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Ciclos biogeoquímicos

Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, toman una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en tierra, en agua o debajo de la superficie terrestre.

Procesos geológicos como la erosión, el drenaje de agua, el movimiento de las placas continentales y la meteorización, están involucrados en el ciclo de elementos en la Tierra. El reciclaje de materia inorgánica entre los organismos vivos y su medio ambiente se denomina ciclo biogeoquímico.

El término biogeoquímico proviene de los procesos biológicos, geológicos y químicos que causan la transferencia de materia.

Los ciclos biogeoquímicos pueden clasificarse como gaseosos, en los que el reservorio es el aire o los océanos (por evaporación) y sedimentarios, en el que el yacimiento es la corteza terrestre. Los gaseosos tienden a moverse más rápidamente que los sedimentarios y se ajustan más fácilmente a los cambios en la biosfera debido al gran reservorio atmosférico.

Ciclo del agua

Una molécula muy significativa en nuestro planeta que recorre los ecosistemas es la molécula de agua (H₂O). Si bien generalmente se trata del ciclo del agua como los diversos estados que presenta la misma, al menos algunas moléculas de agua son absorbidas por las plantas y se dividen en átomos de hidrógeno y oxígeno; este último se libera en la atmósfera como oxígeno molecular (O₂). Así, en virtud de los organismos fotosintéticos, el ciclo del agua es una parte importante de los ciclos del oxígeno y del hidrógeno.

La mayor parte del agua se encuentra en los océanos y las capas polares, aunque el agua también está presente en lagos y ríos de agua dulce, el cuerpo de los organismos y en el suelo como agua subterránea.

El agua se mueve entre los depósitos de almacenamiento por medio de la evaporación, la precipitación y por escurrimiento de la tierra.

El ciclo de sedimentación es una extensión del ciclo hidrológico. El agua transporta material de la tierra al océano, donde se añaden como sedimentos. El ciclo de sedimentos incluye la erosión física y química, el transporte de nutrientes y la formación de sedimentos a partir de los flujos de agua.

El ciclo de sedimentos está ligado con el flujo de seis elementos importantes, que son el hidrógeno, el carbono, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Estos elementos, también conocidos como macroelementos, constituyen el 95 % de todos los seres vivos. El equilibrio de estas moléculas es necesario para sostener la vida.

Ciclo del carbono

El carbono es uno de los elementos más importantes para los organismos vivos, como lo demuestra su abundancia y presencia en todas las moléculas orgánicas. El ciclo del carbono ejemplifica la conexión entre los organismos en varios ecosistemas. El carbono se intercambia entre los heterótrofos y los autótrofos dentro y entre los ecosistemas principalmente a través del CO₂ atmosférico, una versión completamente oxidada del carbono que sirve como bloque básico para que los autótrofos puedan construir moléculas orgánicas de alta energía como la glucosa.

¿Sabías qué...?

La liberación mundial de carbono a través de las actividades humanas ha aumentado de 1 billón de toneladas al año en 1940 a 6,5 millones de toneladas en el año 2000.

Los fotoautótrofos y los quimioautótrofos aprovechan la energía del Sol y de los compuestos químicos inorgánicos para unir los átomos de carbono y transformarlos en compuestos orgánicos reducidos cuya energía se puede absorber posteriormente a través de los procesos de respiración y fermentación.

Ciclo del nitrógeno

En el suelo, así como en las raíces de ciertas plantas, el nitrógeno es fijado por bacterias, rayos y radiación ultravioleta.

Las bacterias fijan el nitrógeno elemental en una forma que puede ser usada por los organismos.

Ciertas bacterias toman las formas en las que se fijó el nitrógeno y posteriormente lo procesan. Este proceso que se conoce como oxidación proporciona energía para que el ciclo del nitrógeno tenga lugar. Las plantas absorben nitratos o iones de amonio del suelo y los convierten en compuestos orgánicos; por su parte, los animales obtienen nitrógeno mediante el consumo de plantas u otros animales.

Los residuos de los animales contienen nitrógeno; por lo tanto, independientemente de la forma de excreción del animal, algún nitrógeno se libera de nuevo en el ecosistema a través de este proceso.

Muchos problemas ambientales son causados por la interrupción del ciclo del nitrógeno gracias a la actividad humana, desde la producción de smog troposférico hasta la perturbación del ozono estratosférico y la contaminación del agua subterránea. Un ejemplo de uno de los problemas causados es la formación de gases de efecto invernadero.

Ciclo de Azufre

El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Varios grupos de microorganismos son responsables de llevar a cabo los procesos implicados en el ciclo del azufre.

El ciclo del azufre contiene tanto procesos atmosféricos como terrestres.

Dentro de la porción terrestre, el ciclo comienza con el desgaste de las rocas, lo que hace que el azufre almacenado se libere; luego entra en contacto con el aire donde se convierte en sulfato. El sulfato es absorbido por plantas y microorganismos y se convierte en formas orgánicas; los animales consumen estas formas orgánicas a través de los alimentos, de tal manera que es movido a través de la cadena alimentaria. A medida que los organismos mueren y se descomponen, se libera de nuevo como sulfato y algunos entran en los tejidos de los microorganismos. También hay una variedad de fuentes naturales que emiten azufre directamente en la atmósfera, donde se incluyen las erupciones volcánicas, la descomposición de materia orgánica en pantanos y la evaporación del agua.

El azufre eventualmente se instala en la Tierra. Una pérdida continua de este elemento ocurre a través del drenaje en lagos y arroyos, y ocasionalmente en océanos. Dentro del océano se realizan algunos ciclos de azufre a través de las comunidades marinas, que se mueven a través de la cadena alimentaria; una parte de este es emitida de nuevo a la atmósfera por la evaporación, el restante se pierde en las profundidades del océano, donde se combina con el hierro para formar el sulfuro ferroso que es el responsable del color negro de la mayoría de los sedimentos marinos.

Una tercera parte de todo el azufre que llega a la atmósfera proviene de las actividades humanas.

Ciclo del fósforo

El fósforo es un elemento importante para todas las formas de vida. Como fosfato, constituye una parte importante del marco estructural que mantiene el ADN y el ARN juntos. Al igual que el calcio, el fósforo es importante para los vertebrados; en el cuerpo humano, el 80 % del fósforo se encuentra en los dientes y huesos.

El ATP contiene tres moléculas de fosfato que requieren fósforo.

El ciclo de fósforo difiere de los otros ciclos biogeoquímicos en que no incluye una fase gaseosa; aunque pequeñas cantidades de ácido fosfórico pueden llegar a la atmósfera, lo que contribuye, en algunos casos, a la lluvia ácida. Muy poco fósforo circula en la atmósfera porque a las temperaturas y presiones normales de la Tierra, el fósforo y sus diversos compuestos no son gases. El fósforo se mueve en un ciclo a través del agua, el suelo, los sedimentos y los organismos, pero el mayor reservorio de fósforo está en la roca sedimentaria.

Los cambios en el ciclo del fósforo no tienen efectos directos sobre el clima, pero su disponibilidad condiciona la actividad vegetal y microbiana en los ecosistemas.

Con el tiempo, la lluvia y la intemperie causan que las rocas liberen iones de fosfato y otros minerales. Este fosfato inorgánico se distribuye entonces en el suelo y en el agua.

Las plantas absorben fosfato inorgánico del suelo y pueden ser consumidas por los animales; una vez en la planta o el animal, el fosfato se incorpora en moléculas orgánicas como el ADN. Cuando la planta o el animal mueren, se descomponen por la acción de bacterias, el fosfato orgánico se devuelve al suelo y puede estar disponible nuevamente para las plantas. Este proceso se conoce como mineralización.

El fósforo en el suelo puede terminar en los cursos de agua y eventualmente en los océanos. Una vez allí, se puede incorpora con el tiempo a los sedimentos.

El mismo proceso ocurre dentro del ecosistema acuático. El fósforo no es muy soluble, se une fuertemente a las moléculas en el suelo y alcanza principalmente las aguas donde viaja con las partículas de suciedad. Los fosfatos también entran en las vías fluviales a través de escurrimientos de fertilizantes, filtraciones de aguas residuales, depósitos minerales naturales y desechos de otros procesos industriales.

Aunque obviamente es beneficioso para muchos procesos biológicos, en aguas superficiales una concentración excesiva de fósforo se considera un contaminante. El fosfato estimula el crecimiento excesivo del plancton y las plantas, que tienden a consumir grandes cantidades de oxígeno disuelto, lo que potencialmente sofoca a los peces y otros animales marinos, al mismo tiempo que bloquea la luz solar disponible para las especies que habitan en el fondo. Esto se conoce como eutrofización.

Contaminación

Las actividades humanas han aumentado considerablemente los niveles de CO₂ en la atmósfera y los niveles de nitrógeno en la biosfera. Los ciclos biogeoquímicos alterados combinados con el cambio climático aumentan la vulnerabilidad de la biodiversidad, la seguridad alimentaria, la salud humana y la calidad del agua.

Reacción ácido-base

Una reacción-ácido base se puede observar en la vida cotidiana, como es el caso de los antiácidos que son usados para tratar la acidez en algunas personas. Su principio es sencillo, comúnmente son compuestos básicos que sirven para neutralizar la acidez de los jugos gástricos, por esta razón las reacciones ácido-base son conocidas también como reacciones de neutralización.

Conceptos básicos

Reacción química

Proceso en el cual una o varias sustancias (denominadas reactivos o reactantes) sufren una transformación en su estructura molecular y en los enlaces, de manera que originan otras sustancias diferentes o productos.

Ácido

Compuesto químico que al disolverse en agua origina un incremento en la concentración de los iones de hidrógeno.

El fisicoquímico Gilbert N. Lewis, por su parte, lo define de manera más amplia como aquella especie química capaz de aceptar un par de electrones de otra especie.

Los ácidos tienen un sabor es agrio, un ejemplo es el jugo de limón que contiene ácido cítrico, de hecho, la palabra ácido proviene del término latino acidus que significa “ágrio”.

El vinagre es un tipo de ácido usado en la cocina y se denomina ácido acético.

Base

A lo largo de la historia se han realizado numerosos esfuerzos para definir a estos compuestos. Una de las definiciones más recientes es la de Lewis, que lo describe como aquella sustancia capaz de donar un par de electrones.

Las bases son resbalosas al tacto y su sabor es amargo, un ejemplo se observa en el jabón que es un tipo de base.

Reacciones ácido-base

De la misma forma en la que se han planteado diferentes definiciones para los ácidos y para las bases con el paso del tiempo, también han surgido descripciones alternativas para las reacciones de ácido-base. Uno de los primeros en estudiar a este tipo de reacciones fue el químico sueco Svante Arrhenius, quién sostenía que eran reacciones en las que los ácidos formaban cationes de hidrógeno H⁺ (que luego se demostró que no existen de forma aislada sino en la forma de H₃O⁺ o ión hidronio) y las bases formaban aniones OH^–.

Definición según Svante Arrhenius

Es aquella reacción química producida entre un ácido y una base para formar una sal y agua.

Cumple la siguiente forma: Ácido + base-→ sal + agua

Por ejemplo: HCl + NaOH → NaCl +H2O

Aunque la definición de Arrhenius era sencilla, tenía sus limitaciones, por ejemplo se cumplía solamente en una solución acuosa. Por esta razón, los científicos Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry plantearon una definición en función de la capacidad que tienen las bases de aceptar protones y los ácidos de cederlos, desde este punto de vista se consideran tanto al concepto planteado por Arrehnius como a las reacciones de ácido-base en soluciones no acuosas.

El planteamiento Brønsted-Lowry no se limita a un medio acuso pero se enfoca únicamente a los ácidos que contienen hidrógeno.

Definición según Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry

Reacción química en la que se elimina un catión hidrógeno del ácido el cual se adiciona posteriormente a la base.

Como fórmula general se tiene: AH + B → base conjugada + ácido conjugado

Dónde:

AH = ácido B = base

Base conjugada: ión o molécula que resulta del ácido y cede el protón.

Ácido conjugado: ión o molécula resultante de la base que gana el protón.

Por ejemplo: CH3COOH_(ácido) + H2O_(base)→ CH3COO⁻_{(base conjugada)} + H3O⁺_{(ácido conjugado)}

El agua (H2O) es una sustancia anfótera, es decir, puede comportarse como ácido o como base según el caso.

Posteriormente, el fisicoquímico estadounidense Gilbert N. Lewis no se fundamentó ni en la ionización en un medio acuoso planteada por Arrhenius ni en la transferencia de protones de Brønsted-Lowry, sino que por su parte analizó la transferencia de electrones que se produce en las reacciones de ácido-base. En este sentido, se define a la base como el compuesto capaz de donar un par electrónico y al ácido como el compuesto capaz de recibirlo. A través de este planteamiento se pudieron incluir sustancias que anteriormente no se consideraban en las definiciones anteriores.

Todas las sustancias catalogadas como ácidos en el planteamiento Brønsted-Lowry también son ácidos para Lewis ya que aceptan el par electrónico.

Definición según Lewis

Reacción química que se produce como producto de la donación del par electrónico de la base al ácido. El resultado es un enlace covalente entre los dos compuestos.

Tiene por fórmula general: A + :B → A^–—B⁺

Dónde:

A = ácido de Lewis

B = base de Lewis

A-—B+ = compuesto resultante

Por ejemplo: AlCl3 _(ácido) + :NH3 _(base)→ [Al(NH3)Cl3]

Según la definición de Lewis, la molécula de amoníaco cede su par de electrones sobrante al ácido para producir con este un enlace covalente.

El pH

Permite indicar el grado de acidez o basicidad de soluciones acuosas, sus siglas provienen del fránces pouvoir hydrogène que significa “poder del hidrógeno” debido a que mide la concentración de iones de hidrógeno en dichas disoluciones.

Las sustancias con pH menor a 7 se consideran ácidas, por el contrario de las que tienen un pH superior a 7 que son consideradas como alcalinas.

Las disoluciones se consideran neutras cuando su pH es igual a 7 como es el caso del agua.

Los enlaces químicos

La energía de un agregado de dos o más átomos puede ser menor que la suma de las energías de esos átomos aislados y de ahí que, siguiendo la tendencia de cualquier sistema a alcanzar su estado de mínima energía, los átomos se unan unos con otros de diversos modos para formar moléculas estables. Así, sólo los gases nobles y los metales en estado de vapor están constituidos por átomos aislados.

Todas las demás sustancias están constituidas por moléculas integradas por un número de átomos que puede ir desde dos hasta cientos de miles (polímeros). En la formación del enlace químico intervienen únicamente los electrones de la última capa, los llamados electrones de valencia, que pueden ser parcialmente compartidos entre dos átomos (enlace covalente) o bien cedidos por uno a otro (enlace electrovalente). Es importante destacar que desde el punto de vista de la teoría química actual el enlace químico tiene carácter unitario, basándose siempre en compartir electrones por pares.

Las moléculas están constituidas por la unión de cierto número de átomos iguales o distintos. Se plantea, pues, la cuestión de saber cuál es el nexo que mantiene a los átomos unidos entre sí para formar moléculas. En todos los casos, este nexo se establece únicamente a partir de los electrones que forman la última capa de los átomos, los llamados electrones de valencia.

Hablaremos de cinco tipos de enlace distintos: iónico o electrovalente, covalente, metálico, de hidrógeno y covalente coordinado.

El fundamento del enlace químico es la Ley Física Fundamental según la cual todo sistema evoluciona hacia su estado de energía más bajo. Esta ley explica, por ejemplo, el hecho de que una bola que se encuentra en un recipiente cóncavo se sitúe en el punto más bajo del mismo o bien que, si dos disoluciones de distinta concentración están separadas por un tabique poroso, la concentración de ambas tienda a igualarse por migración del soluto a través del tabique.

Existen cinco tipos de enlaces: iónico o electrovalente, covalente, metálico, de hidrógeno y covalente coordinado.

Para poder aclarar la naturaleza de cada uno de los distintos tipos de enlace listados, antes deberemos explicar algunos conceptos importantes, en particular el concepto de ion, y formular la teoría del octete (u octeto).

Con respecto a la mayor o menor facilidad con que permiten el paso de la corriente eléctrica, los cuerpos se clasifican en:

Aislantes
Conductores:
- de primera clase
- de segunda clase o electrólitos

Los conductores de primera clase son aquellos que, como los metales, no se alteran con el paso de la corriente eléctrica.

Por el contrario, los conductores de segunda clase o electrólitos se descomponen cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Los electrólitos son exclusivamente ácidos, bases o sales fundidos o disueltos en agua u otros líquidos.

El primero que formuló una explicación científica coherente de la descomposición de los electrólitos por el paso de una corriente eléctrica (electrólisis) fue Arrhenius, quien, en 1883-1887, propuso su teoría de la disociación electrolítica. Aunque inicialmente fue recibida sin entusiasmo por los medios científicos, esta teoría ha sido una de las más fecundas de la química moderna, ya que sentó las bases para el desarrollo de la electroquímica, que hoy constituye una de las bases de la química industrial.

Teoría de Arrhenius de la disociación electrolítica

Se denomina ion a un átomo o una partícula formada por varios átomos que posee una carga eléctrica debida a un defecto o un exceso de electrones planetarios. Según sea su carga eléctrica, los iones se clasifican en positivos o cationes y negativos o aniones.

De acuerdo con la teoría formulada por Arrhenius:

Los electrólitos, en disolución o fundidos, se disocian parcialmente en iones dotados de carga eléctrica, siendo la carga total de los iones positivos igual a la carga total de los iones negativos; la disolución en su conjunto permanece neutra.
Las sustancias químicamente análogas se disocian en los mismos iones (por ejemplo, el grupo NO3 de los nitratos, PO4 de los fosfatos o Na de las sales sódicas). La carga eléctrica del ion es igual a su valencia y es negativa para los no metales y radicales no metálicos (aniones) y positiva para los metales (cationes).

Así, por ejemplo, al disociarse electrolíticamente el cloruro de hidrógeno (un ácido), el cloruro de calcio (una sal) y el hidróxido de sodio (una base) tendremos respectivamente:

HCl H+ (1 ion positivo) + Cl- (1 ion negativo)

CaCl2 Ca2+ (1 ion positivo) + 2Cl- (dos iones negativos)

NaOH Na+ (1 ion positivo) + (OH)- (1 ion negativo)

Los iones positivos son más pequeños que los átomos metálicos de los que proceden (por ejemplo, el radio del ion Na+ es sólo muy poco mayor que la mitad del radio del átomo de sodio), mientras que los iones negativos son siempre mayores que los átomos de los no metales a partir de los que se han formado (por ejemplo, el radio del ion Cl- es casi el doble que el radio del átomo de cloro).

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

Ionización

La formación de iones se explica por la cesión o admisión de electrones, generalmente en la capa más externa, por parte de un átomo. Es decir, si un átomo X acepta un electrón se rompe el equilibrio eléctrico en que se encontraba, al pasar a poseer una carga negativa más; tendremos así un ion negativo X-. Si el átomo X hubiera aceptado dos electrones estaríamos ante un ion X2-, etcétera.

Por el contrario, si un átomo X cede un electrón pasará a convertirse en un ion positivo, X+, puesto que su número de cargas negativas será entonces inferior en una unidad al número de cargas positivas del núcleo (protones); en el caso de que cediera dos electrones, se tendría el ion X2+, etcétera.

La ionización no es un fenómeno que pueda producirse únicamente a causa de la disociación de un electrólito en disolución. También por efecto del calor, las radiaciones ionizantes o el choque con otras partículas, un átomo puede perder uno o más electrones o bien absorber electrones extraños. Por ejemplo, en las capas altas de la atmósfera (ionosfera), los átomos del aire son constantemente bombardeados por radiaciones solares de alta energía, las cuales les arrancan electrones. Asimismo, los meteoritos, al atravesar la atmósfera a gran velocidad, producen un calentamiento local del aire, ionizándolo a lo largo de su trayectoria.

Un ion se forma cuando una molécula le “cede” electrones a otra.

Los iones presentes en el aire atraen el polvo y las gotitas de agua, y por esta razón se emplean iones para que actúen como núcleos de condensación con el fin de provocar artificialmente la lluvia. En un proceso esencialmente análogo, en las cámaras de ionización la observación de las trayectorias de las partículas atómicas se basa en la condensación que provocan a su paso.

En determinadas condiciones, un gas puede hallarse completamente ionizado, es decir, con todos sus átomos en defecto de electrones; en ese caso se le denomina plasma. Sin embargo, el propio plasma se encuentra en estado neutro, ya que, al hallarse íntimamente mezclados en todo el espacio ocupado, sus electrones y sus iones positivos compensan sus cargas entre sí.

Teoría del octete

Los gases nobles constituyen el grupo 0 de la Tabla Periódica. Las moléculas de estos gases son monoatómicas, ya que la característica más destacada de estos elementos es que sus átomos carecen prácticamente de capacidad para unirse con otros átomos de su misma o de otra especie.

Todos los gases nobles, a excepción del primer elemento del grupo, el helio, poseen ocho electrones en la última órbita. Este hecho llevó a considerar que ésta era la configuración electrónica más estable. Por ello, Lewis introdujo en 1916 la teoría del octete u octeto: “Cuando los átomos reaccionan entre sí tienden a adquirir la estructura electrónica del gas noble de número atómico más próximo.” Sorprendentemente, esta ingeniosa teoría se ajusta muy bien a la realidad, aunque en el momento en que fue propuesta carecía por completo de verdadera justificación teórica.

Los gases nobles son los elementos que, en las condiciones normales de la Tierra, están formados por un solo tipo de átomos.

Tipos de compuestos orgánicos

Se le llama compuesto o molécula orgánica a las sustancias químicas que están compuestas por carbono y forman enlaces carbono-carbono-carbono-oxígeno. La principal característica de estos compuestos es que pueden ser combustibles.

Existen dos tipos o series de compuestos orgánicos: la serie acíclica, que comprende los compuestos cuyos carbonos están unidos formando cadenas abiertas, ramificadas o no, y la serie cíclica, que comprende los compuestos cuyos carbonos forman cadenas cerradas, anillos o ciclos. Los anillos formados exclusivamente por átomos de carbono se llaman homocíclicos o isocíclicos y, si contienen algún átomo de otro elemento, se llaman heterocíclicos. Entre los primeros, merece especial mención el anillo bencénico, que constituye el núcleo de los compuestos de la llamada serie armática.

Los compuestos acíclicos se denominan alifáticos debido a que los primeros compuestos de este tipo que se estudiaron fueron los ácidos grasos (del griego aliphos, grasa).

Todos los combustibles son compuestos orgánicos.

Los átomos de carbono se denominan primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios según estén enlazados a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono.

En química orgánica existen varios agrupamientos de átomos a los que corresponden propiedades características. Estos agrupamientos se llaman grupos funcionales; y de los compuestos cuya molécula contiene un determinado grupo funcional se dice que pertenecen a la misma función química. Así, por ejemplo, un compuesto posee la función aldehído cuando en su molécula tiene el grupo funcional CHO. El resto de la molécula se denomina radical, y puede influir en la reactividad del grupo funcional.

No obstante, cuando se formulan reacciones de los grupos funcionales es frecuente representar el radical escribiendo simplemente R o Ar, según se trate de un radical hidrocarbonado o un radical aromático.

Finalmente, una misma molécula puede contener varias funciones de la misma clase (función múltiple) o bien diversas funciones de distinta clase (función mixta).

Los átomos de carbono se denominan primarios, secundarios, terciarios o cuaternarios según estén enlazados a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono.

Los alcanos

Los alcanos son compuestos que están formados solo por enlaces entre átomos de carbono e hidrógeno. Comúnmente se los suele llamar también hidrocarburos.

El alcano más simple es el metano, cuya fórmula molecular es CH₄. Admitiendo la tetravalencia del carbono y la monovalencia del hidrógeno, solamente es posible una estructura para el metano:

El alcano con dos átomos de carbono, el etano, tiene por fórmula molecular C₂H₆. Su fórmula estructural es:

Cuando el número de átomos de carbono es n, su fórmula molecular es C_nH_2n+2. Los alcanos pueden suponerse derivados del metano por sustitución sucesiva de un hidrógeno por un grupo metilo, CH₃.

Los alcanos pueden ser de cadena lineal o de cadena ramificada. En la cadena normal cada átomo de carbono está unido directamente a lo sumo a otros dos, es decir, los carbonos son primarios o secundarios; en las cadenas ramificadas existen también átomos de carbono terciarios o cuaternarios:

Una cadena ramificada se puede considerar como una cadena normal en la que la parte de sus átomos de hidrógeno han sido sustituidos por grupos C_nH_2n+1, que se denominan cadenas laterales.

Dado que la fórmula estructural desarrollada ocupa mucho espacio, para los alcanos de cadena larga se acostumbra usar la fórmula estructural abreviada, que se escribe poniendo entre paréntesis las cadenas laterales (y los sustituyentes) para indicar que esos átomos o grupos están directamente unidos al átomo de carbono precedente no escrito entre paréntesis. Por ejemplo, la última fórmula que hemos escrito en forma desarrollada, en forma abreviada se escribiría:

CH3 CH(CH3)CH2 C(CH3)3

Nomenclatura de los alcanos

Los primeros químicos nombraban en general los compuestos haciendo referencia a su origen. Esto dio lugar a una nomenclatura vulgar que, en muchos casos, aún se emplea. A medida que fue aumentando el número de compuestos orgánicos conocidos se fue haciendo evidente la necesidad de sistematizar la nomenclatura, de manera que el nombre de un compuesto reflejara su estructura. La nomenclatura actual se basa en la establecida en el Congreso de Química de Ginebra de 1892 (nomenclatura de Ginebra), que ha sido revisada repetidas veces, siendo las últimas reglas las que recomendó en 1957 la Comisión de Nomenclatura de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). En esta obra seguiremos el sistema de la IUPAC, aunque usaremos nombres vulgares cuando éstos estén muy arraigados.

Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales (relacionados con su historia); a partir del quinto término se nombran según el prefijo griego o latino correspondiente al número de átomos seguido de la terminación -ano.

Los alcanos de cadena normal se indican colocando una n delante del nombre (n-butano) cuando se los quiere diferenciar de los que tienen el mismo número de átomos de carbono pero cadena ramificada en el primer enlace, a los que se antepone el prefijo iso- (iso-butano).

Los radicales monovalentes que se forman eliminando un átomo de hidrógeno de un carbono extremo de un alcano se denominan radicales alquilo. El nombre de cada radical se obtiene cambiando el sufijo -ano del nombre del alcano por -ilo, o bien por -il si el nombre del radical antecede en el nombre del compuesto (por ejemplo, el radical metilo o metil es CH₃).

Para nombrar a los hidrocarburos ramificados se elige la cadena más larga y el compuesto se nombra como derivado de ese alcano de cadena normal. La cadena de carbonos se numera de un extremo a otro, eligiendo empezar por el extremo que permita que los números usados para ubicar las cadenas laterales sean lo más bajos posible. Por ejemplo, el 2-etil-3-metil-pentano sería:

Al examinar las fórmulas de los alcanos se observa que dos cualesquiera de ellos se diferencian en uno o más CH₂. Una serie de compuestos en la que, como en las parafinas, los sucesivos términos se diferencian en un CH₂ se denomina serie homóloga, denominándose homólogos los términos de la misma.

Los constantes físicas (densidad, solubilidad, punto de fusión, índice de refracción, etc.) de los términos de una misma serie homóloga suelen variar de un modo continuo con el aumento del peso molecular, sobre todo los puntos de fusión y de ebullición.

Propiedades generales de los alcanos

Las propiedades físicas de los alcanos siguen la gradación propia de los términos de una serie homóloga. Los cuatro primeros términos de los alcanos normales son gaseosos, del 5 al 16 son líquidos y los términos superiores, sólidos. Son incoloros e inodoros, insolubles en agua, miscibles entre sí y fácilmente solubles en disolventes orgánicos, tales como éter, sulfuro de carbono, benceno, etc. Fácilmente combustibles, arden con llama tanto más luminosa cuanto mayor es el número de carbonos de su molécula. Son estables y químicamente inertes puesto que a temperatura ambiente no son atacados por los ácidos ni las bases fuertes; ésta es la razón por la que se les denomina también parafinas (poca afinidad). Los halógenos se combinan con ellos por sustitución, formándose el derivado halogenado y el hidrácido correspondiente. Así, el metano reacciona con gas cloro dando cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

El proceso puede proseguir hasta la sustitución de todos los hidrógenos por átomos de Cl, formándose tetracloruro de carbono.

El alcano más importante es el metano, que es muy estable, ya que sólo empieza a descomponerse por encima de los 600 °C.

Los alcanos son incoloros, inoloros e insolubles en agua.

Estado natural de los alcanos

Los alcanos son compuestos muy abundantes en la naturaleza. El primer término de la serie, el metano, se desprende en los pantanos como producto de la descomposición de sustancias orgánicas por acción de bacterias anaerobias (es decir, en ausencia de aire); de ahí su antiguo nombre de gas de los pantanos. También se desprende en las minas de carbón (grisú), donde puede provocar peligrosas explosiones. Es el principal componente del gas natural, cada día más utilizado por ser un combustible limpio y de elevado poder calorífico. Los demás alcanos se hallan contenidos en el gas natural y en el petróleo, del que pueden obtenerse muchos hidrocarburos saturados por destilación fraccionada. El propano y el butano son constituyentes del gas natural y del gas de los pozos petrolíferos, de los cuales se pueden separar por fraccionamiento. Se utilizan como combustibles, comercializándose licuados bajo presión en bombonas, a diferencia del gas natural, que se suministra por cañerías.

Producción de Detergentes

A mediados del siglo XX el jabón era la única sustancia utilizada para remover la suciedad e impurezas a nivel doméstico pero con el auge de las lavadoras automáticas y la escasez del jabón generada durante la segunda guerra mundial, aparecen los detergentes.

Detergente

Los detergentes son sustancias que tienen la propiedad química de disolver la suciedad o las impurezas. Estas sustancias tienen propiedades o características especiales, como influir por medio de la tensión superficial entre dos fases, siendo sus componentes dos líquidos insolubles uno en otro. Además contienen moléculas anfipáticas o también llamadas anfifílicas, es decir, moléculas que poseen un extremo soluble en agua (hidrofílico) y otro extremo que rechaza el agua (hidrófobo).

Componentes de un detergente

Surfactantes: son sustancias orgánicas anfifílicas. Cuando éstas se encuentran en un medio acuoso, las moléculas se distribuyen en la superficie acuosa para ocasionar que el extremo hidrófobo o insoluble en agua se excluya de la fase. Los sulfonatos, jabones y alcoholes son surfactantes muy utilizados.

Agentes suavizadores y blanqueadores: Su función es mejorar la textura de la ropa haciendo que las fibras de las mismas puedan deslizarse entre sí. Los agentes blanqueadores como su nombre lo dice, se encargan de blanquear las fibras textiles. Los hipohaluros y las sales inorgánicas peroxigenadas son algunos ejemplos.

Unos de los principales usos de los detergentes es en el área de lavandería.

Agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA): Son aquellos que se encargan de reducir la espuma.

Agentes secuestrantes mejorados: se encargan de mejorar la acción limpiadora del surfactante por medio de varios efectos. Otra función es mantener el pH del detergente en condiciones alcalinas y eliminar los ácidos grasos. Como algunos ejemplos se tienen los fosfatos y los carbonatos de sodio.

Perfumes: estos tienen como función dar un olor agradable a los detergentes, entre los más comunes se pueden nombrar el hidroxicitronelal, el geraniol, el linalol y el mentol.

Producción de detergentes

Los detergentes pueden producirse de diferentes maneras. La producción de detergentes líquidos y en forma de polvos son las más comunes en cuanto a su producción y consumo a nivel mundial. Países como Alemania, Turquía y Estados Unidos son los principales productores de detergentes y, referente al consumo a nivel mundial, países como Canadá, Alemania, Estados Unidos, Reino Unido y Rusia son los principales consumidores.

¿Sabías qué...?

El primer detergente fue el Persil, fabricado en Alemania en 1906 por la multinacional alemana Henkel. El Persil consistía en una mezcla de jabón, al cual se le agregó perborato y silicato, ambos sólidos.

Producción de detergentes en forma de polvos

Para llegar a obtener detergentes en polvo existen diferentes tipos de métodos industriales. Estos métodos son complejos y requieren del equipo apropiado para ejecutarlos. En la actualidad los métodos utilizados son: secado por atomización (spray drying), neutralización en seco y aglomeración. Cabe destacar que los encargados de fabricar este tipo de detergentes son las grandes empresas en el sector industrial.

Producción de detergentes líquidos

Para la fabricación de detergentes en estado líquido, sólo se deben añadir los componentes ya mencionados y las concentraciones de los mismos dependen de la cantidad de detergente que se desee fabricar. Estos componentes deben agitarse mientras se mezclan hasta obtener el color y olor requerido. Es importante mencionar que estas sustancias no deben ingerirse bajo ninguna circunstancia ya que sus componentes son tóxicos para nuestro organismo interno.

Los detergentes líquidos pueden fabricarse de manera casera ya que su proceso es sencillo.

¿Sabías qué...?

Los jabones poseen las mismas propiedades que poseen los detergentes, sin embargo, no son considerados como tal debido a que su propiedad de remover la suciedad se produce a través de un proceso diferente al de los detergentes.

La saponificación le otorga a los jabones la propiedad de remover impurezas.

Polímeros: Hidrocarburos conformados por macromoléculas

En la naturaleza y en productos fabricados por el hombre se pueden encontrar algunos compuestos llamados polímeros. Las proteínas y el caucho son algunos ejemplos de estas estructuras químicas que nos rodean.

Polímero

Son macromoléculas (moléculas de gran tamaño) que están conformadas por cientos de miles de moléculas más pequeñas y se caracterizan porque una misma unidad se repite muchas veces a lo largo de una cadena. Un polímero está conformado por una cantidad indefinida de monómeros, los cuales son moléculas pequeñas que lo conforman por medio de un proceso denominado polimerización. Este proceso se encarga de enlazar o unir esas pequeñas moléculas.

Clasificación de los Polímeros

Los polímeros pueden clasificarse según su origen y según el comportamiento que adquieren a elevadas temperaturas.

Según su origen.

Naturales: son aquellos que se pueden encontrar en la naturaleza como las proteínas, la seda, el caucho, el almidón y el algodón, entre otros.

En el caso del almidón su monómero es la glucosa, por otro lado, las proteínas presentan como monómero a los aminoácidos.

Sintéticos: son aquellos que se elaboran en un laboratorio o industria a partir de un monómero natural. Entre los más comunes se encuentran el nailon, la porcelana y el vidrio.

En la vida cotidiana se utilizan normalmente polímeros naturales.

Según su comportamiento a elevadas temperaturas.

Termoplásticos: son materiales rígidos a temperatura ambiente, pero al aplicarles temperatura se vuelven moldeables y blandos, por lo que se pueden fundir y moldear varias veces sin cambiar sus propiedades. Algunos son el poliéster, la seda, el polietileno, la lana, entre otros.

Termoestables: son materiales rígidos, frágiles, resistentes al calor o a la aplicación de elevadas temperaturas. Una vez que son moldeados no pueden volver a su forma original. Por ejemplo: la baquelita y el PVC.

Los plásticos son uno de los polímeros más usados por el hombre.

Comportamiento térmico de un Polímero

Temperatura de ebullición: los polímeros se degradan debido a la aplicación del calor y por lo tanto, pueden romperse.

Temperatura de fusión: la fusión de un polímero tiene dos zonas, la primera llamada zona amorfa, donde se da el desorden de moléculas ocurriendo a una temperatura de transición determinada y la segunda, zona cristalina, la cual ocurre a la temperatura de fusión.

Debido a que los polímeros son moléculas conformadas por un gran número de átomos, resulta imposible que la misma esté totalmente ordenada, por lo cual un polímero en estado sólido presenta zonas amorfas y cristalinas.

Hoy en día existen varias industrias que se dedican a la fabricación de polímeros para ser utilizados más adelantes en otras ramas como la textil.

Grado de polimerización

Se refiere al número de veces en la que el monómero se repite para formar el polímero. Los polímeros con grados de polimerización muy bajos se pueden encontrar en estado líquido a temperatura ambiente como los aceites sintéticos y ceras. Por otro lado, aquellos que presentan grados de polimerización superiores normalmente son sólidos a temperatura ambiente.

¿Sabías qué...?

Los polímeros están presentes en nuestra vida cotidiana sin notarlo. La ropa que utilizamos, el papel de nuestra agenda o el escritorio de la oficina donde trabajamos son simples ejemplos de esto.

La polimerización

El proceso mediante el cual se sintetizan los polímeros partiendo de sus monómeros se conoce como polimerización. Los polímeros pueden presentar una estructura lineal (formados por una cadena de monómeros) o ramificados (dos o más cadenas de monómeros). Existen dos formas para sintetizar un polímero: la polimerización por adición y por condensación.

Polimerización por adición: Es el proceso en el que el producto polimérico contiene todos los átomos del monómero inicial, es decir, toda la molécula del monómero pasa a formar parte de la macromolécula.

En la polimerización por adición del polietileno, todos los átomos del monómero (etileno) se adicionan en su totalidad para formar la macromolécula.

Polimerización por condensación: En este tipo de polimerización el monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero (generalmente la pérdida consiste en una molécula pequeña). Debido a esto, en la polimerización por condensación se tienen subproductos.

El nailon se obtiene a través de la polimerización por condensación. Algunas de las cuerdas de una guitarra están elaboradas con este material.

La viscosidad de los polímeros

En la medida que el peso molecular aumenta, el material tendrá mejores propiedades mecánicas pero tendrá peores propiedades de flujo, el material será más resistente al fluir porque será más viscoso, esto referente a la hora de procesar el polímero. Cuando se fabrican piezas con él, si el polímero es muy viscoso puede dar lugar a la obtención de piezas defectuosas obtenidas por procesos como el moldeo.

OTRAS CLASIFICACIONES DE LOS POLÍMEROS

Los polímeros al estudiarse más a profundidad también pueden clasificarse según su forma, aplicación, orden espacial, propiedades como la cristalinidad y su estructura.

Elastómeros

Los elastómeros son un tipo de polímero muy utilizado, son aquellos que tienen un comportamiento elástico, lo cual les permite deformarse fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura.

Compuestos orgánicos

Seguramente has escuchado a alguien decir “somos química”, pues no hay nada más cierto que esta afirmación. Ya que a nivel molecular, el ser humano está constituido por diversos compuestos orgánicos, como: proteínas, carbohidratos, aminas y azúcares.

En la química orgánica existe una gran variedad de compuestos, formados en su mayoría por combinaciones de átomos de carbono. El carbono es un elemento químico capaz de formar enlaces fuertes con otros átomos de carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, entre otros.

La química orgánica es la rama de la química que estudia los compuestos de carbono.

Los compuestos de carbono hidrógeno, también conocidos como hidrocarburos están formados por átomos de carbono e hidrógeno unidos mediante enlaces covalentes simples o múltiples, estos últimos tienen gran influencia en el comportamiento químico de los hidrocarburos.Compuestos carbono hidrógeno

¿Qué es la cadena carbonada?

La cadena carbonada es la unión de varios átomos de carbono a través de enlaces sigma (σ) y pi (π), también se le denomina esqueleto carbonado.

De acuerdo a la estructura de su cadena carbonada, los hidrocarburos se clasifican de la siguiente manera:

Alifáticos acíclico: son aquellos compuestos formados por cadenas de carbono abiertas, las cuales pueden ser lineales o ramificadas.

Tipos de carbono

En el esqueleto carbonado de una molécula se distinguen varios tipos de carbono:

Carbono primario: enlazado a 1 átomo de carbono y 3 hidrógenos.

Carbono secundario: enlazado a 2 átomos de carbono y 2 hidrógenos.

Carbono terciario: enlazado a 3 átomos de carbono y 1 hidrógeno.

Carbono cuaternario: enlazado a 4 átomos de carbono.

Inténtalo en casa, ¿cuál de las siguientes opciones es la correcta?

El 2,2,5-trimetilhexano tiene 5C 1^rio, 2C 2^rio, 2C 3^rioy 1C 4^rio
El 2,2,5-trimetilhexano tiene 6C 1^rio, 2C 2^rio, 1C 3^rio y 1C 4^rio
El 2,2,5-trimetilhexano tiene 5C 1^rio, 3C 2^rio, 1C 3^rio y 1C 4^rio
El 2,2,5-trimetilhexano tiene 5C 1^rio, 2C 2^rio, 1C 3^rio y 1C 4^rio

Insaturados: compuestos de carbono hidrógeno que tienen enlaces simples y múltiples, se dividen en:
- Alquenos: son aquellos que contienen un doble enlace (uno σ y otro π) en su cadena carbonada.
- Alquinos: poseen un triple enlace (uno σ y dos π) en su cadena carbonada.

Las bolsas plásticas están hechas de polietileno [-(CH2-CH2)n-], un polímero formado a partir del eteno.

Alicíclicos: son los compuestos formados por cadenas de carbono cerradas, estas pueden tener ramificaciones.

Saturados: cadenas carbonadas cerradas formadas únicamente por enlaces simples (σ), se conocen como cicloalcanos.

Insaturados: cadenas carbonadas cerradas que tienen enlaces simples y múltiples, se clasifican en:
- Cicloalquenos: son los que poseen dobles enlaces (uno σ y otro π) no alternados.
- Cicloalquinos: constituidos por al menos un triple enlaces (uno σ y dos π).

Aromáticos: son los hidrocarburos que poseen enlaces π conjugados, cuya deslocalización de electrones π disminuye la energía electrónica de la molécula. Existen moléculas donde la deslocalización de electrones π aumenta la energía electrónica de la misma, estos compuestos se conocen como antiaromáticos.

Los hidrocarburos aromáticos se clasifican en:

– Benceno y derivados, algunos ejemplos de este tipo de compuestos son:

¿Cómo saber si es aromático o antiaromático?

Para saber si un hidrocarburo con enlaces π conjugados es aromático o antiaromático se utiliza la Regla de Hückel, la cual nos indica que para que un compuesto sea considerado aromático el número de electrones π deslocalizados debe ser igual a 4N+2, en caso de ser igual a 4N se dice que la estructura es antiaromática.

3 enlace π	4 enlace π
Cada enlace tiene 2 electrones (e^–), entonces hay 6 e^– π	Cada enlace tiene 2 electrones (e^–), entonces hay 8 e^– π
4N + 2 = 6 e^– π	4N = 8 e^– π
Se cumple para N igual 1, por lo cual es aromático.	Se cumple para N igual 2, por lo cual es antiaromático.

– Polinucleares, las cuales están constituidas por dos o más ciclos unidos entre sí, algunos de los compuestos más representativos de este grupo son:

El petróleo está constituido por una mezcla de diferentes hidrocarburos.

Compuestos carbono halógenos

Son aquellos compuestos que poseen al menos un enlace simple (σ) entre un átomo de carbono y un halógeno (-C-X, donde X = Cl, F, I, Br), se les denomina haluros. Entre los más representativos están:

Compuestos carbono oxígeno

Son los compuestos que tienen enlaces simples o múltiples entre un átomo de carbono y uno oxígeno. Entre los compuestos carbono oxígeno se encuentran:

Alcoholes: son lo compuestos que contienen en su estructura al menos un enlace C-OH.

Alcohol ≠ Fenol

Los fenoles son compuestos carbono oxígeno que poseen enlaces entre un átomo de carbono aromático y el oxígeno del grupo -OH. Las propiedades químicas de los fenoles son distintas a la de los alcoholes, por lo cual se les considera un tipo de compuesto o familia diferente.

Algunas sustancias como el vino contienen polifenoles, los cuales tienen una gran capacidad antioxidante.

Éteres: tienen un átomo de oxígeno enlazado a través de enlaces simples a dos átomos de carbono (R-O-R´).

Ácidos carboxílicos: poseen en su esqueleto carbonado la función –COOH.

Cetonas: tienen la siguiente forma R-CO-R, donde R puede ser un radical alifático, alicíclico o aromático.

Aldehídos: son los que contienen el grupo funcional –CHO.

Ésteres: son derivados de los ácidos carboxílicos, su grupo funcional es –COOR, donde R puede ser un radical alifático, alicíclico o aromático.

Algunos ésteres se emplean en la fabricación de fragancias o perfumes.

Compuestos carbono nitrógeno

Como su nombre lo indica, son los compuestos que contienen enlaces simples o múltiples entre un átomo de carbono y uno de nitrógeno. Entre los tipos de moléculas orgánicas con enlace C-N se encuentran:

Aminas: contienen enlaces simples carbono nitrógeno, pueden ser primarias (-NH₂), secundarias (-NRH) o terciarias (-NR₂)

Nitrilos: en su esqueleto carbonado tienen un enlace triple carbono nitrógeno (-C≡N).

A continuación un resumen de los grupos funcionales característicos de algunos compuestos carbono oxígeno:

Normas generales de nomenclatura orgánica

Para poder identificar los diferentes compuestos orgánicos que existen se aplican una serie de normas establecidas por la Unión Internacional para la Química Pura y Aplicada (IUPAC por sus siglas en inglés), dichas normas consisten en lo siguiente:

Identificar según el orden de prioridad de los grupos funcionales el tipo de compuesto, para ello se emplea la siguiente tabla:

Orden de prioridad	Grupo funcional presente	Sufijo
1	Ácidos carboxílicos	ico
2	Ésteres (y otros derivados de ácidos carboxílicos)	ato
3	Nitrilos	nitrilo
4	Aldehídos	al
5	Cetonas	ona
6	Alcoholes y fenoles	ol
7	Aminas	amina
8	Alquenos	eno
9	Alquinos	ino
10	Alcanos	ano

Seleccionar la cadena principal, la cual siempre es la más larga y la que contiene el grupo funcional de mayor prioridad.

Enumerar la cadena principal, para ello se debe asigna la numeración más baja posible al grupo funcional de mayor prioridad y a los radicales e insaturaciones presentes.

Identificar los radicales o sustituyentes presentes, se entiende por radicales todas aquellas ramificaciones que quedan unidas a la cadena.

Se nombran los radicales por orden alfabético, en casos donde los sustituyentes se encuentran repetidos se utilizan prefijos de cantidad, por ejemplo: di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5, hexa = 6 y así sucesivamente.

Por último se indica el nombre del compuesto en base al grupo funcional principal y al número de carbonos que forman la cadena principal, cada tipo de compuesto tiene una terminación o sufijo particular.

Reconociendo grupos funcionales

El anís estrellado debe su sabor a un compuesto químico denominado anetol, indica los grupos funcionales presentes en su estructura química:

¡Inténtalo en casa! , indica los grupos funcionales presentes en la estructura química del GABA y la aspirina.

Los compuestos de tipo orgánico se encuentran en diversos productos de nuestra vida cotidiana, algunos ejemplos se describen a continuación:

Compuestos orgánicos en la vida cotidiana

Uso cotidiano

Estructura química

Grupo funcional

El gas natural se emplea en las cocinas domésticas.

Propano

Alcano lineal

Las bolas de naftalina se emplean como insecticida.

Naftaleno

Aromático polinuclear

El ibuprofeno es un medicamento antiinflamatorio no esteroideo.

Ácido 2-(4-isobutilfenil)propanoico

Ácido carboxílico

Las bebidas alcohólicas como el vino contienen etanol.

Etanol

Alcohol

La canela debe su olor característico al cinamaldehído.

Cinamaldehído

Aldehído

Moléculas polares y Moléculas no polares

Polos opuestos

A diario los seres humanos están en contacto con sustancias químicas cuyas propiedades son únicas. Estas dependen de la naturaleza de cada molécula, las cuales pueden ser polares o no polares.

Para entender esta clasificación es necesario definir los siguientes conceptos: electronegatividad, enlace covalente polar y no polar.

Electronegatividad

La electronegatividad es la capacidad de un elemento químico de atraer electrones, existe una regla sencilla para saber que átomos son más electronegativos dentro de una molécula utilizando la tabla periódica. La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en los periodos y disminuye de arriba hacia abajo en los grupos de la tabla periódica, siendo el flúor (F) el elemento más electronegativo y el francio (Fr) el menos electronegativo.

Enlace covalente polar y no polar

Un enlace covalente no polar está constituido por dos átomos de igual electronegatividad, por ejemplo: el hidrógeno molecular (H₂), formado por dos átomos de hidrógeno: H-H, cuyos electrones se comparten equitativamente. En tanto, un enlace covalente polar es aquel formado por dos átomos con electronegatividades diferentes, por ejemplo el ácido fluorhídrico (H-F), donde el átomo de flúor es el más electronegativo, este posee una carga parcial negativa (δ^–), el hidrógeno es el menos electronegativo y posee una carga parcial positiva (δ⁺). La magnitud que mide la polaridad de un enlace covalente se llama momento dipolar (µ).

Moléculas polares y no polares

Una molécula es polar si la suma vectorial de los momentos dipolares de cada uno de sus enlaces es diferente de cero. Por ejemplo: el agua, constituida por dos átomos hidrógeno parcialmente positivos enlazados a un átomo de oxígeno con carga parcial negativa tiene un µ > 0.

En cambio, una molécula será no polar si la suma vectorial de los momentos dipolares de cada enlace es igual a cero. Por ejemplo: el metano, está formado por cuatro átomos hidrógenos con carga parcial positiva enlazados a un carbono con carga parcial negativa, debido a la orientación de los momentos dipolares de cada enlace C-H estos se cancelan entre sí dando como resultado un µ = 0.

Al comparar el agua con el metano puedes observar que poseen propiedades diferentes entre sí, debido a su naturaleza polar y no polar respectivamente. En general, las moléculas polares tienen mayor punto de ebullición y fusión que las no polares de igual masa molar.

Propiedades	Metano	Agua
Masa molar	16 g/mol	18 g/mol
Punto de ebullición	-161,5 ºC	100 ºC
Punto de fusión	-182 ºC	0 ºC

Combustión completa e incompleta

Siempre nos resulta interesante una explosión de fuegos artificiales, disfrutamos el brillo, los colores y la iluminación del cielo delante de nuestros ojos. ¿Y esto tiene algo que ver con química? Pues sí, la química está involucrada íntimamente con numerosos procesos que están presentes en nuestra cotidianidad, el destello de luces que observamos cuando explotan los fuegos artificiales no es más que un proceso de combustión, en el que la pólvora interactúa con oxígeno y un iniciador que propicia la ignición.

Fuegos artificiales, un espectáculo de combustión.

Cuando hablamos de un proceso de combustión nos referimos a una reacción química, de carácter exotérmico, que involucra un cambio de estado de oxidación, en el cual hay una transformación de la materia para producir energía y esta puede apreciarse en forma de luz o calor. La cual necesita de tres actores principales: El comburente, es aquel agente que provoca se lleve a cabo la oxidación, el oxígeno (O₂). El combustible, un material que contiene fundamentalmente carbono, en estado sólido, líquido o gaseoso, este es que es el que se quema. Y el iniciador, que pudiera ser calor o temperatura, y que representa la energía de activación para que el proceso pueda llevarse a cabo.

La energía eléctrica puede generarse gracias a un proceso de combustión.

Una reacción química es exotérmica cuando se genera un desprendimiento de energía en la transformación de reactivos a productos.

Los tres actores mencionados anteriormente (combustible comburente e iniciador), son los protagonistas de la escena principal. Es necesaria la presencia de todos o el proceso no podrá llevarse a cabo. En caso de tener solo el combustible y el comburente, sin la presencia de un iniciador, la combustión no será inducida. Todo es cuestión de oxígeno (O₂), pues si existe una deficiencia de este, el carbono no se oxidará por completo, de forma que producirá compuestos con bajo estado de oxidación como el monóxido de carbono (CO), compuestos no quemados o incluso parte de combustible, a este se le denomina combustión incompleta, pues el combustible no fue quemado por completo. Mientras que cuando se producen compuestos con mayor estado de oxidación, todo el carbono presente en el combustible se transforma en dióxido de carbono (CO₂) y el hidrógeno en agua (H₂O), se denomina combustión completa, pues el combustible se quemó en su totalidad.

Las industrias utilizan a diario la combustión.

Ahora bien, la elección entre la combustión completa e incompleta, será de acuerdo a las necesidades, en algunos casos la energía necesaria implica la incineración total del combustible.

Sin embargo en diversos casos industriales se desea transformar la materia prima en pequeñas fracciones que sirvan como alternativas energéticas para cubrir la demanda de otros procesos. Por ejemplo la producción de otros gases inflamables, que permitan la obtención de una energía controlada con respecto a la obtenida cuando el proceso es completo.

Como hemos visto, la combustión, representa uno de los procesos químicos que más está relacionado con todo lo que nos rodea, existen muchos ejemplos de la vida diaria que involucran este fenómeno, pues evidentemente necesitamos energía para desarrollar todas nuestras actividades, que van desde labores sencillas en el hogar hasta aplicaciones a nivel industrial.

La combustión es parte del uso cotidiano.

Por ejemplo, cuando necesitamos desplazarnos de un lugar a otro por motivo de viaje, para ir al trabajo, a la escuela o a grandes distancias, generalmente la vía que escojamos utiliza combustible fósil a excepción de los trenes y autos eléctricos. La gasolina es el combustible que se usa con más frecuencia, es una mezcla de hidrocarburos, que al combinarse con oxígeno y una fuente de ignición, se quema y produce energía, la cual es almacenada y distribuida para permitir el cumplimiento de las diversas funciones.

Los hidrocarburos son moléculas formadas principalmente por carbono e hidrógeno.

El monóxido de carbono (CO₂) es tan tóxico, que es capaz de interrumpir el transporte de oxígeno en la sangre de los seres vivos, provocando un envenenamiento de la misma. Y como sin oxígeno no hay vida, te recomendamos tener mucho cuidado con este gas incoloro.

CALENTAMIENTO GLOBAL

¡Pero no todo es energía! En la transformación de la materia hay reacciones de desecho, dando lugar a productos no deseados como gases altamente tóxicos, tanto que pueden llegar a ser perjudiciales para los seres vivos, entre los cuales podemos destacar el monóxido de carbono (producto de la combustión incompleta) y el dióxido de carbono (producto de combustión completa). Estos gases son contaminantes de la atmosfera, ya que participan en el calentamiento global, el efecto invernadero, la lluvia ácida y otras alteraciones ambientales.