Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres Otra clase de moléculas orgánicas contiene un átomo de carbono conectado a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace, comúnmente llamado grupo carbonilo. El carbono trigonal plano del grupo carbonilo se une a otros dos sustituyentes para originar varias subfamilias (aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres), las cuales se describen en esta sección. Aldehídos y cetonas Tanto los aldehídos como las cetonas contienen un grupo carbonilo : un grupo funcional con doble enlace carbono-oxígeno. Los nombres de los compuestos aldehídicos y cetónicos se derivan mediante reglas de nomenclatura similares a las de los alcanos y alcoholes, y constan de los sufijos identificadores de clase -al y -ona , respectivamente. En un aldehído, el grupo carbonilo está enlazado al menos a un átomo de hidrógeno. En una cetona, el grupo carbonilo está enlazado a dos átomos de carbono. Como texto, un grupo aldehído se representa como –CHO; la cetona se representa como –C(O)– o –CO–. Tanto en los aldehídos como en las cetonas, la geometría alrededor del átomo de carbono del grupo carbonilo es trigonal plana; el átomo de carbono presenta hibridación sp 2 . Dos de los orbitales sp 2 en el átomo de carbono del grupo carbonilo se utilizan para formar enlaces σ con los demás átomos de carbono o hidrógeno de una molécula. El orbital híbrido sp 2 remanente forma un enlace σ con el átomo de oxígeno. El orbital p no hibridado del átomo de carbono en el grupo carbonilo se superpone con un orbital p del átomo de oxígeno para formar el enlace π en el doble enlace. Al igual que el enlace C = O en el dióxido de carbono, el enlace C = O de un grupo carbonilo es polar (recordemos que el oxígeno es significativamente más electronegativo que el carbono, y los electrones compartidos son atraídos hacia el átomo de oxígeno y alejados del átomo de carbono). Muchas de las reacciones de aldehídos y cetonas comienzan con la reacción entre una base de Lewis y el átomo de carbono del extremo positivo del enlace polar C = O para dar lugar a un intermedio inestable que posteriormente sufre uno o más reajustes estructurales para formar el producto final ( ). El grupo carbonilo es polar y la geometría de los enlaces alrededor del carbono central es trigonal plana. La importancia de la estructura molecular en la reactividad de los compuestos orgánicos se ilustra con las reacciones que producen aldehídos y cetonas. Podemos preparar un grupo carbonilo mediante la oxidación de un alcohol: en las moléculas orgánicas, se dice que la oxidación de un átomo de carbono se produce cuando un enlace carbono-hidrógeno se sustituye por un enlace carbono-oxígeno. La reacción inversa (la sustitución de un enlace carbono-oxígeno por un enlace carbono-hidrógeno) es la reducción de ese átomo de carbono. Recordemos que al oxígeno se le asigna un número de oxidación -2, a menos que sea elemental o esté unido a un flúor. Al hidrógeno se le asigna un número de oxidación de +1, a menos que esté unido a un metal. Dado que el carbono no tiene ninguna regla específica, su número de oxidación se determina algebraicamente mediante la factorización de los átomos a los que está unido y la carga global de la molécula o del ion. En general, un átomo de carbono unido a uno de oxígeno tendrá un número de oxidación más positivo y un átomo de carbono unido a uno de hidrógeno tendrá un número de oxidación más negativo. Esto debería encajar a la perfección con la comprensión que se tenga acerca de la polaridad de los enlaces C–O y C–H. Los otros reactivos y los posibles productos de estas reacciones están fuera del alcance de este capítulo, por lo que nos centraremos apenas en los cambios en los átomos de carbono. Oxidación y reducción en química orgánica El metano representa la forma completamente reducida de una molécula orgánica que contiene un átomo de carbono. La sustitución secuencial de cada uno de los enlaces carbono-hidrógeno por un enlace carbono-oxígeno daría lugar a un alcohol, luego a un aldehído, después a un ácido carboxílico (del que hablaremos más adelante) y, finalmente, a dióxido de carbono. CH 4 ⟶ CH 3 OH ⟶ CH 2 O ⟶ HCO 2 H ⟶ CO 2 ¿Cuáles son los números de oxidación de los átomos de carbono en las moléculas que se muestran aquí? Solución En este ejemplo, podemos calcular el número de oxidación (revise el capítulo sobre las reacción de reducción-oxidación, de ser necesario) para el átomo de carbono en cada caso (tenga en cuenta que esto se dificultará en el caso de las moléculas más grandes con átomos de carbono y átomos de hidrógeno adicionales, razón por la cual los químicos orgánicos utilizan la definición que trata de reemplazar los enlaces C-H con enlaces C-O). En el caso del CH 4 , el átomo de carbono tiene un número de oxidación de -4 (a los átomos de hidrógeno se les asigna un número de oxidación de +1 y el átomo de carbono lo equilibra con un número de oxidación de -4). En cuanto al alcohol (en este caso, metanol, el átomo de carbono tiene un número de oxidación de -2 (al átomo de oxígeno se le asigna -2, a cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno se le asigna +1, y el átomo de carbono equilibra la suma al tener un número de oxidación de -2. Observe que, en comparación con el átomo de carbono en CH 4 , este ha perdido dos electrones por lo que se ha oxidado). Con respecto al aldehído, el número de oxidación del átomo de carbono es 0 (-2 para el átomo de oxígeno y +1 por cada átomo de hidrógeno que ya se equilibra a 0, por lo que el número de oxidación para el átomo de carbono es 0). En relación con el ácido carboxílico, el número de oxidación del átomo de carbono es +2 (dos átomos de oxígeno, cada uno en -2 y dos átomos de hidrógeno en +1). En lo que se refiere al dióxido de carbono, el número de oxidación del átomo de carbono es +4 (aquí, el átomo de carbono tiene que equilibrar la suma de -4 de los dos átomos de oxígeno). Compruebe lo aprendido Indique si los átomos de carbono marcados en las tres moléculas aquí están oxidados o reducidos en relación con el átomo de carbono marcado en el etanol: En este caso no hace falta calcular los estados de oxidación, sino que basta con comparar los tipos de átomos enlazados a los átomos de carbono marcados. Respuesta: (a) reducido (el enlace al átomo de oxígeno ha sido sustituido por el enlace al átomo de hidrógeno); (b) oxidado (un enlace al átomo de hidrógeno ha sido sustituido por un enlace al átomo de oxígeno); (c) oxidado (2 enlaces a átomos de hidrógeno han sido sustituidos por enlaces a un átomo de oxígeno). Los aldehídos se preparan habitualmente mediante la oxidación de alcoholes, cuyo grupo funcional –OH se sitúa en el átomo de carbono al final de la cadena de átomos de carbono del alcohol: Los alcoholes que tienen sus grupos –OH en el centro de la cadena son necesarios para sintetizar una cetona, lo cual exige que el grupo carbonilo esté enlazado a otros dos átomos de carbono. Un alcohol con su grupo –OH enlazado a un átomo de carbono que no está enlazado a ningún otro átomo de carbono formará un aldehído. Un alcohol con su grupo –OH enlazado a otros dos átomos de carbono formará una cetona. Si hay tres carbonos unidos al carbono enlazado al –OH, la molécula no tendrá ningún enlace C-H que sustituir, por lo que no será susceptible de oxidación. El formaldehído, un aldehído de fórmula HCHO, es un gas incoloro de olor penetrante e irritante. Se vende en una solución acuosa que recibe el nombre de formalina, la cual contiene aproximadamente 37 % de formaldehído en peso. El formaldehído provoca la coagulación de las proteínas, por lo que mata las bacterias (y cualquier otro organismo vivo) y detiene muchos de los procesos biológicos que causan la descomposición de los tejidos. Así, el formaldehído se utiliza para conservar muestras de tejidos y embalsamar cadáveres. También se utiliza para esterilizar la tierra u otros materiales. El formaldehído se emplea en la fabricación de baquelita, un plástico duro de gran resistencia química y eléctrica. La dimetil cetona, CH 3 COCH 3 , mejor conocida como acetona, es la cetona más simple. Se fabrica comercialmente mediante la fermentación de maíz o melaza, o por oxidación del 2-propanol. La acetona es un líquido incoloro. Entre sus múltiples usos se encuentran como disolvente de lacas (incluido el esmalte de uñas), acetato de celulosa, nitrato de celulosa, acetileno, plásticos y barnices; como removedor de pinturas y barnices, y como disolvente en la fabricación de productos farmacéuticos y químicos. Ácidos carboxílicos y ésteres El olor del vinagre se debe a la presencia de ácido acético, un ácido carboxílico, en el vinagre. El olor de los plátanos maduros y de muchas otras frutas se debe a la presencia de ésteres, compuestos que se pueden preparar por la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol. Dado que los ésteres no tienen enlaces de hidrógeno entre las moléculas, tienen presiones de vapor más bajas que los alcoholes y los ácidos carboxílicos de los que derivan (vea la ). Los ésteres son los que dan el olor que se asocia a diversas plantas y sus frutos. Tanto los ácidos carboxílicos como los ésteres contienen un grupo carbonilo con un segundo átomo de oxígeno unido al átomo de carbono del grupo carbonilo mediante un enlace simple. En el ácido carboxílico, el segundo átomo de oxígeno también se une a un átomo de hidrógeno. En un éster, el segundo átomo de oxígeno se une a otro átomo de carbono. Los nombres de los ácidos carboxílicos y los ésteres contienen prefijos que denotan las longitudes de las cadenas de carbono en las moléculas y se derivan conforme a reglas de nomenclatura semejantes a las de los ácidos inorgánicos y las sales (vea estos ejemplos). Los grupos funcionales para un ácido y para un éster se muestran en rojo en estas fórmulas. El átomo de hidrógeno del grupo funcional de un ácido carboxílico reacciona con una base para formar una sal iónica. Los ácidos carboxílicos son débiles (vea el capítulo sobre ácidos y bases), lo que significa que no se ionizan al 100 % en el agua. Por lo general, apenas un 1 % de las moléculas de un ácido carboxílico disuelto en agua se ionizan en un momento dado. Las moléculas restantes no se disocian en la solución. Los ácidos carboxílicos se preparan mediante la oxidación de aldehídos o alcoholes, cuyo grupo funcional –OH está situado en el átomo de carbono del final de la cadena de átomos de carbono del alcohol. Los ésteres se producen por la reacción de los ácidos con los alcoholes. Por ejemplo, el éster acetato de etilo, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 , se forma cuando el ácido acético reacciona con el etanol: El ácido carboxílico más simple es el ácido fórmico, HCO 2 H, conocido desde 1670. Su nombre proviene de la palabra latina formicus , que significa "hormiga"; se aisló por primera vez mediante la destilación de hormigas rojas. Es responsable en parte del dolor y de la irritación que causan las picaduras de hormigas y avispas, y da ese olor característico que a veces se detecta en los hormigueros. El ácido acético, CH 3 CO 2 H, constituye del 3 % al 6 % del vinagre. El vinagre de sidra se produce con la fermentación del zumo de manzana sin la presencia de oxígeno. Las células de levadura presentes en el zumo llevan a cabo las reacciones de fermentación. Las reacciones de fermentación transforman el azúcar presente en el zumo en etanol y luego en ácido acético. El ácido acético puro tiene un olor penetrante y produce quemaduras dolorosas. Es un excelente disolvente para muchos compuestos orgánicos y algunos inorgánicos, y es esencial en la producción de acetato de celulosa, un componente de muchas fibras sintéticas como el rayón. Los olores y sabores distintivos y atractivos de muchas flores, perfumes y frutas maduras se deben a la presencia de uno o más ésteres ( ). Entre los ésteres naturales más importantes se encuentran las grasas (como la manteca de cerdo, el sebo y la mantequilla) y los aceites (como el de linaza, el de algodón y el de oliva), que son ésteres del alcohol glicerol trihidroxilo C 3 H 5 (OH) 3 , con grandes ácidos carboxílicos, tales como el ácido palmítico, CH 3 (CH 2 ) 14 CO 2 H, el ácido esteárico, CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 H, y el ácido oleico, CH 3 ( C H 2 ) 7 CH = CH ( CH 2 ) 7 C O 2 H. El ácido oleico es un ácido insaturado; contiene un doble enlace C = C . Los ácidos palmítico y esteárico son ácidos saturados que no contienen ni dobles ni triples enlaces. Se han identificado más de 350 moléculas volátiles diferentes (muchos miembros de la familia de los ésteres) en las fresas (créditos: Rebecca Siegel). Conceptos clave y resumen Los grupos funcionales relacionados con el grupo carbonilo comprenden el grupo –CHO de un aldehído, el grupo –CO– de una cetona, el grupo–CO 2 H de un ácido carboxílico y el grupo –CO 2 R de un éster. El grupo carbonilo, un doble enlace carbono-oxígeno, es la estructura clave en estas clases de moléculas orgánicas: Los aldehídos contienen al menos un átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono del carbonilo; las cetonas contienen dos grupos de carbono unidos al átomo de carbono del carbonilo; los ácidos carboxílicos contienen un grupo hidroxilo unido al átomo de carbono del carbonilo, y los ésteres contienen un átomo de oxígeno unido a otro grupo de carbono conectado al átomo de carbono del carbonilo. Todos estos compuestos contienen átomos de carbono oxidados en relación con el átomo de carbono de un grupo de alcohol. Ejercicios de química del final del capítulo Ordene las siguientes moléculas de menor a mayor oxidación, con base en el átomo de carbono marcado: Prediga los productos de la oxidación de las moléculas que se señalan en este problema. En cada caso, identifique el producto que resultará del mínimo aumento del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado. (a) (b) (c) (a) (b) (c) Prediga los productos de la reducción de las siguientes moléculas. En cada caso, identifique el producto que resultará de la mínima disminución del estado de oxidación para el átomo de carbono resaltado: (a) (b) (c) Explique por qué no es posible preparar una cetona que contenga solamente dos átomos de carbono. Una cetona contiene un grupo unido a dos átomos de carbono adicionales; por lo tanto, tiene que haber un mínimo de tres átomos de carbono. ¿Cómo cambia la hibridación del átomo de carbono sustituido cuando un alcohol se convierte en un aldehído? ¿Un aldehído a un ácido carboxílico? Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos que tienen largas cadenas de hidrocarburos unidas a un grupo carboxilato. ¿En qué se diferencia el ácido graso saturado del insaturado? ¿En qué se parecen? Dado que ambos son ácidos carboxílicos, cada uno contiene el grupo funcional –COOH y sus características. La diferencia es que la cadena de hidrocarburos de un ácido graso saturado no contiene dobles ni triples enlaces, mientras que la cadena de hidrocarburos de un ácido graso insaturado contiene uno o más enlaces múltiples. Escriba una fórmula estructural condensada, como CH 3 CH 3 , y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono. (a) propeno (b) 1-butanol (c) etil propil éter (d) cis -4-bromo-2-hepteno (e) 2,2,3-trimetilhexano (f) formaldehído Escriba una fórmula estructural condensada, como CH 3 CH 3 , y describa la geometría molecular en cada átomo de carbono. (a) 2-propanol (b) acetona (c) dimetil éter (d) ácido acético (e) 3-metil-1-hexeno (a) CH 3 CH(OH)CH 3 : todos los carbonos son tetraédricos; (b) CH 3 C O CH 3 : los carbonos de los extremos son tetraédricos y el carbono central es trigonal plano; (c) CH 3 OCH 3 : todos son tetraédricos; (d) CH 3 COOH: el carbono metilo es tetraédrico y el carbono ácido es trigonal plano; (e) CH 3 CH 2 CH 2 CH(CH 3 )CHCH 2 : todos son tetraédricos, salvo por los dos carbonos de la derecha, que son trigonal planos. El ácido butírico, CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H, causa el hedor de la mantequilla rancia. (a) Dibuje la estructura de Lewis y determine el número de oxidación y la hibridación por cada átomo de carbono de la molécula. (b) Los ésteres formados a partir del ácido butírico son compuestos de olor agradable que se encuentran en las frutas y se utilizan en los perfumes. Dibuje la estructura de Lewis para el éster formado a partir de la reacción del ácido butírico con el 2-propanol. Escriba las estructuras de dos resonancias para el ion de acetato. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El etanol reacciona con el ácido propiónico. (b) Se añade ácido benzoico, C 6 H 5 CO 2 H, a una solución de hidróxido de sodio. Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. (a) El 1-butanol reacciona con el ácido acético. (b) Se vierte ácido propiónico sobre carbonato cálcico sólido. (a) CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH + CH 3 C ( O ) OH ⟶ CH 3 C ( O ) OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 + H 2 O: (b) 2 CH 3 CH 2 COOH + CaCO 3 ⟶ ( CH 3 CH 2 COO ) 2 Ca + CO 2 + H 2 O: Los rendimientos en las reacciones orgánicas a veces son bajos. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de un proceso que produce 13,0 g de acetato de etilo a partir de 10,0 g de H 3 CO 2 H? Los alcoholes A, B y C tienen todos la composición C 4 H 10 O. Las moléculas de alcohol A contienen una cadena de carbono ramificada y pueden oxidarse a un aldehído; las moléculas de alcohol B contienen una cadena de carbono lineal y pueden oxidarse a una cetona, y las moléculas de alcohol C no pueden oxidarse ni a un aldehído ni a una cetona. Escriba las estructuras de Lewis de estas moléculas. aldehído compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo unido a dos átomos de hidrógeno o a un átomo de hidrógeno y a un sustituto del carbono grupo carbonilo átomo de carbono doblemente enlazado a un átomo de oxígeno ácido carboxílico compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un grupo hidroxilo unido éster compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con un átomo de oxígeno unido enlazado a un sustituyente del carbono cetona compuesto orgánico que contiene un grupo carbonilo con dos sustituyentes de carbono unidos a este

Ciencia


Aminas y amidas Las aminas son moléculas que contienen enlaces carbono-nitrógeno. El átomo de nitrógeno de una amina tiene un par solitario de electrones y tres enlaces con otros átomos, ya sean de carbono o de hidrógeno. Se utilizan varias nomenclaturas para derivar los nombres de las aminas, pero todas implican el sufijo identificador de clase -ina , como se ilustra aquí en algunos ejemplos sencillos: En algunas aminas, el átomo de nitrógeno sustituye a un átomo de carbono en un hidrocarburo aromático. La piridina ( ) es una de estas aminas heterocíclicas. Un compuesto heterocíclico contiene átomos de dos o más elementos diferentes en su estructura de anillo. La ilustración exhibe una de las estructuras de resonancia de la piridina. El ADN en la medicina forense y la paternidad El material genético de todos los seres vivos es un polímero de cuatro moléculas diferentes, que a su vez son una combinación de tres subunidades. La información genética, el código para desarrollar un organismo, está contenida en la secuencia específica de las cuatro moléculas, de forma similar a como se secuencian las letras del alfabeto para formar palabras que transmiten información. La información de una secuencia de ADN se utiliza para formar otros dos tipos de polímeros, uno de los cuales son las proteínas. Las proteínas interactúan para formar un tipo específico de organismo con características individuales. La molécula genética recibe el nombre de ADN, que significa ácido desoxirribonucleico. Las cuatro moléculas que componen el ADN se denominan nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una molécula de uno o dos anillos que contiene nitrógeno, carbono, oxígeno e hidrógeno, designada como base nitrogenada. Cada base está enlazada a un azúcar de cinco carbonos, que recibe el nombre de desoxirribosa. El azúcar está a su vez enlazado a un grupo fosfato ( -PO 4 3− ) Cuando se forma un nuevo ADN, se produce una reacción de polimerización que une el grupo fosfato de un nucleótido con el grupo azúcar de otro nucleótido. Las bases nitrogenadas de cada nucleótido sobresalen de esta columna vertebral de azúcar-fosfato. En realidad, el ADN está formado por dos polímeros de este tipo enrollados uno alrededor del otro y unidos por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Así, las dos columnas vertebrales están en el exterior del par de filamentos enrollados, y las bases están en el interior. La forma de las dos hebras enrolladas una alrededor de la otra se denomina doble hélice (vea la ). Probablemente tenga sentido que la secuencia de nucleótidos en el ADN de un gato sea diferente a la de un perro. No obstante, también es cierto que las secuencias del ADN en las células de dos pugs individuales difieren. Del mismo modo, las secuencias de ADN en usted y en un hermano difieren (a no ser que su hermano sea un gemelo idéntico), al igual que las que existen entre usted y un individuo no emparentado. Sin embargo, las secuencias de ADN de dos parientes son más similares que las secuencias de dos individuos no emparentados, y estas similitudes en la secuencia se observan de varias maneras. Este es el principio en el que se basa la huella de ADN, que es un método utilizado para determinar si dos muestras de ADN proceden de individuos emparentados (o del mismo) o de individuos no emparentados. El ADN es una molécula orgánica y el material genético de todos los organismos vivos. (a) El ADN es una doble hélice formada por dos hebras simples de ADN unidas por enlaces de hidrógeno en cada base nitrogenada. (b) Este detalle muestra los enlaces de hidrógeno (líneas punteadas) entre las bases nitrogenadas de cada hebra de ADN y la forma en que cada nucleótido se une al siguiente, para formar una columna vertebral de azúcares y grupos fosfato a lo largo de cada hebra. (c) Este detalle muestra la estructura de uno de los cuatro nucleótidos que componen el polímero de ADN. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada (una molécula de doble anillo, en este caso), un azúcar de cinco carbonos (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Gracias a las similitudes de las secuencias, los técnicos pueden determinar si un hombre es el padre de un niño (la identidad de la madre rara vez está en duda, salvo en el caso de un niño adoptado y una posible madre biológica). Asimismo, los genetistas forenses pueden determinar si una muestra de tejido humano del lugar del delito, como sangre o células de la piel, contiene ADN que coincide exactamente con el de un sospechoso. Vea este video de animación sobre cómo se empaqueta el ADN para obtener una lección visual sobre su estructura. Al igual que el amoníaco, las aminas son bases débiles debido al par solitario de electrones de sus átomos de nitrógeno. La alcalinidad del átomo de nitrógeno de una amina desempeña una función importante en gran parte de la química del compuesto. Los grupos funcionales de las aminas se encuentran en una gran variedad de compuestos, como tintes naturales y sintéticos, polímeros, vitaminas y medicamentos como la penicilina y la codeína. También se encuentran en muchas moléculas esenciales para la vida, como los aminoácidos, las hormonas, los neurotransmisores y el ADN. Alcaloides adictivos Desde la antigüedad, las plantas se han utilizado con fines medicinales. Se ha aislado una clase de sustancias, llamadas alcaloides , que se encuentran en muchas de estas plantas y que contienen moléculas cíclicas con un grupo funcional de amina. Estas aminas son bases. Pueden reaccionar con H 3 O + en un ácido diluido para formar una sal de amonio, y esta propiedad se utiliza para extraerlos de la planta: R 3 N + H 3 O + + Cl – ⟶ [ R 3 NH + ] Cl – + H 2 O El nombre alcaloide significa "como un álcali". Por lo tanto, un alcaloide reacciona con el ácido. El compuesto libre se recupera tras la extracción por reacción con una base: [ R 3 NH + ] Cl – + OH – ⟶ R 3 N + H 2 O + Cl – Las estructuras de muchos alcaloides naturales tienen profundos efectos fisiológicos y psicotrópicos en los seres humanos. Algunos ejemplos de estas drogas son la nicotina, la morfina, la codeína y la heroína. La planta produce estas sustancias, llamadas conjuntamente compuestos vegetales secundarios, como defensas químicas contra las numerosas plagas que intentan alimentarse de las plantas. En estos diagramas, como es habitual en la representación de estructuras de grandes compuestos orgánicos, se han omitido los átomos de carbono de los anillos y los átomos de hidrógeno enlazados a ellos para mayor claridad. Las cuñas sólidas indican enlaces que se extienden fuera de la página. Las cuñas discontinuas indican los enlaces que se extienden dentro de la página. Observe que pequeños cambios en una parte de la molécula modifican las propiedades de la morfina, la codeína y la heroína. La morfina, un potente narcótico que se utiliza para aliviar el dolor, contiene dos grupos funcionales hidroxilo, situados en la parte inferior de la molécula en esta fórmula estructural. Al cambiar uno de estos grupos hidroxilos por un grupo éter metílico se forma la codeína, un fármaco menos potente, que se emplea como anestesia local. Si ambos grupos hidroxilos se convierten en ésteres del ácido acético, se obtiene la heroína, una droga poderosamente adictiva ( ). La amapola se utiliza en la producción de opio, un látex vegetal que contiene morfina a partir de la cual pueden sintetizarse otros opiáceos, como la heroína (créditos: Karen Roe). Las amidas son moléculas que contienen átomos de nitrógeno conectados al átomo de carbono de un grupo carbonilo. Al igual que las aminas, se pueden utilizar varias reglas de nomenclatura para designar las amidas, pero todas incluyen el uso del sufijo específico de la clase -amida : Las amidas se producen cuando los ácidos carboxílicos reaccionan con aminas o amoníaco en un proceso que recibe el nombre de amidación. Se elimina una molécula de agua de la reacción, y la amida se forma a partir de los trozos restantes del ácido carboxílico y la amina (observe la similitud con la formación de un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol que se analizó en la sección anterior). La reacción entre las aminas y los ácidos carboxílicos para formar amidas es importante biológicamente. Es a través de esta reacción que los aminoácidos (moléculas que contienen sustituciones de amina y ácido carboxílico) se unen en un polímero para formar proteínas. Proteínas y enzimas Las proteínas son grandes moléculas biológicas formadas por largas cadenas de moléculas más pequeñas que reciben el nombre de aminoácidos. Los organismos dependen de las proteínas para una gran variedad de funciones: las proteínas transportan moléculas a través de las membranas celulares, replican el ADN y catalizan las reacciones metabólicas, por nombrar tan solo algunas de sus funciones. Las propiedades de las proteínas son funciones de la combinación de aminoácidos que las componen y varían mucho. Las interacciones entre las secuencias de aminoácidos en las cadenas de las proteínas dan lugar al plegado de la cadena en estructuras tridimensionales específicas que determinan la actividad de la proteína. Los aminoácidos son moléculas orgánicas que contienen un grupo funcional amina (–NH 2 ), un grupo funcional ácido carboxílico (–COOH) y una cadena lateral (que es específica de cada aminoácido). La mayoría de los seres vivos construyen proteínas a partir de los mismos 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos se conectan mediante la formación de un enlace peptídico, que es un enlace covalente que se forma entre dos aminoácidos cuando el grupo del ácido carboxílico de un aminoácido reacciona con el grupo amino del otro aminoácido. La formación del enlace da lugar a la producción de una molécula de agua (en general, las reacciones que dan lugar a la producción de agua cuando se combinan otras dos moléculas se denominan reacciones de condensación). El enlace resultante entre el átomo de carbono del grupo carbonilo y el átomo de nitrógeno de la amina se denomina vínculo o enlace peptídico. Dado que cada uno de los aminoácidos originales tiene un grupo sin reaccionar (uno tiene una amina y el otro un ácido carboxílico), se pueden formar más enlaces peptídicos con otros aminoácidos, lo que amplía la estructura. ( ) Una cadena de aminoácidos conectados se denomina polipéptido. Las proteínas contienen al menos una cadena polipeptídica larga. Esta reacción de condensación forma un dipéptido a partir de dos aminoácidos y conduce a la formación de agua. Las enzimas son grandes moléculas biológicas, compuestas en su mayoría por proteínas, que son responsables de los miles de procesos metabólicos que tienen lugar en los organismos vivos. Las enzimas son catalizadores muy específicos que aceleran la velocidad de ciertas reacciones. Las enzimas funcionan al reducir la energía de activación de la reacción que catalizan, lo que puede aumentar drásticamente la velocidad de la reacción. La mayoría de las reacciones catalizadas por las enzimas son millones de veces más rápidas que la versión no catalizada. Al igual que todos los catalizadores, las enzimas no se consumen durante las reacciones que catalizan. Las enzimas se diferencian de otros catalizadores por su especificidad con respecto a sus sustratos (las moléculas que una enzima convertirá en un producto diferente). Cada enzima es capaz únicamente de acelerar una o unas pocas reacciones o tipos de reacciones muy específicas. Dado que la función de las enzimas es tan específica, la falta o el mal funcionamiento de una enzima tendría graves consecuencias para la salud. Una enfermedad que es el resultado del mal funcionamiento de las enzimas es la fenilcetonuria. En esta enfermedad, la enzima que cataliza el primer paso en la degradación del aminoácido fenilalanina no es funcional ( ). Si no se trata, puede producirse una acumulación de fenilalanina, que daría lugar a discapacidad intelectual. Una representación computarizada muestra la estructura tridimensional de la enzima fenilalanina hidroxilasa. En la enfermedad fenilcetonuria, un defecto en la forma de la fenilalanina hidroxilasa hace que esta pierda su función de descomponer la fenilalanina. Kevlar El Kevlar ( ) es un polímero sintético que se forma a partir de dos monómeros 1,4-fenileno-diamina y cloruro de tereftaloilo (Kevlar es una marca registrada de DuPont). Susan Kwolek desarrolló el material mientras trabajaba para encontrar un sustituto del acero en los neumáticos. El trabajo de Kwolek consistía en sintetizar poliamidas y disolverlas en solventes, para luego centrifugar la solución resultante y convertirla en fibras. Una de sus soluciones resultó ser bastante diferente en apariencia y estructura inicial. Una vez centrifugada, las fibras resultantes eran especialmente resistentes. A partir de este descubrimiento inicial, se creó el Kevlar. El material tiene un alto cociente de fuerza de tracción-peso (es unas 5 veces más fuerte que un peso igual de acero), lo que lo hace útil para muchas aplicaciones: desde neumáticos de bicicleta a velas o blindajes corporales. Esta ilustración muestra la fórmula del Kevlar polimérico. El material debe gran parte de su resistencia a los enlaces de hidrógeno entre las cadenas de polímeros (vea el capítulo sobre las interacciones intermoleculares). Estos enlaces se forman entre el átomo de oxígeno del grupo carbonilo (que tiene una carga negativa parcial debido a la electronegatividad del oxígeno) en un monómero y el átomo de hidrógeno parcialmente cargado positivamente en el enlace N-H de un monómero adyacente en la estructura del polímero (vea la línea discontinua en la ). Existe una fuerza adicional derivada de la interacción entre los orbitales p no hibridados en los anillos de seis elementos, denominada apilamiento aromático. El diagrama muestra la estructura polimérica del Kevlar, con los enlaces de hidrógeno entre las cadenas poliméricas representados por líneas de puntos. El Kevlar es más conocido como componente de los chalecos antibalas, cascos de combate y mascarillas. Desde la década de 1980, el ejército estadounidense utiliza el Kevlar como componente del casco y del chaleco del sistema de blindaje personal para tropas terrestres (Personal Armor System for Ground Troops, PASGT). El Kevlar también se utiliza para proteger vehículos de combate blindados y portaaviones. Las aplicaciones civiles abarcan los equipos de protección para el personal de los servicios de emergencia, como el chaleco antibalas para los policías y la ropa resistente al calor para los bomberos. La ropa a base de Kevlar es muchísimo más ligera y fina que el equipo equivalente fabricado con otros materiales ( ). Además del Kevlar, Susan Kwolek contribuyó al desarrollo del Nomex, un material ignífugo, y también participó en la creación de la Licra. Fue la cuarta mujer en ingresar en el Salón Nacional de la Fama de Inventores y recibió otros premios por sus importantes contribuciones a la ciencia y la sociedad. (a) Estos soldados clasifican los trozos de un casco de Kevlar que absorbió la explosión de una granada. Igualmente, el Kevlar se utiliza para fabricar (b) canoas y (c) cabos marinos de amarre (créditos: a: modificación del trabajo de "Cla68"/Wikimedia Commons; b: modificación del trabajo de "OakleyOriginals"/Flickr; c: modificación del trabajo de Casey H. Kyhl). Además de sus usos más conocidos, el Kevlar se emplea a menudo en criogenia por su bajísima conductividad térmica (junto con su alta resistencia). El Kevlar mantiene su alta resistencia cuando se enfría a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 °C). En esta tabla se resumen las estructuras analizadas en este capítulo. Conceptos clave y resumen La adición de nitrógeno en un marco orgánico da lugar a dos familias de moléculas. Los compuestos que contienen un átomo de nitrógeno enlazado en una estructura de hidrocarburo se clasifican como aminas. Los compuestos que tienen un átomo de nitrógeno enlazado a un lado de un grupo carbonilo se clasifican como amidas. Las aminas son un grupo funcional básico. Las aminas y los ácidos carboxílicos se combinan en una reacción de condensación para formar amidas. Ejercicios de química del final del capítulo Escriba las estructuras de Lewis de ambos isómeros con la fórmula C 2 H 7 N. ¿Cuál es la estructura molecular del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio, (CH 3 ) 3 NH + ? ¿Cuál es la hibridación del átomo de nitrógeno en la trimetil amina y en el ion de trimetil amonio? Trimetil amina: piramidal trigonal, sp 3 ; ion de trimetil amonio: tetraédrico, sp 3 Escriba las dos estructuras de resonancia para el ion de piridinio, C 5 H 5 NH + . Dibuje las estructuras de Lewis para la piridina y su ácido conjugado, el ion de piridinio, C 5 H 5 NH + . ¿Cuáles son las hibridaciones, las geometrías de dominios de electrones y las geometrías moleculares de los átomos de nitrógeno en la piridina y en el ion de piridinio? Escriba las estructuras de Lewis de todos los isómeros con la fórmula C 3 H 7 ON que contienen un enlace amida. Escriba dos ecuaciones balanceadas completas para la siguiente reacción: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. Se añade amina de metilo a una solución de HCl. CH 3 NH 2 + H 3 O + ⟶ CH 3 NH 3 + + H 2 O Escriba dos ecuaciones completas y balanceadas para cada una de las siguientes reacciones: una con fórmulas condensadas y la otra con estructuras de Lewis. Se añade cloruro de etilamonio a una solución de hidróxido de sodio. Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio de hibridación durante las reacciones en el . CH 3 C H = C HCH 3 ( sp 2 ) + Cl ⟶ CH 3 C H(Cl)H(Cl)CH 3 ( sp 3 ); 2 C 6 H 6 ( sp 2 ) + 15O 2 ⟶ 12 C O 2 ( sp ) + 6H 2 O Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el . Identifique los átomos de carbono que cambian de hibridación y el cambio en la hibridación durante las reacciones en el . El carbono en CO 3 2- , inicialmente en sp 2 , cambia de hibridación a sp en CO 2 . amina molécula orgánica en la que un átomo de nitrógeno está unido a uno o más grupos alquilos amida molécula orgánica que presenta un átomo de nitrógeno conectado al átomo de carbono en un grupo carbonilo

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Introducción La química nuclear es la base de muchos métodos diagnósticos y terapéuticos útiles en medicina, como estas tomografías por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). La tomografía PET / computarizada de la izquierda muestra la actividad muscular. Las exploraciones cerebrales del centro muestran diferencias químicas en la señalización de la dopamina en los cerebros de adictos y no adictos. Las imágenes de la derecha muestran una aplicación oncológica de la PET para identificar metástasis en los ganglios linfáticos. Las reacciones químicas que hemos considerado en los capítulos anteriores implican cambios en la estructura electrónica de las especies implicadas, es decir, la disposición de los electrones alrededor de los átomos, iones o moléculas. La estructura nuclear , es decir, el número de protones y neutrones en los núcleos de los átomos implicados, no cambia durante las reacciones químicas. En este capítulo se introducirá el tema de la química nuclear, que comenzó con el descubrimiento de la radiactividad en 1896 por el físico francés Antoine Becquerel y que ha adquirido mayor importancia durante los siglos XX y XXI, al sentar las bases de diversas tecnologías relacionadas con la energía, la medicina, la geología y muchas otras áreas.

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Estructura y estabilidad nuclear La química nuclear es el estudio de las reacciones que implican cambios en la estructura nuclear. El capítulo sobre átomos, moléculas e iones introdujo la idea básica de la estructura nuclear, que el núcleo de un átomo está compuesto por protones y, con la excepción de los neutrones 1 1 H , . Recordemos que el número de protones en el núcleo recibe el nombre de número atómico (Z) del elemento, y la suma del número de protones y el número de neutrones es el número de masa (A). Los átomos con el mismo número atómico, pero con diferente número de masa son isótopos del mismo elemento. Cuando nos referimos a un solo tipo de núcleo, utilizamos el término nucleido y lo identificamos con la notación Z A X , donde X es el símbolo del elemento, A es el número de masa y Z es el número atómico (por ejemplo, 6 14 C ) . A menudo se hace referencia a un nucleido con el nombre del elemento seguido de un guion y el número de masa. Por ejemplo, 6 14 C se llama "carbono-14". Los protones y los neutrones, denominados conjuntamente nucleones , se agrupan estrechamente en un núcleo. Con un radio aproximado de 10 -15 metros, un núcleo es bastante pequeño comparado con el radio de todo el átomo, que es de unos 10 -10 metros. Los núcleos son extremadamente densos en comparación con la materia en bruto, con una media de 1,8 × 10 14 gramos por centímetro cúbico. Por ejemplo, el agua tiene una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico, y el iridio (uno de los elementos más densos de los que se tenga conocimiento) tiene una densidad de 22,6 g/cm 3 . Si la densidad de la Tierra fuera igual al promedio de densidad nuclear, su radio sería apenas de unos 200 metros (el verdadero radio de la Tierra es de aproximadamente 6,4 × 10 6 metros, 30.000 veces mayor). El demuestra lo inmensa que pueden ser las densidades nucleares en el mundo natural. Densidad de una estrella de neutrones Las estrellas de neutrones se forman cuando el núcleo de una estrella muy potente sufre un colapso gravitatorio que hace que sus capas exteriores estallen en una supernova. Estas estrellas, que están compuestas casi por completo de neutrones, son las más densas que se conozcan en el universo, con una densidad comparable al promedio de densidad de un núcleo atómico. Una estrella de neutrones en una galaxia lejana tiene una masa igual a 2,4 masas solares (1 masa solar = M ☉ = masa solar = 1,99 × 10 30 kg) y un diámetro de 26 km. (a) ¿Cuál es la densidad de esta estrella de neutrones? (b) ¿Cómo se compara la densidad de esta estrella de neutrones con la densidad de un núcleo de uranio, que tiene un diámetro de unos 15 fm (1 fm = 10 -15 m)? Solución Podemos tratar tanto la estrella de neutrones como el núcleo de U-235 como esferas. Entonces la densidad para ambas está dada por: d = m V con V = 4 3 π r 3 (a) El radio de la estrella de neutrones es 1 2 × 26 km = 1 2 × 2,6 × 10 4 m = 1,3 × 10 4 m , por lo que su densidad es: d = m V = m 4 3 π r 3 = 2,4 ( 1,99 × 10 30 kg ) 4 3 π ( 1,3 × 10 4 m ) 3 = 5,2 × 10 17 kg/m 3 (b) El radio del núcleo de U-235 es 1 2 × 15 × 10 -15 m = 7,5 × 10 -15 m , por lo que su densidad es: d = m V = m 4 3 π r 3 = 235 u ( 1,66 × 10 -27 kg 1 u ) 4 3 π ( 7,5 × 10 -15 m ) 3 = 2,2 × 10 17 kg/m 3 Estos valores son bastante parecidos (mismo orden de magnitud), aunque la estrella de neutrones es más del doble de densa que el núcleo de U-235. Compruebe lo aprendido Calcule la densidad de una estrella de neutrones con una masa de 1,97 masas solares y un diámetro de 13 km, y compárela con la densidad de un núcleo de hidrógeno, que tiene un diámetro de 1,75 fm (1 fm = 1 × 10 -15 m). Respuesta: La densidad de la estrella de neutrones es de 3,4 × 10 18 kg/m 3 . La densidad de un núcleo de hidrógeno es de 6,0 × 10 17 kg/m 3 . La estrella de neutrones es 5,7 veces más densa que el núcleo de hidrógeno. Para mantener los protones cargados positivamente juntos en el pequeño volumen de un núcleo se necesitan fuerzas de atracción muy fuertes, ya que los protones cargados positivamente se repelen fuertemente a distancias tan cortas. La fuerza de atracción que mantiene unido el núcleo es la fuerza nuclear fuerte . (La fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales que se conocen. Las otras son: la fuerza electromagnética, la fuerza gravitatoria y la fuerza nuclear débil). Esta fuerza actúa entre protones, entre neutrones y entre protones y neutrones. Es muy diferente de la fuerza electrostática, la cual mantiene a los electrones con carga negativa alrededor de un núcleo con carga positiva (la atracción entre cargas opuestas). En distancias inferiores a 10 -15 metros y dentro del núcleo, la fuerza nuclear fuerte es mucho más potente que la repulsión electrostática entre protones; en distancias mayores y fuera del núcleo, es esencialmente inexistente. Visite este sitio web para obtener más información sobre las cuatro fuerzas fundamentales. Energía de enlace nuclear Como ejemplo sencillo de la energía asociada a la fuerza nuclear fuerte, consideremos el átomo de helio compuesto por dos protones, dos neutrones y dos electrones. La masa total de estas seis partículas subatómicas se calcula así: ( 2 × 1,0073 u ) + ( 2 × 1,0087 u ) + ( 2 × 0,00055 u ) = 4,0331 u protones neutrones electrones Sin embargo, las mediciones por espectrometría de masas revelan que la masa del átomo de 2 4 He es de 4,0026 u: menos que las masas combinadas de sus seis partículas subatómicas constituyentes. Esta diferencia entre las masas calculadas y las medidas experimentalmente se conoce como el defecto de masa del átomo. En el caso del helio, el defecto de masa indica una "pérdida" de 4,0331 u - 4,0026 u = 0,0305 u. La pérdida de masa que acompaña a la formación de un átomo a partir de protones, neutrones y electrones se debe a la conversión de esa masa en energía, que evoluciona al formarse el átomo. La energía de enlace nuclear es la que se produce cuando los nucleones de los átomos se unen; también es la energía necesaria para romper un núcleo en sus protones y neutrones constituyentes. En comparación con las energías de enlace químico, la energía de enlace nuclear es mucho mayor, como lo aprenderemos en esta sección. Por consiguiente, los cambios de energía asociados a las reacciones nucleares son mucho mayores que los de las reacciones químicas. La conversión entre masa y energía se identifica mejor con la ecuación de equivalencia entre masa y energía , tal y como la enunció Albert Einstein: E = m c 2 donde E es la energía, m es la masa de la materia que se convierte y c es la velocidad de la luz en el vacío. Esta ecuación sirve para calcular la cantidad que resulta cuando la materia se convierte en energía. Con esta ecuación de equivalencia entre masa y energía, la energía de enlace nuclear de un núcleo puede calcularse a partir de su defecto de masa, como se demuestra en el . Se utilizan varias unidades para las energías de enlace nuclear, como los electronvoltios (eV ) , en los que 1 eV equivale a la cantidad de energía necesaria para mover la carga de un electrón a través de una diferencia de potencial eléctrico de 1 voltio, por lo que 1 eV = 1,602 × 10 -19 J. Cálculo de la energía de enlace nuclear Determinar la energía de enlace del nucleido 2 4 He en: (a) julios por mol de núcleos (b) julios por núcleo (c) MeV por núcleo Solución El defecto de masa para un núcleo de 2 4 He es de 0,0305 u, como se ha demostrado anteriormente. Determine la energía de enlace en julios por nucleido mediante la ecuación de equivalencia entre masa y energía. Para ajustar las unidades de energía solicitadas, el defecto de masa deberá expresarse en kilogramos (recuerde que 1 J = 1 kg m 2 /s 2 ). (a) Primero, exprese el defecto de masa en g/mol. Esto es fácil de hacer, si se considera la equivalencia numérica de la masa atómica (u) y la masa molar (g/mol) que resulta de las definiciones de las unidades u y mol (consulte el análisis anterior en el capítulo sobre átomos, moléculas e iones, si es necesario). Por consiguiente, el defecto de masa es de 0,0305 g/mol. Para ajustar las unidades de los otros términos de la ecuación masa-energía, la masa deberá expresarse en kg, ya que 1 J = 1 kg m 2 /s 2 . Al convertir los gramos en kilogramos se obtiene un defecto de masa de 3,05 × 10 -5 kg/mol. Al sustituir esta cantidad en la ecuación de equivalencia entre masa y energía se obtiene: E = m c 2 = 3,05 × 10 -5 kg mol × ( 2,998 × 10 8 m s ) 2 = 2,74 × 10 12 kg m 2 s -2 mol -1 = 2,74 × 10 12 J mol -1 = 2,74 TJ mol -1 Observe que esta enorme cantidad de energía se asocia a la conversión de una cantidad muy pequeña de materia (unos 30 mg, aproximadamente la masa de la típica gota de agua). (b) La energía de enlace para un solo núcleo se calcula a partir de la energía de enlace molar con el número de Avogadro: E = 2,74 × 10 12 J mol -1 × 1 mol 6,022 × 10 23 núcleos = 4,55 × 10 -12 J = 4,55 pJ (c) Recordemos que 1 eV = 1,602 × 10 -19 J. Utilizando la energía de enlace, que se calcula en la parte (b): E = 4,55 × 10 -12 J × 1 eV 1,602 × 10 -19 J = 2,84 × 10 7 eV = 28,4 MeV Compruebe lo aprendido ¿Cuál es la energía de enlace del nucleido 9 19 F (masa atómica: 18,9984 u) en MeV por núcleo? Respuesta: 148,4 MeV Debido a que los cambios de energía para romper y formar enlaces son tan pequeños comparados con aquellos para romper o formar núcleos, los cambios de masa durante todas las reacciones químicas ordinarias son prácticamente indetectables. Tal como se describe en el capítulo sobre termoquímica, las reacciones químicas más energéticas presentan entalpías del orden de miles de kJ/mol, lo que equivale a diferencias de masa en el rango de los nanogramos (10 -9 g). Por otro lado, las energías de enlace nuclear suelen ser del orden de miles de millones de kJ/mol, lo que corresponde a diferencias de masa en el rango de los miligramos (10 -3 g). Estabilidad nuclear Un núcleo es estable si no puede transformarse en otra configuración sin añadir energía desde el exterior. De los miles de nucleidos que existen, unos 250 son estables. Un gráfico del número de neutrones frente al número de protones para los núcleos estables revela que los isótopos estables se sitúan en una banda estrecha. Esta región se conoce como banda de estabilidad (también llamada cinturón, zona o valle de estabilidad). La línea recta en la representa los núcleos que tienen un cociente 1:1 de protones y neutrones (cociente n:p). Observe que los núcleos estables más ligeros, en general, tienen igual número de protones y neutrones. Por ejemplo, el nitrógeno-14 tiene siete protones y siete neutrones. Sin embargo, los núcleos estables más pesados tienen cada vez más neutrones que protones. Por ejemplo: el hierro-56 tiene 30 neutrones y 26 protones, un cociente n:p de 1,15, mientras que el nucleido estable plomo-207 tiene 125 neutrones y 82 protones, un cociente n:p igual a 1,52. Esto se debe a que los núcleos más grandes tienen más repulsiones protón-protón, y requieren un mayor número de neutrones para proporcionar fuerzas potentes de compensación, superar estas repulsiones electrostáticas y mantener el núcleo unido. Este gráfico muestra los nucleidos, cuya existencia se conoce y los que son estables. Los nucleidos estables se indican en azul y los inestables en verde. Tenga en cuenta que todos los isótopos de elementos con números atómicos superiores a 83 son inestables. La línea sólida es la línea donde n = Z. Los núcleos que están a la izquierda o a la derecha de la banda de estabilidad son inestables y presentan radiactividad . Se transforman espontáneamente (decaen) en otros núcleos que están en la banda de estabilidad o más cerca de esta. Estas reacciones de decaimiento nuclear convierten un isótopo inestable (o radioisótopo ) en otro más estable. En las siguientes secciones de este capítulo hablaremos de la naturaleza y los productos de este decaimiento radiactivo. Pueden hacerse varias observaciones sobre la relación entre la estabilidad de un núcleo y su estructura. Los núcleos con un número par de protones, neutrones o ambos tienen más probabilidades de ser estables (vea la ). Los núcleos con cierto número de nucleones, conocidos como números mágicos , son estables frente al decaimiento nuclear. Estos números de protones o neutrones (2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126) conforman las capas completas del núcleo. Su concepto es similar al de las capas estables de electrones que se observan en los gases nobles. Los núcleos que tienen números mágicos de protones y neutrones, como 2 4 He , 8 16 O , 20 40 Ca , y 82 208 Pb , se denominan "magia doble" y son especialmente estables. Estas tendencias en la estabilidad nuclear se pueden racionalizar tras considerar un modelo mecánico cuántico de estados de energía nuclear análogo al utilizado para describir los estados electrónicos anteriormente en este libro de texto. Los detalles de este modelo quedan fuera del alcance de este capítulo. Isótopos nucleares estables Número de isótopos estables Número de protón Número de neutrón 157 par par 53 par impar 50 impar par 5 impar impar La estabilidad relativa de un núcleo está relacionada con su energía de enlace por nucleón : la energía total de enlace para el núcleo, dividida entre el número de nucleones en el núcleo. Vimos en el que la energía de enlace para un núcleo de 2 4 He es de 28,4 MeV. La energía de enlace por nucleón para un núcleo de 2 4 He es, por lo tanto: 28,4 MeV 4 nucleones = 7,10 MeV/nucleón En el , aprendemos a calcular la energía de enlace por nucleón de un nucleido en la curva que se indica en la . La energía de enlace por nucleón es mayor en los nucleidos con número de masa de aproximadamente 56. Cálculo de la energía de enlace por nucleón El nucleido de hierro 26 56 Fe se encuentra cerca de la parte superior de la curva de energía de enlace ( ) y es uno de los más estables. ¿Cuál es la energía de enlace por nucleón (en MeV) para el nucleido 26 56 Fe (masa atómica de 55,9349 u)? Solución Al igual que en el , primero determinamos el defecto de masa del nucleido, que es la diferencia entre la masa de 26 protones, 30 neutrones y 26 electrones, y la masa observada de un átomo de 26 56 Fe : Defecto de masa = [ ( 26 × 1,0073 u ) + ( 30 × 1,0087 u ) + ( 26 × 0,00055 u ) ] – 55,9349 u = 56,4651 u – 55,9349 u = 0,5302 u A continuación, calculamos la energía de enlace para un núcleo a partir del defecto de masa mediante la ecuación de equivalencia entre masa y energía: E = m c 2 = 0,5302 u × 1,6605 × 10 -27 kg 1 u × ( 2,998 × 10 8 m/s ) 2 = 7,913 × 10 -11 kg ⋅ m/s 2 = 7,913 × 10 -11 J Acto seguido, convertimos la energía de enlace en julios por núcleo en unidades de MeV por nucleido: 7,913 × 10 -11 J × 1 MeV 1,602 × 10 -13 J = 493,9 MeV Por último, determinamos la energía de enlace por nucleón al dividir la energía total de enlace nuclear entre el número de nucleones del átomo: Energía de enlace por nucleón = 493,9 MeV 56 = 8,820 MeV/nucleón Observe que esto es casi un 25 % más que la energía de enlace por nucleón para 2 4 He ? (Observe también que se trata del mismo proceso que en el , pero con el paso adicional de dividir la energía total de enlace nuclear entre el número de nucleones). Compruebe lo aprendido ¿Cuál es la energía de enlace por nucleón en 9 19 F (masa atómica, 18,9984 u)? Respuesta: 7,810 MeV/nucleón Conceptos clave y resumen Un núcleo atómico está formado por protones y neutrones, llamados conjuntamente nucleones. Aunque los protones se repelen entre sí, el núcleo se mantiene unido por una fuerza de corto alcance, pero muy potente, llamada fuerza nuclear fuerte. Un núcleo tiene menos masa que la masa total de los nucleones que lo componen. Esta masa “faltante" es el defecto de masa, que se ha convertido en la energía de enlace que mantiene unido el núcleo según la ecuación de equivalencia entre masa y energía de Einstein, E = mc 2 . De los muchos nucleidos que existen, apenas un escaso número es estable. Los nucleidos con un número par de protones o neutrones, o aquellos con un número mágico de nucleones, son especialmente propensos a ser estables. Estos nucleidos estables ocupan una banda estrecha de estabilidad en un gráfico de número de protones frente al número de neutrones. La energía de enlace por nucleón es mayor para los elementos con números de masa cercanos a 56; estos son los núcleos más estables. Ecuaciones clave E = mc 2 Ejercicios de química del final del capítulo Escriba los siguientes isótopos en forma de guion (por ejemplo, "carbono-14"). (a) 11 24 Na (b) 13 29 Al (c) 36 73 Kr (d) 77 194 Ir (a) sodio-24; (b) aluminio-29; (c) criptón-73; (d) iridio-194 Escriba los siguientes isótopos en notación de nucleidos (por ejemplo " 6 14 C " ) (a) oxígeno-14 (b) cobre-70 c) tantalio-175 (d) francio-217 En los siguientes isótopos, complete la información que falta para realizar la notación (a) 14 34 X (b) X 36 P (c) X 57 Mn (d) 56 121 X (a) 14 34 Si ; (b) 15 36 P ; (c) 25 57 Mn ; (d) 56 121 Ba Para cada uno de los isótopos en el , determine el número de protones, neutrones y electrones en un átomo neutro del isótopo. Escriba la notación del nucleido, incluso la carga, si procede, para los átomos con las siguientes características: (a) 25 protones, 20 neutrones, 24 electrones (b) 45 protones, 24 neutrones, 43 electrones (c) 53 protones, 89 neutrones, 54 electrones (d) 97 protones, 146 neutrones, 97 electrones (a) 25 45 Mn +1 ; (b) 45 69 Rh +2 ; (c) 53 142 I -1 ; (d) 97 243 Bk Calcule la densidad del núcleo 12 24 Mg en g/mL, suponiendo que tiene el diámetro nuclear típico de 1 × 10 -13 y tiene forma esférica. ¿Cuáles son las dos diferencias principales entre las reacciones nucleares y los cambios químicos ordinarios? Las reacciones nucleares cambian un tipo de núcleo por otro; los cambios químicos reorganizan los átomos. Las reacciones nucleares implican energías mucho mayores que las reacciones químicas y tienen cambios de masa medibles. La masa atómica de 11 23 Na es 22,9898 u. (a) Calcule su energía de enlace por cada átomo en millones de electronvoltios. (b) Calcule su energía de enlace por nucleón. ¿Cuál de los siguientes núcleos se encuentra dentro de la banda de estabilidad que se indica en la ? (a) cloro-37 (b) calcio-40 (c) 204 Bi (d) 56 Fe (e) 206 Pb (f) 211 Pb (g) 222 Rn (h) carbono-14 (a), (b), (c), (d) y (e) ¿Cuál de los siguientes núcleos se encuentra dentro de la banda de estabilidad que se indica en la ? (a) argón-40 (b) oxígeno-16 (c) 122 Ba (d) 58 Ni (e) 205 Tl (f) 210 Tl g) 226 Ra (h) magnesio-24 banda de estabilidad (también llamada cinturón de estabilidad, zona de estabilidad o valle de estabilidad) región del gráfico del número de protones frente al número de neutrones que contiene nucleidos estables (no radiactivos) energía de enlace por nucleón energía total de enlace del núcleo dividida entre el número de nucleones en el núcleo electrón-voltio (eV) unidad de medida de las energías de enlace nuclear, donde 1 eV es la cantidad de energía debida al movimiento de un electrón a través de una diferencia de potencial eléctrico de 1 voltio número mágico núcleos con números específicos de nucleones que están dentro de la banda de estabilidad defecto de masa diferencia entre la masa de un átomo y la masa sumada de sus partículas subatómicas constituyentes (o la masa "perdida" cuando los nucleones se unen para formar un núcleo) ecuación de equivalencia entre masa y energía la relación de Albert Einstein que demuestra que la masa y la energía son equivalentes energía de enlace nuclear energía que se pierde cuando los nucleones de un átomo se unen (o la energía necesaria para romper un núcleo en sus protones y neutrones constituyentes) química nuclear estudio de la estructura de los núcleos atómicos y de los procesos que la modifican nucleón término conjunto para los protones y neutrones de un núcleo nucleidos núcleo de un isótopo en particular radiactividad fenómeno que presenta un nucleón inestable que se transforma espontáneamente en un nucleón más estable; se dice que un nucleón inestable es radiactivo radioisótopo isótopo inestable que se convierte en otro isótopo más estable fuerza nuclear fuerte fuerza de atracción entre nucleones que mantiene unido un núcleo

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Ecuaciones nucleares Las modificaciones de los núcleos que dan lugar a cambios en sus números atómicos, números de masa o estados energéticos son reacciones nucleares . Para describir una reacción nuclear, utilizamos una ecuación que identifica los nucleidos que intervienen en la reacción, sus números de masa y números atómicos, y las demás partículas que intervienen en la reacción. Tipos de partículas en las reacciones nucleares En las reacciones nucleares intervienen muchas entidades. Las más comunes son los protones, los neutrones, las partículas alfa, las partículas beta, los positrones y los rayos gama, como se muestra en la . Los protones ( 1 1 p , que también se representan con el símbolo 1 1 H ) y los neutrones ( 0 1 n ) son los constituyentes de los núcleos atómicos, y se han descrito anteriormente. Las partículas alfa ( 2 4 He , que también se representan con el símbolo 2 4 α ) son núcleos de helio de alta energía. Las partículas beta ( -1 0 β , que también se representan con el símbolo -1 0 e ) son electrones de alta energía, y los rayos gama son fotones de radiación electromagnética con energía extremadamente elevada. Los positrones ( +1 0 e , que también se representan con el símbolo +1 0 β ) son electrones con carga positiva ("antielectrones"). Los subíndices y superíndices son necesarios para equilibrar las ecuaciones nucleares, aunque son opcionales en otras circunstancias. Por ejemplo, una partícula alfa es un núcleo de helio (He) con una carga de +2 y un número de masa de 4, por lo que se simboliza 2 4 He . Esto funciona porque, en general, la carga del ion no es importante en el equilibrio de las ecuaciones nucleares. Aunque se encuentran muchas especies en las reacciones nucleares, esta tabla resume los nombres, símbolos, representaciones y descripciones de las más comunes. Observe que los positrones son exactamente como los electrones, salvo que tienen la carga opuesta. Son el ejemplo más común de antimateria : partículas con la misma masa, pero con el estado opuesto de otra propiedad (por ejemplo, la carga) que la materia ordinaria. Cuando la antimateria se encuentra con la materia ordinaria, ambas se aniquilan y su masa se convierte en energía en forma de rayos gama (γ) (y otras partículas subnucleares mucho más pequeñas, que están fuera del alcance de este capítulo), según la ecuación de equivalencia entre masa y energía E = mc 2 , vista en la sección anterior. Por ejemplo, cuando un positrón y un electrón colisionan, ambos se aniquilan y se crean dos fotones de rayos gama: -1 0 e + +1 0 e ⟶ γ + γ Como se ha visto en el capítulo dedicado a la luz y la radiación electromagnética, los rayos gama componen una radiación electromagnética de corta longitud de onda y alta energía y son (mucho) más energéticos que los más conocidos rayos X, que se comportan como partículas en el sentido de la dualidad onda-partícula. Los rayos gama son un tipo de radiación electromagnética de alta energía que se produce cuando un núcleo experimenta una transición de un estado energético superior a otro inferior, de forma similar a como se produce un fotón por una transición electrónica de un nivel energético superior a otro inferior. Debido a las diferencias energéticas mucho mayores entre las capas de energía nuclear, los rayos gama que emanan de un núcleo tienen energías millones de veces mayores que la radiación electromagnética que emana de las transiciones electrónicas. Equilibrio de las reacciones nucleares La ecuación de reacción química balanceada refleja el hecho de que, durante la reacción química, se rompen y se forman enlaces y se reordenan los átomos, pero el número total de átomos de cada elemento se conserva y no cambia. Una ecuación de reacción nuclear balanceada indica que hay un reordenamiento durante una reacción nuclear, pero de nucleones (partículas subatómicas dentro de los núcleos de los átomos) en lugar de átomos. Las reacciones nucleares también siguen las leyes de conservación, y se equilibran de dos maneras: La suma de los números de masa de los reactivos es igual a la suma de los números de masa de los productos. La suma de las cargas de los reactivos es igual a la suma de las cargas de los productos. Si se conoce el número atómico y el número de masa de todas las partículas de una reacción nuclear menos una, podemos identificar la partícula al equilibrar la reacción. Por ejemplo, podríamos determinar que 8 17 O es un producto de la reacción nuclear de 7 14 N y 2 4 He si supiéramos que un protón, 1 1 H , era uno de los dos productos. La muestra cómo podemos identificar un nucleido al equilibrar la reacción nuclear. Ecuaciones de equilibrio en las reacciones nucleares La reacción de una partícula α con el magnesio-25 ( 12 25 Mg ) produce un protón y un nucleido de otro elemento. Identifique el nuevo nucleido producido. Solución La reacción nuclear se escribe como: 12 25 Mg + 2 4 He ⟶ 1 1 H + Z A X donde A es el número de masa y Z es el número atómico del nuevo nucleido, X. Ya que la suma de los números de masa de los reactivos deberá ser igual a la suma de los números de masa de los productos: 25 + 4 = A + 1 , o A = 28 Del mismo modo, las cargas deberán equilibrarse, por lo que: 12 + 2 = Z + 1 , y Z = 13 Consulte la tabla periódica: el elemento con carga nuclear = +13 es el aluminio. Por lo tanto, el producto es 13 28 Al . Compruebe lo aprendido El nucleido 53 125 I se combina con un electrón y produce un nuevo núcleo y ninguna otra partícula masiva. ¿Cuál es la ecuación de esta reacción? Respuesta: 53 125 I + -1 0 e ⟶ 52 125 Te A continuación, se presentan las ecuaciones de varias reacciones nucleares que tienen un papel importante en la historia de la química nuclear: El primer elemento inestable de origen natural que se aisló, el polonio, fue descubierto por la científica polaca Marie Curie y su marido Pierre en 1898. Decae y emite partículas α: 84 212 Po ⟶ 82 208 Pb + 2 4 He El primer nucleido que se preparó por medios artificiales fue un isótopo del oxígeno, el 17 O. Lo hizo Ernest Rutherford en 1919 mediante el bombardeo de átomos de nitrógeno con partículas α: 7 14 N + 2 4 He ⟶ 8 17 O + 1 1 H James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, como una partícula neutra hasta entonces desconocida, producida junto con el 12 C mediante la reacción nuclear entre 9 Be y 4 He: 4 9 Be + 2 4 He ⟶ 6 12 C + 0 1 n El primer elemento que se preparó y que no se da de forma natural en la Tierra, el tecnecio, lo crearon mediante el bombardeo del molibdeno con deuterones (hidrógeno pesado, 1 2 H ) , Emilio Segre y Carlo Perrier en 1937: 1 2 H + 42 97 Mo ⟶ 2 0 1 n + 43 97 Tc La primera reacción nuclear en cadena controlada se llevó a cabo en un reactor de la Universidad de Chicago en 1942. Una de las muchas reacciones fue: 92 235 U + 0 1 n ⟶ 35 87 Br + 57 146 La + 3 0 1 n Conceptos clave y resumen Los núcleos pueden sufrir reacciones que cambian su número de protones, su número de neutrones o su estado energético. En las reacciones nucleares intervienen muchas partículas diferentes. Las más comunes son los protones, los neutrones, los positrones (electrones con carga positiva), las partículas alfa (α) (núcleos de helio de alta energía), las partículas beta (β) (electrones de alta energía) y los rayos gama (γ) (que componen la radiación electromagnética de alta energía). Al igual que las reacciones químicas, las reacciones nucleares están siempre balanceadas. Cuando se produce una reacción nuclear, ni la masa total (número) ni la carga total cambian. Ejercicios de química del final del capítulo Describa brevemente o defina cada uno de los siguientes elementos: (a) nucleón (b) partícula α (c) partícula β (d) positrón (e) rayo γ (f) nucleido (g) número de masa (h) número atómico (a) El nucleón es cualquier partícula contenida en el núcleo del átomo, por lo que puede referirse a protones y neutrones. (b) La partícula α es el producto de la radiactividad natural y es el núcleo de un átomo de helio. (c) La partícula β es el producto de la radiactividad natural y es un electrón de alta velocidad. (d) El positrón es una partícula con la misma masa que un electrón, pero con carga positiva. (e) Los rayos gama componen una radiación electromagnética de alta energía y corta longitud de onda. (f) Nucleido es un término que se utiliza para referirse a un solo tipo de núcleo. (g) El número de masa es la suma del número de protones y el número de neutrones de un elemento. (h) El número atómico es el número de protones en el núcleo de un elemento. ¿Cuáles de las distintas partículas (α, β, etc.) que se producen en una reacción nuclear son realmente núcleos? Complete cada una de las siguientes ecuaciones añadiendo las especies que faltan: (a) 13 27 Al + 2 4 He ⟶ ? + 0 1 n (b) 94 239 Pu + ? ⟶ 96 242 Cm + 0 1 n (c) 7 14 N + 2 4 He ⟶ ? + 1 1 H (d) 92 235 U ⟶ ? + 55 135 Cs + 4 0 1 n (a) 13 27 Al + 2 4 He ⟶ 15 30 P + 0 1 n ; (b) 94 239 Pu + 2 4 He ⟶ 96 242 Cm + 0 1 n ; (c) 7 14 N + 2 4 He ⟶ 8 17 O + 1 1 H ; (d) 92 235 U ⟶ 37 96 Rb + 55 135 Cs + 4 0 1 n Complete cada una de las siguientes ecuaciones: (a) 3 7 Li + ? ⟶ 2 2 4 He (b) 6 14 C ⟶ 7 14 N + ? (c) 13 27 Al + 2 4 He ⟶ ? + 0 1 n (d) 96 250 Cm ⟶ ? + 38 98 Sr + 4 0 1 n Escriba una ecuación balanceada para cada una de las siguientes reacciones nucleares: (a) la producción de 17 O a partir de 14 N por bombardeo de partículas α (b) la producción de 14 C a partir de 14 N por bombardeo de neutrones (c) la producción de 233 Th a partir de 232 Th por bombardeo de neutrones (d) la producción de 239 U a partir de 238 U por bombardeo de 1 2 H (a) 7 14 N + 2 4 He ⟶ 8 17 O + 1 1 H ; (b) 7 14 C + 0 1 n ⟶ 6 14 C + 1 1 H ; (c) 90 232 Th + 0 1 n ⟶ 90 233 Th ; (d) 1 92 238 U + 1 2 H ⟶ 92 239 U + 1 1 H El tecnecio-99 se prepara a partir del 98 Mo. El molibdeno-98 se combina con un neutrón para generar molibdeno-99, un isótopo inestable que emite una partícula β para dar una forma excitada de tecnecio-99, representada como 99 Tc * . Este núcleo excitado se relaja al estado fundamental, representado como 99 Tc, al emitir un rayo γ. El estado fundamental del 99 Tc emite entonces una partícula β. Escriba las ecuaciones de cada una de estas reacciones nucleares. La masa atómica de 9 19 F es 18,99840 u. (a) Calcule su energía de enlace por cada átomo en millones de electronvoltios. (b) Calcule su energía de enlace por nucleón. (a) 148,8 MeV por átomo; (b) 7,808 MeV/nucleón En la reacción 6 14 C ⟶ 7 14 N + ? , si 100,0 g de carbono reaccionan, ¿qué volumen de nitrógeno gaseoso (N 2 ) se produce a 273K y 1 atm? partícula alfa (α o 2 4 He o 2 4 α ) núcleo de helio de alta energía; un átomo de helio que ha perdido dos electrones y contiene dos protones y dos neutrones antimateria partículas con la misma masa, pero con propiedades opuestas (como la carga) a las partículas ordinarias partícula beta (β o -1 0 e o -1 0 β ) electrón de alta energía rayos gama (γ o 0 0 γ ) radiación electromagnética de alta energía y longitud de onda corta que presenta la dualidad onda-partícula reacción nuclear cambio en un núcleo que da lugar a cambios en el número atómico, el número de masa o el estado energético positrón ( +1 0 β o +1 0 e ) antipartícula del electrón; tiene propiedades idénticas a las del electrón, excepto que tiene la carga opuesta (positiva)

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