estructura y propiedad de molécula
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se explica como estan organizadas las moleculas organicasTRANSCRIPT
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Estructura y Propiedades de las Molculas
Orgnicas
1. Formacin del enlace en los principales tomos orgnicos
2. Modelos de enlace ms frecuentes
3. Geometra molecular
Teora de Hibridacin
Orbitales sp3, sp2 y sp del tomo de carbono
Reglas generales de la hibridacin y de la geometra
4. Isomera
5. Atracciones y repulsiones intermoleculares
Fuerzas dipolo-dipolo permanente
Fuerzas de Van der Waals
Enlace puente de hidrgeno
6. Efecto de la polaridad en la solubilidad
Lecturas sugeridas (Wade): 2.1-2.12
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Estructura Molecular
Fundamento de la qumica orgnica:
1. Qu tomos (adems del carbono) son importantes?
2. Cmo estn enlazados stos tomos?
http://www.chem.ox.ac.uk/it/chemfun.html
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Estructura Molecular
Fundamento de la bioqumica
http://www.molmovdb.org/cgi-bin/morph-big.cgi?mid_=953838-30137
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Formacin de Enlaces en los
Principales tomos Orgnicos
Cada tomo tiene un nmero limitado de posibilidades de satisfacer el octeto:
1. Electrones enlazantes (electrones compartidos entre dos tomos).
a. Enlace sencillo (un par de electrones compartido)
b. Enlace doble (dos pares de electrones compartidos)
c. Triple enlace (tres pares de electrones compartidos)
2. Electrones no enlazantes (pares de electrones sin compartir localizados
sobre el tomo).
(H es una excepcin a la regla del octeto, posee un solo electrn)
Regin de densidad electrnica: regin de elevada densidad electrnica en la
capa de valencia (electrones enlazantes y
no enlazantes).
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Modelos de Enlace Frecuentes: Carga formal 0
H
F
H
C
N
O
F
O O
N N N
C C C C
4 3 2 1 0
# regiones de elevada densidad electrnica
-
Modelos de Enlace Frecuentes: Carga formal +1
H
C
N
O
F
4 3 2 1 0
# regiones de elevada densidad electrnica
F F
C C
N N N N
O O O
H
-
Modelos de Enlace Frecuentes: Carga formal -1
H
C
N
O
F
4 3 2 1 0
# regiones de elevada densidad electrnica
C C C
H
O
N N
F
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Geometra Molecular Teora de Repulsin de Pares de Electrones de la Capa
Valencia (TRPECV)
Los electrones se repelen unos con otros!
Por tanto, pares de electrones no compartidos y enlazantes
desean estar lo ms distante posible.
2 regiones de e-
Linear (180o)
3 regiones de e-
Trigonal Plana (120o)
4 regiones de e-
Tetraedral (109.5o)
C C HH
180o
C C
H
H
H
H
120o H
CH H
H
109.5o
X
X
X
X
X
-
Orbitales Atmicos y Angulos de Enlace
Cmo se explica este desacuerdo geomtrico?
Pero la densidad e- en los orbitales atmicos p de los tomos est
distribuida ortogonalmente todos los ngulos en todas las
molculas deberan ser de 90o!
2 regiones
X
180o
linear
120o
3 regiones
trigonal
plana
109.5o
4 regiones
tetradrica
Teora TRPECV: # de regiones de elevada densidad electrnica al rededor
de un tomo determina su geometra electrnica y molecular.
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El Enlace en el Metano H
CH H
HC
H
H
H
H C forma 4 enlaces
con el H
La configuracin electrnica
del C muestra solamente 2
lugares donde se puede
formar enlace
pero . . .
1) Cmo el carbono forma 4 enlaces?
2) Con ngulos de 109.5o?
Metano
c
4 x H
2s 2p
1s
+
-
Enlace Qumico: Qu Conocemos?
TEORIA DE ENLACE DE LEWIS: los tomos transfieren o comparten electrones para completar ocho electrones en su
capa ms externa, configuracin de gas noble (el tomo de
de carbono desea formar cuatro enlaces para completar su
octeto).
TEORIA DEL ORBITAL MOLECULAR: orbitales atmicos de diferentes tomos se combinan para formar orbitales
moleculares enlazantes estables.
TEORIA TRPECV: repulsiones electrnicas favorecen diferentes geometras.
TEORIA DEL ENLACE DE VALENCIA: orbitales atmicos se sobreponen para formar enlaces.
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Enlace Qumico: Qu Conocemos?
TEORIA DE ENLACE DE LEWIS
TEORIA DEL ORBITAL MOLECULAR
TEORIA RPECV
TEORIA DEL ENLACE DE VALENCIA
Combinacin y racionalizacin
de las diferentes teoras para
dar origen a una teora ms
avanzada (Linus Pauling
1930).
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Enlace Qumico: Qu Conocemos?
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry
(Ir a student resourcesflash animation chapter 10)
Esta teora se basa en la premisa de que los orbitales atmicos
en un mismo tomo pueden combinarse para formar orbitales
atmicos hbridos.
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TEORA DE HIBRIDACIN
Orbital hbrido
Orbital hbrido
Esta teora se basa en la premisa de que los orbitales atmicos
en un mismo tomo pueden combinarse para formar orbitales
atmicos hbridos.
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Hibridacin sp3 de los Orbitales Atmicos del
Carbono
+
+ +
4 orbitales atmicos se combinan
(2s + 2px + 2py + 2pz)
4 orbitales atmicos hbridos
(4 orbitales sp3)
Densidad electrnica orientada
hacia los vrtices de un
tetraedro (mnima repulsin e-)
C 2s 2p 4 sp3
109.5o
Hibridacin
orbital atmico 2s
orbital 2px orbital 2py orbital 2pz
-
Enlace con Orbitales Hbridos sp3
H
CH H
HC
H
H
H
H
Metano
C C
H
H
H
H
H
H
C
H
HH H
C
HH
Etano
s-sp3 enlace s sp3-sp3 enlace s
-
Hibridacin sp2 de los Orbitales Atmicos del
Carbono
3 orbitales atmicos se combinan
{2s + 2px + 2pz } + py 3 sp2 orbitales hbridos
+ 1 py
densidad electrnica sp2
distribuida hacia los vrtices de
un tringulo
C 2s 2p p 3 sp2
+
120o
Hibridacin
2s 2p
orbital atmico 2s
orbital 2px orbital 2pz orbital 2py
+
puro
-
Enlace con Orbitales Hbridos sp2
C C
H
H
H
H
Etileno
enlace
sobreposicin de orbitales sp2-sp2
forma enlace s
sobreposicin lateral de
orbitales p puros forma
el enlace
enlace s
3 sp2 + 1 py
/2
/2
-
Hibridacin sp de los Orbitales Atmicos del
Carbono
2 orbitales atmicos se combinan
{2s + 2px}, 2py, 2pz
2 orbitales hbridos sp
+ 1 py + 1 pz
densidad electrnica
sp distribuida
linearmente
C 2s 2p p sp
+
X
180o
Hibridacin
orbital 2s
+
orbital 2px
orbital 2pz
orbital 2py
puro
puro
-
Enlace con Orbitales Hbridos sp
C C HH
Acetileno
sp-sp enlace s
pz-pz enlace
Enlace triple = enlace sigma (s) + 2 enlaces pi ()
py-py enlace
2 sp + 1 py + 1 pz
/2
/2
-
Hibridacin con Atomos Diferentes a Carbono
C O
H
H
HH
C NH3C
H N
H
H
C O
H
H
/2
/2
/2
/2
sp2
-
Resumen Teora de Hibridacin Mejor sobreposicin
Orientacin espacial
Minimiza repulsiones electrn-electrn (TRPECV)
-
Determinando el Tipo de Hibridacin
Nmero de
orbitales
hbridos
=
Nmero de
enlaces sigma (s)
que presenta
el tomo
+
Nmero de
pares de electrones
no compartidos
sobre el tomo
Cmo podemos determinar el tipo de hibridacin que presenta un tomo?
Cuente el NMERO DE ORBITALES HBRIDOS que tiene el tomo!
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Reglas Generales de la Hibridacin y la
Geometra Molecular
Los electrones enlazantes sigma y los pares no enlazantes siempre ocupan orbitales hbridos.
Use la hibridacin y geometra que de la mayor separacin posible del nmero calculado de enlaces y pares no enlazantes.
Si dos o tres pares de electrones forman un enlace mltiple entre dos tomos, el primer enlace es uno sigma formado por la sobreposicin
frontal de dos orbitales hbridos. El segundo enlace es un enlace pi,
constituido por dos lbulos situados por encima y por debajo del plano
del enlace sigma, formado por sobreposicin lateral de dos orbitales
p puros. El tercer enlace de un triple enlace, es otro enlace pi,
perpendicular al primer enlace pi.
-
Asignacin del Tipo de Hibridacin Elementos
del Segundo Perodo de la Tabla
# De orbitales
hbridos
Tipo de
hibridacin
2 sp
3 sp2
4 sp3
Correlacin entre el nmero de orbitales hbridos y el tipo de hibridacin:
-
Asignacin de la Hibridacin
N C
H
CH
C
H O
O
H
CC
CC
C
C
HH
O
H
H
H
H
H
1
2
3
4
5
6
7 8
9 10
11
12
13
Ejemplo:
1 2 2 4 sp3
2 1 2 3 sp2
Atomo
nmero
# de enlaces
sigma (s) # de pares de e-
no compartidos
# de orbitales
hbridos
Tipo de
hibridacin
-
N C
H
CH
C
H O
O
H
CC
CC
C
C
HH
O
H
H
H
H
H
Asignacin de la Hibridacin Asigne el tipo de hibridacin a todos los tomos diferentes
de hidrgeno
sp3
sp3 sp2 sp2
sp3
sp3
sp3
sp2
sp2 sp2
sp2
sp2
H C
H
H
I
sp3 sp3
C C C
H
H
H
H
C C C
H
H
H
H
sp sp sp3
sp2
sp
sp2
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Isomera Molecular
Los ismeros son compuestos diferentes con la misma frmula molecular.
Ismeros constitucionales
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH2 CH3
CH3
CH3 C
CH3
CH3
CH3
CH3
Ejemplo 1: compuestos C5H12
Ejemplo 2: compuestos C5H10
Estereoismeros
C C
CH3
H
CH3
H
C C
CH3
H
H
CH3
n-pentano isopentano
neopentano
1-penteno ciclopentano ciclobutano
cis-2-buteno trans-2-buteno
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Atracciones y Repulsiones Intermoleculares
+ +
+
+ + +
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
Repulsin
Atraccin
-
Atracciones Intermoleculares
Estados fsicos de la materia
Las molculas se
ordenan de manera
regular y repetitiva.
Se mantienen unidas
firmemente mediante
fuerzas intermoleculares
atractivas.
Las molculas se
ordenan de manera
regular y repetitiva.
Se mantienen unidas
firmemente mediante
fuerzas intermoleculares
atractivas.
Las molculas se
mueven fcilmente
alrededor de cada una.
Las fuerzas intermoleculares
en el estado lquido
evitan que las molculas
se separen.
Las molculas se
separan en diferentes
direcciones. Estn tan
separadas que las
fuerzas intermoleculares
son insignificantes.
Slido Lquido
Gaseoso
-
Atracciones Intermoleculares
ENERGAS ASOCIADAS CON EL CAMBIO DE FASE:
Slido Lquido Hfusin
Lquido Gas Hvaporizacin
Slido Gas Hsublimacin
Cada uno de stos procesos es endotrmico (requiere absorber calor) y proporcional a la magnitud de las fuerzas intermoleculares y a la ener-
ga cintica de las molculas.
Un aumento en la magnitud de las fuerzas intermoleculares, implicar una mayor energa necesaria para fundir, evaporar o sublimar un com-
puesto.
-
Fuerzas de Atraccin Intermoleculares
Qu tipo de fuerzas de atraccin intermoleculares mantienen juntas a
las molculas neutras?
C
H
H
H
Cl C
H
H
H
Cl C
H
H
H
Cl
atraccin comn (extremo positivo atrae extremo negativo)
+ + +
+ _ +
_ +
_
simbolizada por
repulsin (no comn)
o + + +
+ _ _ _ _
Fuerzas de tipo dipolo-dipolo permanente: presentes en molculas polares (con momentos dipolares > = 0.9D).
-
Fuerzas de Atraccin Intermoleculares
Fuerzas de tipo dipolo inducido o fuerzas de Van der Waals - Son las nicas fuerzas intermoleculares posibles entre molculas
no polares como los alcanos.
- Son el resultado de pequeos dipolos inducidos en una molcula.
- Tambin estn presentes en las partes apolares de las molculas
polares.
_ +
_ + + _
+ _
+ _
+
C
H
H
H
C
H
HH = 0
_ +
_ + +
_ +
_ +
_ +
_
_
_
_ +
distribucin al azar de los
dipolos temporales cuando
las molculas estn separadas
dipolos complementarios
cuando las molculas estn
en contacto
(Ver anexo 3)
-
Fuerzas de Atraccin Intermoleculares
Enlace puente de hidrgeno: es una atraccin especial de tipo dipolo -dipolo permanente particularmente fuerte ( 5 kcal/mol 20 kJ/mol).
puentes de hidrgeno entre
molculas de H2O puentes de hidrgeno entre
molculas de NH3
enlace
puente de H enlace
puente de H
enlace covalente
HO = 0.96
Cmo un tomo de hidrgeno puede formar enlace puente de hidrgeno?
+
+
+
1.97 +
-
Fuerzas de Atraccin Intermoleculares
Enlace puente de hidrgeno: la mayor parte de los enlaces puente de hidrgeno en los compuestos orgnicos se forman cuando una molcula
presenta enlaces HN o HO.
H N H O
enlaces fuertemente polarizados quedando el hidrgeno pobre en electrones
hidrgenos con alta afinidad por los electrones
no enlazantes, forman uniones intermoleculares
+
enlace puente de hidrgeno entre
dos molculas de alcohol
+
+
-
Fuerzas de Atraccin Intermoleculares
CH3 CH2 OH CH3 O CH3. .
. .
. .
. .
El enlace puente de hidrgeno tiene gran efecto en las propiedades fsicas de los compuestos orgnicos: puntos de ebullicin, solubilidad, etc.
estos ismeros tienen el mismo tamao y la misma masa molecular
etanol, pe = 78oC dimetil ter, pe = -25oC
trimetilamina
pe = 3.5oC
etilmetilamina
pe = 37oC
propilamina
pe = 49oC
CH3 N
CH3
CH3
. . . .CH3CH2 N
H
CH3
. .CH3CH2CH2 N
H
H
Los alcoholes forman enlaces de hidrgeno ms fuertes que las aminas,
probablemente porque el oxgeno es ms electronegativo que el nitrgeno.
-
Efecto de la Polaridad en la Solubilidad
Adems de afectar a los puntos de ebullicin y de fusin, las fuerzas intermoleculares determinan las propiedades de solubilidad de los
compuestos orgnicos: las sustancias polares se disuelven en
disolventes polares y las sustancias no polares se disuelven en
disolventes no polares.
Por qu un soluto se disuelve en un disolvente?
Soluto no polar en disolvente no polar (se disuelve)
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
fuerzas intermoleculares
de tipo Van der Waals
disolvente
no polar
_ +
_ + +
_ _ + _
+ + _
_ + _
+ +
_ +
_ + +
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
_
_
_ +
_ + +
_
similitud de fuerzas intermoleculares
entre soluto y disolvente
-
Efecto de la Polaridad en la Solubilidad
Por qu un soluto se disuelve en un disolvente?
Soluto no polar en disolvente polar (no se disuelve)
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
fuerzas intermoleculares
de tipo Van der Waals
disolvente
polar
_ +
_ + _ +
_ + _ +
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
Las dbiles atracciones intermoleculares de tipo Van der Waals del soluto
no pueden vencer las fuertes atracciones de tipo dipolo-dipolo
permanente presentes en el solvente polar, por tanto no se mezclan.
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Efecto de la Polaridad en la Solubilidad
Por qu un soluto se disuelve en un disolvente?
Soluto no polar en disolvente polar (no se disuelve)
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
CH3 CH2 (CH2) CH3
fuerzas intermoleculares
de tipo Van der Waals
H2O
Las molculas de agua se atraen fuertemente unas a otras mediante
enlaces puente de hidrgeno. Si un soluto no polar se disolviera, tendra
que desplazar algunos de esos enlaces puentes de hidrgeno agua-agua.
+
+ +