón de destilación.
La operación unitaria de separación más empleada a nivel industrial es la destilación.

¿Sabías qué...?
Cuando los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla sean muy cercanos, la separación total no puede obtenerse en una sola destilación, de manera que el producto destilado debe destilarse más de un vez.

Tipos de destilación

Existen varios tipos de procesos de destilación que se emplean para diferentes fines:

Destilación simple

Se emplea cuando la mezcla contiene un solo componente volátil (como el caso del agua salada) o cuando el punto de ebullición del compuesto líquido más volátil difiere del resto de componentes en 80 °C o más. Una destilación simple puede llevarse a cabo a presión atmosférica o a presión reducida con el propósito de disminuir el punto de ebullición del componente que se pretende destilar.

La destilación simple permite obtener agua potable a partir del agua de mar.

Destilación fraccionada

Es empleada para separar mezclas con componentes líquidos que difieren 80 °C o más entre sus puntos de ebullición. Para este proceso se emplea una columna de fraccionamiento y puede llevarse a cabo a presión atmosférica o a presión reducida.

La torre de destilación fraccionada o columna de fraccionamiento se emplea para la refinación del petróleo.

Destilación por arrastre de vapor

Se emplea para separar compuestos insolubles en agua y ligeramente volátiles de otros compuestos no volátiles como resinas o sales inorgánicas. Es muy útil cuando se desean separar compuestos con punto de ebullición muy superior a 100 °C.

Muchos productos de limpieza como jabones y detergentes se obtienen a partir de la destilación por arrastre de vapor.

Refinación del petróleo

La destilación es usada para separar los componentes del petróleo a nivel industrial. Esto se debe a que el petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos y otros compuestos que presentan diferencias en sus puntos de ebullición. A este proceso también se lo conoce como destilación fraccionada.

Un barril de petróleo permite obtener entre 30 y 40 % de gasolina respecto a su peso.

Bebidas destiladas

Se suelen llamar por este nombre a los aguardientes y licores. A pesar de ello, hay otras bebidas alcohólicas que entran dentro de esta clasificación. Por esta razón, existe una gran cantidad de bebidas de este tipo que se obtienen mediante procesos de destilación, algunas de las más conocidas son:

– Vodka

– Whisky

– Brandy

– Tequila

– Ron

– Ginebra

Las bebidas fermentadas como el vino se diferencian de las destiladas, porque solamente emplean el proceso de fermentación en su fabricación.

Aplicaciones de diferentes tipos de compuestos orgánicos

El carbono es la figura principal en la química orgánica y su combinación con otros átomos es tan variada que permite la formación de compuestos muy diversos, los cuales son empleados por los seres humanos con la finalidad de producir diferentes productos.

Compuesto orgánico

Es aquel compuesto formado por enlaces del tipo carbono-carbono y carbono-hidrógeno. En algunas ocasiones este tipo de molécula puede contener átomos de oxígeno, nitrógeno, fósforo, nitrógeno y otros elementos como los halógenos. La mayoría de los compuestos orgánicos se produce de forma artificial, aunque existen algunos que se extraen naturalmente.

La disciplina que se encarga de estudiar los compuestos orgánicos o compuestos de carbono es la química orgánica. El carbono es un elemento muy particular porque puede formar más compuestos que el resto de los elementos, esto se debe a su capacidad de unirse entre sí para formar cadenas lineales y ramificadas.

Los átomos de carbono pueden formar cadenas y anillos muy estables, también pueden combinarse con una gran variedad de otros elementos.

Los hidrocarburos

Son compuestos orgánicos que se encuentran conformados solamente por átomos de carbono e hidrógeno. Presentan una especie de estructura principal o armazón de átomos de carbono a los que se encuentran enlazados los átomos de hidrógeno.

Tipos de hidrocarburos

Los hidrocarburos se clasifican en alifáticos (cuando se presentan en cadenas abiertas) y en aromáticos (conformados por hidrocarburos cíclicos).

  • Hidrocarburos alifáticos

Alcanos: contienen enlaces sencillos de carbono-carbono, por esta razón son los hidrocarburos más simples. Los cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano) se usan principalmente con fines de calefacción y para cocinar los alimentos. Los alcanos también se emplean como disolventes de sustancias no polares como las grasas.

El gas doméstico es una mezcla de alcanos que producen una reacción de combustión que libera calor y se usa principalmente para cocinar.

Alquenos: contienen al menos un doble enlace entre dos átomos de carbono y se los conoce también como olefinas. El etileno o eteno se emplea en la maduración de frutos verdes y también se usan con propósitos industriales para sintetizar otros compuestos como el cloruro de vinilo.

Los alquenos se emplean en la fabricación de los plásticos sintéticos y del caucho.

Alquinos: contienen por lo menos un triple enlace entre un par de átomos de carbono. Uno de los alquinos más usados es el acetileno o etino, que se emplea en la soldadura a gas como combustible y para la obtención de PVC (policloruro de vinilo).

Otro uso de los alquinos es en la fabricación de medicamentos antineoplásicos usados en las quimioterapias para tratar el cáncer.

  • Hidrocarburos aromáticos

Son compuestos orgánicos cíclicos (cadenas cerradas) y su nombre proviene de los intensos olores que tienen. A pesar de que muchos de los hidrocarburos aromáticos son cancerígenos y de alta toxicidad, sus aplicaciones son muy amplias, desde la fabricación de hormonas y vitaminas hasta la elaboración de tintes y perfumes.

El fenilo es un tipo de compuesto aromático usado en la elaboración de pantallas de cristal líquido y en los lentes de las cámaras de cine.

Hidrocarburos sustituidos

A partir de la sustitución de uno o varios átomos presentes en los hidrocarburos por otro átomo o grupo de átomos (grupo funcional) se pueden producir todos los compuestos orgánicos conocidos. De esta forma se puede obtener un aldehído si se sustituye en un alcano el átomo de hidrógeno enlazado al carbono terminal por un átomo de oxígeno. En estos casos se habla de hidrocarburos sustituidos.

Tipos de hidrocarburos sustituidos

De acuerdo al átomo o grupo funcional que se sustituya en el compuesto, se pueden clasificar en tres tipos de hidrocarburos sustituidos, de los cuales se señalan los compuestos representativos más comunes:

  • Oxigenados

Alcoholes: son alifáticos que presentan al menos un grupo hidroxilo (-OH) dentro de la cadena carbonada. Los alcoholes son usados principalmente en la industria como disolventes de pinturas, barnices y lacas. También se usan para fabricación de tintes, líquidos anticongelantes, plásticos y para sintetizar el formaldehído.

El alcohol isopropílico se usa como antiséptico tópico.

Fenoles: son compuestos aromáticos que contienen al grupo funcional hidroxilo (-OH). Los fenoles se emplean en la industria química y farmacéutica, como bactericida, fungicida y antiséptico.

Los fenoles participan en el proceso de fabricación de enjuagues bucales.

Éteres: Los éteres presentan la configuración R-O-R’ como grupo funcional, en donde los radicales pertenecen al grupo de los alquilos (alcano que ha perdido un átomo de hidrógeno) pueden ser iguales o distintos. Se usan como disolvente de sustancias orgánicas, en la fabricación de pegamentos y la producción de medicamentos.

Los éteres pueden usarse para elaborar venenos para ratas.

Aldehídos: son aquellos compuestos que presentan al grupo cabonilo (-C=O) unido a un extremo de la cadena carbonada. El principal uso de estos compuestos es para la fabricación de resinas, también son usados como somníferos. El etanal se usa como producto de partida para elaborar plásticos, lacas y pinturas.

Algunos aldehídos son empleados como conservantes de carnes y otros alimentos.

Cetonas: se forman al sustituir al menos un grupo CH2 en el interior de la cadena carbonada por el grupo carbonilo (-C=O). Estos compuestos se encuentran presentes en la naturaleza como en la testosterona y progesteronas, hormonas sexuales masculina y femenina respectivamente. Se usan principalmente como solventes en las formas de acetona y metil-etil-cetona.

La acetona es un tipo de cetona usado como disolvente.

Ésteres: están formados por los compuestos en los que un grupo funcional sustituye a uno o más átomos de hidrógenos en un ácido oxigenado, es decir, un ácido formado por un grupo OH- a partir del cual el átomo de hidrógeno se puede disociar como un ión de protón. Compuestos como el salicilato de metilo se usan en la fabricación de perfumes y de caramelos.

El benzoato de bencilo se usa en el tratamiento de la escabiosis.

Ácidos carboxílicos: son compuestos formados por uno o más grupos carboxilo (-COOH) y uno de sus representantes es el ácido etanoico o ácido acético que en estado diluido se emplea en el vinagre de uso doméstico. También se usan como solvente de lacas y resinas.

En la industria cervecera los ácidos carboxílicas se usan como conservante.

  • Nitrogenados

Aminas: son compuestos derivados del amoníaco (NH3) en los que uno o más átomos de hidrógeno unidos al átomo de nitrógeno son sustituidos por los grupos alquilo o arilo (derivado de un hidrocarburo aromático al que se le extrae un átomo de hidrógeno del anillo aromático). Las aminas se encuentran presentes en la naturaleza y participan en una serie de procesos bioquímicos. La dimetilamina se usa como inhibidor de la corrosión y como disolvente en la industria petrolera.

Algunas aminas como la dimetilamina se emplean en la elaboración de anestésicos como la estolvaína.

Amidas: son compuestos derivados de aminas y ácidos carboxílicos, en los cuales el grupo acilo (R-CO-) se encuentra unido al grupo amino (-NH2). Las amidas son usadas en la industria farmacéutica para la elaboración de anestésicos locales y en productos de uso común como en desodorantes.

Las amidas se encuentran presentes incluso en nuestro cuerpo en sustancias como la urea, un componente de la orina.

  • Halogenados

Haloalcanos: derivan de los alcanos y se producen por la sustitución de uno o más átomos de hidrógenos por átomos de elementos halógenos como el flúor, cloro, bromo y yodo. Los compuestos fluorados o clorados se emplean para la polimerización con la finalidad de obtener productos como al policloruro de vinilo y teflón.

Los clorofluorocarbonos (CFC) son aloalcanos que contienen cloro y flúor, son responsables de causar serios daños en la capa de ozono.

Degradación Biológica

El planeta Tierra está constituido por diversos materiales de origen natural como las plantas y algunos alimentos. Sin embargo, el ser humano se ha encargado de desarrollar industrias que impulsan la creación de materiales de origen sintético. A continuación estudiaremos los materiales biodegradables.

Un material biodegradable es aquel que puede descomponerse en los elementos químicos que lo conforman, debido a la acción de agentes biológicos como plantas, animales y microorganismos bajo condiciones ambientales naturales.
El reciclaje es una buena opción para evitar la acumulación de materiales que demoran largos períodos de tiempo en degradarse.

Tipos de biodegradación

  1. Degradación aerobia: este tipo de biodegradación es ejecutada por microorganismos que pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno. La palabra “aerobio” se aplica no sólo a organismos sino también a los procesos implicados y a los ambientes donde se realizan. Un ambiente aerobio es aquél rico en oxígeno, es decir, con concentraciones altas de oxígeno.
  1. Degradación anaerobia: este tipo de biodegradación es ejecutada por microorganismos que no utilizan oxígeno en su metabolismo, por lo tanto, el aceptor final de electrones es otra sustancia diferente al oxígeno. Si el aceptor de electrones es una molécula orgánica se trata de metabolismo fermentativo; si el aceptor final es una molécula inorgánica distinta del oxígeno se trata de respiración anaeróbica.

Los organismos que no pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno se denominan anaerobios estrictos.

Lista de materiales biodegradables

  • Madera
  • Caja
  • Cartón
  • Semillas
  • Papel (periódicos, revistas, toallas, bolsas, platos y vasos)
  • Tejidos naturales (algodón, lana, seda y lino)
  • Residuos domésticos procedentes de alimentos como verduras, carne, pescado, huesos o restos de frutas
  • Cera de abeja
  • Hojas
  • Restos de plantas
  • Pañales
  • La mayoría de los productos cosméticos
  • Productos elaborados con barro o cerámica (tazas y platos)

Lista de materiales comunes

Materiales Tiempo de descomposición
Cáscara de plátano o de banano 2 a 10 días
Pañuelos hechos de algodón 1 a 5 meses
Papel 2 a 5 meses
Cáscara de naranja 6 meses
Cuerda 3 a 14 meses
Filtros de cigarrillos 1 a 2 años
Estaca de madera 2 a 3 años
Calcetines o medias de lana 1 a 5 años
Aislante térmico de poliestireno 500 a 1.000 años
Botella de vidrio Cerca de 4.000 años
Hierro Depende del tipo de hierro desde 1 año a varios millones de años
Hueso 10 a 15 años

 

Sustituir el uso excesivo de bolsas plásticas por una bolsa de tela ayuda a la conservación del ambiente.

Ventajas de los materiales biodegradables

  1. Los materiales biodegradables son totalmente naturales, por lo tanto pueden ser consumidos por los microorganismos sin dificultad, lo cual permite que el ciclo vital siga su curso sin producir residuos en basureros o vertederos; eso disminuye la probabilidad de que estos materiales se conviertan en una fuente de basura persistente.
  1. En el proceso de descomposición, estos materiales no sueltan elementos químicos ni gases a la atmosfera, es decir, no contaminan ni contribuyen al efecto invernadero. Además, se reciclan numerosos nutrientes que ayudan a la conservación del medio ambiente.
  1. Los productos realizados con materiales biodegradables son más sencillos y económicos de fabricar, ya que los mismos no necesitan ser procesados industrialmente.
  1. Los materiales biodegradables son fáciles de reciclar y son totalmente reutilizables, por lo tanto, no hacen falta procesos complicados para su tratamiento.
  1. Con el auge de los materiales biodegradables cada día son más las empresas que conocen las ventajas de los mismos, por lo que es un sector susceptible de crecer y de crear numerosos empleos en los próximos años.

 

El uso de materiales no biodegradables contamina fuertemente el ambiente.

Desventajas de los materiales biodegradables

Actualmente, los materiales biodegradables no están demasiado extendidos, es decir, este tipo de industria aún está en pleno desarrollo y por lo tanto no hay muchos inversionistas que quieran impulsar a la misma. Como consecuencia, estos materiales son difíciles de encontrar y la población tiende a utilizar materiales no biodegradables por comodidad o por desconocer sus beneficios.

Por el mismo motivo no existen numerosos centros de reciclaje especializados en materiales biodegradables y como consecuencia, acaban tirados en basureros o vertederos.

Diferencias entre materiales biodegradables y materiales no biodegradables

El plástico, los metales, las pilas o la mayoría de las colas y pinturas no son biodegradables, por lo tanto no se descomponen en la naturaleza de forma fácil. El sol, la humedad, las bacterias o los hongos no pueden con ellos, así es que se acumulan en la naturaleza y la contaminan. A diferencia de los materiales biodegradables, los cuales se descomponen y generan alimento y energía, los no biodegradables son nocivos para el medio ambiente.