FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR 

Los procesos de división de núcleos pesados por bombardeo nuclear generando núcleos más livianos (fisión nuclear) y los procesos de unión de núcleos ligeros para formar núcleos de masa mayor (fusión nuclear) son exotérmicos y ambos fenómenos son de suma importancia: las centrales nucleoeléctricas destinadas a generar energía y algunas formas de armamento nuclear dependen del proceso de fisión nuclear para su funcionamiento; por su parte el proceso de fusión nuclear es fundamental en la producción de energía en el Sol. 

El esquema de la figura nos da un ejemplo de un proceso de fisión nuclear inducida: en este caso un neutrón incide sobre un núcleo de Uranio-235 y éste como resultado de la colisión nuclear se fragmenta en otros 2 núcleos más pequeños (uno de estroncio y otro de xenón). Asimismo se liberan 3 nuevos neutrones y energía (producción de rayos gamma, γ). Cada neutrón liberado puede provocar otra fisión. En el ejemplo, se pueden producir 3 nuevas fisiones y cada una de ellas liberará energía, generará más núcleos productos y 3 neutrones más; éstos últimos tendrán la posibilidad de inducir más fisiones y así sucesivamente. Ocurrirá entonces una reacción en cadena que acelera la velocidad de fisión y crece rápidamente la energía liberada. Por lo expresado: el proceso debe ser controlado. 

La ecuación de fisión nuclear del ejemplo es: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ⁹⁰₃₈Sr + ¹⁴³₅₄Xe + 3¹₀n 

Que se produzca o no la reacción en cadena de una muestra dependerá de su masa. Por debajo de un valor mínimo (llamado masa subcrítica) la reacción en cadena se detiene porque los neutrones generados escapan de la muestra y no pueden colisionar con otros núcleos; cuando aumenta el valor de la masa y alcanza la llamada masa crítica (mínima masa del material fisionable para generar una reacción nuclear en cadena) se obtiene una velocidad de fisión aproximadamente constante (en promedio un neutrón producido en cada fisión está en condiciones de generar una nueva fisión); por encima del valor de la masa crítica se llega a la “masa supercrítica” y ahí se multiplica la reacción en cadena y puede ocasionar una explosión. 

El conocimiento de los hechos mencionados ha inspirado el uso de la fisión nuclear con fines no siempre “humanitarios”. 

En Julio de 1945 nace la primera bomba atómica en el Laboratorio Nacional de los Álamos, en Nuevo México. 

En forma esquemática la imagen adjunta del diseño de bomba atómica extraída del texto “Química” de R. Chang (10^a Edición) nos ilustra cómo funciona: se encienden explosivos químicos (TNT, trinitrotolueno) y eso fuerza la unión de las secciones fisionables (2 muestras de U-235 de masas subcríticas); se forma así una cantidad de masa mayor (una masa supercrítica); una fuente de neutrones situada en el centro del dispositivo inicia la fisión nuclear que en estas condiciones favorece la reacción en cadena (y sin control) aumentando la energía liberada y culminando en la explosión nuclear. 

En Agosto de 1945 se lanzaron bombas atómicas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki con resultados letales. 

Cómo se indicó al inicio del presente trabajo, la fisión nuclear también es usada con fines pacíficos: generación de electricidad aprovechando el calor liberado de una reacción en cadena permanentemente controlada en reactores nucleares. Los principales inconvenientes de la fisión nuclear son: productos radiactivos y con vida media larga (ejemplos: Sr-90; Pu-239;etc.); posibles accidentes nucleares (ejemplo: el ocurrido en Abril de 1986 en un reactor de la planta nuclear de Chernobyl que liberó gran cantidad de material radiactivo al ambiente provocando numerosos daños y muertes); disposición segura de los desechos radiactivos... 

El Sol: se compone básicamente de hidrógeno y helio y en su interior (que alcanza temperaturas cercanas a 15 millones de grados Celsius) se dan las reacciones de fusión nuclear (también llamadas reacciones termonucleares porque sólo ocurren a temperaturas muy elevadas); nos regala amaneceres y atardeceres hermosos y también nos recuerda que emplea una forma de producción de energía continua y más sana que la fisión nuclear ya que genera pocos desperdicios radiactivos. Considerando además que los combustibles necesarios son baratos y casi inagotables (uno de los cuales podría ser el deuterio, ²H) resulta atractivo encaminar investigaciones y proyectos que apunten al aprovechamiento de la fusión nuclear en la producción de energía. 

 

La figura nos muestra un esquema de fusión nuclear: en este ejemplo se unen 2 núcleos pequeños (uno de deuterio, ²₁H y otro de tritio, ³₁H) 

El resultado de la fusión es la formación de un núcleo más grande (de helio, ⁴₂He) y en el proceso se libera energía y un neutrón (¹₀n). 

La ecuación nuclear correspondiente a esta fusión nuclear es: 

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n 

Aunque se tiene el conocimiento científico para diseñar un reactor de fusión que produzca energía aún no se ha logrado construirlo: no se ha encontrado la forma de mantener unidos a los núcleos el tiempo suficiente y a la temperatura adecuada para que ocurra la fusión nuclear. Se necesitan temperaturas muy altas (unos 100 millones de grados Celsius) alcanzándose el estado de la materia denominado plasma en donde existe una mezcla gaseosa de iones positivos y de electrones. En consecuencia se debería disponer de algún recipiente que resista dichas temperaturas y pueda contener una muestra fusionable y en cantidad suficiente en estado plasmático. Con el objetivo de solucionar estos inconvenientes se investigan algunas alternativas como ser el empleo de un confinamiento magnético del plasma; utilización de rayos láser de alta potencia para iniciar la reacción de fusión; etc.

EMISIONES NUCLEARES, CARACTERÍSTICAS, MEDICIONES Y PREDICCIONES

 

EMISIONES NUCLEARES, MEDICIÓN Y PREDICCIÓN DEL TIPO DE DESINTEGRACIÓN NUCLEAR.

Recordemos que el átomo es un conjunto de partículas o, definido de otra manera, es la partícula más pequeña de un elemento químico que puede existir conservando las propiedades del mismo. Contiene tres partículas fundamentales: los electrones y los nucleones que están ubicados en el núcleo y son 2 (protones y neutrones). Los átomos de un determinado elemento químico X lo podemos representar en general como: ^A_zX siendo z=número atómico (cantidad de protones) y A=número másico=cantidad de nucleones.

Por otro lado no todos los átomos de un elemento químico son exactamente iguales: pueden tener diferente A (diferente cantidad de neutrones). A los átomos de un mismo elemento químico con diferente A se les llama isótopos o nucleidos.

A su vez, los isótopos de un elemento químico van a diferir en la estabilidad de sus núcleos: algunos son estables y otros son inestables. Los inestables se conocen como radioisótopos (o radioactivos) y a sus núcleos se les denomina radionucleidos: espontáneamente se transformarán en otros núcleos con emisión de partículas y/o radiaciones. Dicha emisión espontánea se denomina radiactividad y tiene múltiples aplicaciones, una de las cuales corresponde a una TEP (tomografía de emisión de positrones) como lo ilustra la imagen que encabeza este artículo extraída de “Química. La Ciencia Central” de Brown, Le May, Bursten. Editorial Pearson Prentice Hall Año 2004 (novena edición).

El cuadro siguiente nos muestra algunas propiedades de las radiaciones que en general se propagan en línea recta y en todas las direcciones, provocan luminiscencia de determinadas sustancias, ionizan el aire (excepto las γ), tienen efectos mecánicos, calóricos o químicos.

Características	Radiación α	Radiación β	Radiación γ
Carga	+2	-1	0
Masa (en gramos)	6,64x10-24	9,11x10-28	0
Poder relativo de penetración	1	100	1000
Poder ionizante	“grande”	Menor que α	No tiene (sin carga)
Naturaleza de la radiación	Núcleos de 42He	Electrones	Fotones de alta energía

Del cuadro anterior se deduce que como blindaje a las radiaciones α alcanza con una hoja de papel y es suficiente trabajar a una distancia de unos 10 cm de la fuente para que al organismo no le llegue ninguna partícula. Las partículas β requieren otras medidas de blindaje que dependen de la energía de las mismas (por ejemplo: se frenan colocando una hoja de aluminio o estando a varios metros de distancia). Por último las emisiones γ no son absorbidas completamente por el material de blindaje empleado y por eso éste último debe ser suficientemente grueso para que el nivel de dosis fuera de él sea aceptable (de ahí el empleo del plomo).

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN Y UNIDADES

La radiación al atravesar la materia produce diferentes efectos como ser: ionización de gases, excitación de luminiscencia en sólidos, ennegrecimiento de placas fotográficas.

Una radiación ionizante al atravesar un gas provoca la ionización de una parte de sus átomos y entonces se liberan iones positivos y electrones convirtiendo a ese gas en conductor eléctrico (se genera un pulso de corriente que puede ser detectado).

Basados en los hechos mencionados existen dispositivos de detección y medida de radiaciones: cámaras de ionización; contadores de centelleo; contadores Geiger-Muller...

El contador Geiger-Muller, mostrado en la figura, “comienza” su historia en 1908 con el físico alemán Hans Geiger (1882-1945) y continúa con Walter Müller (físico alemán, 1905-1979).

En síntesis: consiste en un tubo metálico lleno de gas que tiene una ventana construida con un material (por ejemplo: mica) que permite ser atravesado por radiaciones. En el centro del tubo hay un cable que puede ser conectado a una fuente de corriente directa y el cilindro de metal está conectado a la otra terminal. A través de la fuente de alto voltaje la corriente fluye entre el alambre y el cilindro metálico siempre que haya iones producidos por la radiación que entra. El pulso de corriente así generado se amplifica y el número de pulsos es proporcional a la actividad, siendo la altura de cada pulso proporcional a la energía.

La actividad (la velocidad de desintegración de un núcleo radiactivo) es proporcional al número de partículas que se emiten por unidad de tiempo. Se ha usado la unidad Curio (Ci): definida como la actividad correspondiente a 3,7x10¹⁰ desintegraciones por segundo. Actualmente se usa la unidad Becquerel (Bq): igual a una desintegración por segundo.

La desintegración radiactiva es un proceso espontáneo: cumple con las leyes estadísticas (aleatorias). En consecuencia la cantidad de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo será variable de medida en medida. Una fuente de radiación irradia continuamente y nosotros sólo registramos ciertos tiempos de medida. Por eso, en una actividad experimental repetimos varias veces una misma medida y determinamos el valor medio.

PREDICCIÓN DEL TIPO DE DESINTEGRACIÓN NUCLEAR

Exactamente no puede afirmarse si un núcleo es estable o radiactivo o qué tipo de desintegración sufrirá: depende de varios factores. Sin embargo existen observaciones empíricas que nos permiten realizar predicciones.

La estabilidad de un núcleo está dada por las interacciones nucleares (fuerza de atracción entre los nucleones en la cual participan los neutrones: de alguna manera éstos“moderan” la repulsión entre los protones).

Las observaciones experimentales sugieren que la razón entre neutrones y protones de núcleos (¹₀n/¹₁p) nos permiten predecir el tipo más probable de desintegración radiactiva de cada radioisótopo comparando dicho cociente con los núcleos cercanos que están dentro del llamado cinturón de estabilidad: en donde se ubican los núcleos estables (en la banda coloreada de la gráfica adjunta). La razón de neutrones a protones de los núcleos estables aumenta al aumentar el número atómico. En la mayoría de los casos los núcleos radiactivos están fuera del cinturón de estabilidad. Éste termina en el elemento bismuto (número atómico, z, igual a 83).

Distinguimos algunas situaciones generales que nos permiten predecir cuál es la desintegración más probable. Veámoslas.

1) Núcleos por encima del cinturón de estabilidad (alta relación ¹₀n/¹₁p), ricos en neutrones pueden emitir una partícula β (reduce la cantidad de neutrones y aumenta la de protones).

Ejemplo: Desintegración del ¹⁴₆C.

La cantidad de neutrones y de protones en este caso es 8 (14-6) y 6 respectivamente; la relación ¹₀n/¹₁p es 8/6=1,3. Observamos que esta relación se encuentra por encima del cinturón de estabilidad (para átomos de número atómico pequeño dicha relación es 1 o próxima a ello). Por lo anterior sufrirá preferentemente una desintegración β: ésta aumenta la cantidad de protones y disminuye la cantidad de neutrones. La ecuación es: ¹⁴₆C → ⁰_-1e + ¹⁴₇N y ¹₀n/¹₁p es 7/7=1 en el ¹⁴₇N.

2) Núcleos por debajo del cinturón de estabilidad (pequeñas razones de ¹₀n/¹₁p ): pueden “mejorar” su estabilidad nuclear emitiendo positrones o por captura electrónica (ambas desintegraciones aumentan la cantidad de neutrones y disminuye la de protones); en los núcleos más ligeros es más común la emisión de positrones que la captura electrónica. Esta última se torna más común a medida que aumenta la carga nuclear.

Ejemplo: Desintegración del ¹¹⁸₅₄Xe.

En este caso la relación ¹₀n/¹₁p es (118-54)/54=64/54=1,18. Según el cinturón de estabilidad esta relación está por debajo. Entonces para alcanzar la estabilidad dicho núcleo debería reducir la cantidad de protones y aumentar la de neutrones lo cual es posible mediante emisión de positrones o captura electrónica, por lo que es posible que se den esas reacciones nucleares.

Las ecuaciones respectivas son: ¹¹⁸₅₄Xe →⁰₁e + ¹¹⁸₅₃I para la emisión de positrones y para la captura electrónica ¹¹⁸₅₄Xe + ⁰_-1e → ¹¹⁸₅₃I. Ahora la relación ¹₀n/¹₁p pasó a ser:

(118-53)/53=65/53=1,22 (aumentó acercándose a la estabilidad)

3) Todos los núcleos con número atómico ≥ 84 son radiactivos y tienden a emitir partículas α en la cual se reduce el número de neutrones y de protones.

Ejemplo: Desintegración del ²³⁹₉₄Pu.

Como z es ≥ 84, la desintegración más probable es la α.

En este caso la ecuación es: ²³⁹₉₄Pu → ⁴₂α + ²³⁵₉₂U

Notas

Observaciones empíricas sugieren que:

a) los núcleos que contienes números mágicos de ¹₁p o de ¹₀n generalmente son más estables (números mágicos: 2,8,20,28,50,82 para los ¹₁p o 2,8,20,50,82,126 para los ¹₀n). 

b) los núcleos con números pares de ¹₁p y ¹₀n son más estables que los que tienen números impares de nucleones.

MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES.

 TAMIZACIÓN

Este método nos permite separar sólidos formados por partículas de diferentes tamaños: un tamiz adecuado dejará pasar los sólidos formados por las partículas más pequeñas y  en el tamiz quedarán aquellos de partículas más grandes. 

Un ejemplo de aplicación sería cuando tenemos una mezcla de talco y sal gruesa: en el tamiz quedaría la sal gruesa.

FILTRACIÓN.

De esta manera podemos separar un sólido de un líquido a través de un material poroso: un filtro que puede ser de papel, de algodón, de arena, telas especiales, lana de vidrio, amianto, etc. (en la figura se muestra el caso de un filtro de papel)

Un ejemplo de aplicación sería una mezcla de agua y yerba: en el filtro quedaría la yerba y en el otro recipiente (un matraz en la figura) el agua.

DECANTACIÓN.

Si queremos separar 2 líquidos de diferente densidad y no miscibles (no se disuelven unos en otros) podemos utilizar este método: empleando un embudo de decantación (éste tiene una salida en la parte inferior con una llave de forma que cuando se encuentren bien delimitadas las fases podemos ir separándolas abriendo la llave para dejar pasar la inferior).
Un claro ejemplo de aplicación sería una mezcla de aceite y agua: por tener menor densidad el aceite queda en la parte superior de la mezcla y lo podemos separa por el método descrito.
Si no se dispone de un embudo de decantación, podríamos separar la mezcla de dos líquidos inmiscibles colocando la mezcla en un vaso, volcando ligeramente éste podemos trasvasar la fase superior (en el ejemplo: el aceite) a otro recipiente y dejar en el vaso la otra fase. Esta forma de separación es menos precisa que si la realizamos con el embudo de decantación.
La decantación también la podemos usar para separar sólidos de líquidos por diferencia de densidad: cuando el sólido es más denso que el líquido, se deja sedimentar el sistema (se deja en reposo) y con el tiempo el sólido se depositará en el fondo del recipiente y se separa de la parte superior líquida volcando ligeramente el vaso que lo contenga. Un ejemplo de aplicación para este caso sería agua y arena.

CENTRIFUGACIÓN.

Nos permite separar un sólido de un líquido aumentando la velocidad de decantación: cuando las partículas de sólido son muy pequeñas y de baja densidad, en este caso se usa una centrífuga que acelera el proceso de decantación del sólido; de esta manera el sólido quedara más apelmazado en el fondo del tubo de centrífuga y se separa del líquido sobrenadante (por filtración o volcando el tuvo para dejar caer el líquido en otro recipiente).

Un ejemplo de aplicación podría ser si tenemos talco y agua líquida. 

IMANTACIÓN.

Si una de las sustancias es atraída por los imanes, podemos utilizar un imán para separarla del resto de las sustancias que forman el sistema. Este método también se denomina separación magnética.
Un ejemplo de aplicación es cuando tenemos una mezcla de limaduras de hierro y arena: el hierro será atraído por el imán y lo separará del resto.

La imagen nos muestra una posible de la imantación en terapia magnética.
Un equipo de científicos de Corea del Sur ha desarrollado una nueva técnica con imanes que hace que los tumores se autodestruyan, lo que podría convertirse en un arma revolucionaria en la lucha contra este mal.
La innovadora terapia magnética pasa por la creación de nanopartículas de hierro (unidas a anticuerpos) que se adhieren a las moléculas que se encuentran sobre las células cancerosas. Cuando el campo magnético es activado, las moléculas comienzan a agruparse iniciando automáticamente una ‘señal de muerte’. El estudio ha demostrado que el proceso funciona en las células de cáncer de colon. Este enfoque alimenta la esperanza en la creación de nuevos tratamientos específicos frente a las células tumorales resistentes. De acuerdo a la investigación, publicada en la revista ‘Nature Materials’, más del 50% de las células de cáncer de colon murieron en el experimento.
La apoptosis o muerte celular programada, es un conjunto de reacciones químicas que se deshace de las células viejas, defectuosas o infectadas. El proceso concluye tras cierto número de divisiones celulares con la muerte celular de una forma ordenada y silenciosa. Pero en el cáncer este proceso falla y las células continúan dividiéndose sin control. Los investigadores planean ahora probar la técnica en una amplia gama de tipos de cáncer para ver si se pueden destruir otros tumores. Mientras tanto, los médicos recuerdan que el simple mantenimiento de un peso corporal saludable puede prevenir numerosas enfermedades, entre ellas el cáncer de vejiga, de páncreas, de mama, de colon, de esófago, de riñón, de útero y de vesícula. Según un informe publicado la semana pasada por el Fondo Mundial de Investigación del Cáncer, más de 22.000 casos podrían prevenirse cada año con tan solo controlar el exceso de peso.

DISOLUCIÓN.

Este método nos permite separar dos sólidos mediante un líquido en el cual se disuelve solamente uno de ellos.
A modo de ejemplo el carbonato cálcico (CaCO₃) y el cloruro sódico (NaCl) son dos sólidos que pueden separarse basándonos en sus propiedades de solubilidad en agua: el NaCl es muy soluble mientras que el carbonato cálcico es prácticamente insoluble en dicho solvente. Entonces si tenemos una mezcla formada por estos sólidos podemos separar a éstos utilizando agua. De esta manera nos quedará un sólido (el carbonato de calcio) y una solución líquida de cloruro de sodio; por filtración separamos luego el sólido de la solución líquida (el sólido queda retenido en el filtro utilizado). Por último el cloruro de sodio es separado del agua a través de la ebullición del agua, quedando en forma sólida.

SEDIMENTACIÓN.

El esquema de la figura nos indica las principales etapas del proceso de potabilización del agua y sirve de ejemplo para explicar este método de separación de fases.
La sedimentación se aplica en sistemas formados por una fase sólida pulverizada que se encuentra en suspensión en una fase líquida. El método se fundamenta en el hecho de que la fase sólida finamente dividida al ser más densa que la fase líquida se irá depositando en el fondo del recipiente debido a la fuerza de atracción de la gravedad. El método es lento y poco preciso: para lograr la separación de las fases, conviene inclinar el recipiente y trasvasar la fase líquida superior, intentando que la fase sólida no caiga.
El proceso de sedimentación en la potabilización del agua se realiza utilizando la sustancia sulfato de alúmina que aglutina las impurezas, cayendo luego al fondo.
Cabe agregar que otra aplicación conocida de la sedimentación es en el proceso de obtención de bebidas por fermentación como pro ejemplo el vino: las bebidas se dejan reposar, sin mezclar, en toneles para luego extraer la fase líquida, despreciando el fondo donde están sedimentadas las impurezas sólidas.

SUBLIMACIÓN.

Mediante este método se pueden separar fases sólidas basándose en que una de ellas al aumentar la temperatura sublima: cambia de estado sólido a gaseoso.
Por ejemplo, como se observa en la imagen, si tenemos una mezcla de yodo y arena: se puede separar el yodo que es un sólido negro brillante que sublima, obteniéndose vapores de color violeta. Al calentar la mezcla y luego dejando enfriar el recipiente (preferiblemente cerrado para evitar pérdidas de materia) los vapores de yodo al encontrar una superficie a menor temperatura (en el ejemplo: el vidrio) pasan al estado sólido en forma de pequeños cristales, quedando adheridos a la superficie. Por otro lado la arena queda en el fondo del recipiente.

ALDEHÍDOS Y CETONAS: GENERALIDADES, FORMULACIÓN, NOMENCLATURA, ISOMERÍA.

 

Los aldehídos y cetonas son sustancias químicas muy comunes y con múltiples aplicaciones. A modo de ejemplo citamos: el metanal o formaldehido (un gas,  irritante y tóxico, soluble en agua,  que se vende con el nombre de formol) se emplea en la elaboración de desinfectantes, como ingrediente para la producción de resinas, productos químicos y farmacéuticos, conservantes, etc.; el etanal (o acetaldehído) puede emplearse en la síntesis de plásticos, pinturas, en la industria del caucho y del papel..; la propanona (o acetona) es conocida por una de sus aplicaciones (indicada en la imagen). El componente principal del extracto de vainilla es un aldehído y el aldehído cinámico es el responsable del olor de la canela y se emplea en la manufactura de perfumes; el sabor de la menta se debe a una cetona.

Las moléculas de aldehídos y cetonas forman puentes de hidrógeno con las moléculas polares de agua. Lo anterior explica que estos compuestos con hasta 3 átomos de carbono sean totalmente miscibles en agua. 

Por otro lado, los puntos de fusión y de ebullición de los aldehídos y cetonas son relativamente bajo. Entonces a temperatura ambiente algunos se encuentren en estado gaseoso o son líquidos muy volátiles y por ello los vapores de estas sustancias llegan a la mucosa nasal y podemos percibir sus aromas.

Como lo ejemplifican las ecuaciones químicas mostradas, los aldehídos y cetonas se pueden  preparar por oxidación controlada de alcoholes. 

Son compuestos orgánicos que presentan al grupo funcional carbonilo: un átomo de carbono unido covalentemente con un átomo de oxígeno mediante un doble enlace.

Se diferencian en la ubicación del grupo funcional:

En los aldehídos el grupo carbonilo se encuentra en un átomo de carbono primario, o, dicho en otros términos: en el extremo de la cadena principal. En la figura: R indica grupo alquilo (cadena formada por átomos de carbono e hidrógeno).
En las cetonas, el carbono del grupo funcional carbonilo es un átomo de carbono secundario y por lo tanto está unido a otros 2 átomos de carbono (nuevamente: las letras R y R' representan a los grupos alquilos que correspondan).

La fórmula general de los aldehídos y cetonas es C_nH_2nO siendo n la cantidad de átomos de carbono.

Nota: para las cetonas n es igual o mayor que 3.

Los aldehídos y cetonas se nombran empleando los prefijos utilizados en hidrocarburos (1C: met; 2C: et; 3C: prop; 4C: but; 5C: pent; 6C: hexa; 7C: hept; 8C: oct…) y aplicando reglas similares cuando hay ramificaciones que se nombran primero.

Para los aldehídos se emplea la terminación al (también algunos se conocen por otros nombres). Los primeros 4 aldehídos con sus fórmulas moleculares (o global) y sus fórmulas desarrolladas son: 

La imagen siguiente nos ejemplifica el hecho de que los aldehídos presentan isomería de cadena: 

Ambos aldehídos tienen la misma fórmula molecular y diferente cantidad de C en la cadena principal (la de la izquierda es de 6 C y la otra es de 5 C) y en consecuencia son isómeros de cadena.

Nota: se muestra una fórmula semidesarrollada en el caso del 3-metilpentanal.

Para las cetonas se emplea la terminación ona. Las primeras 4 cetonas con sus fórmulas moleculares y sus fórmulas semidesarrolladas son: 

La imagen precedente nos muestra que las cetonas poseen isomería de posición: son ejemplo de ello la 2-pentanona y la 3-pentanona (ambas tienen la misma fórmula molecular y difieren en la posición del grupo funcional carbonilo que se ubica en los C2 y C3 respectivamente).

Las cetonas también presentan isomería de cadena como lo ilustra la imagen siguiente:

Las 3 estructuras de cetonas mostradas presentan la misma fórmula global, C₈H₁₆O, y difieren en la cantidad de carbonos en la cadena principal y por lo mismo son isómeros de cadena.

Los aldehídos y cetonas de igual fórmula molecular son isómeros de compensación de función. Esta isomería se da cuando varía la posición de un heteroátomo perteneciente a la cadena carbonada. En este caso el heteroátomo es el oxígeno, O, que forma el grupo carbonilo.

Por ejemplo: propanal y propanona tienen fórmula global C₃H₆0 y son isómeros de compensación de función; algo similar ocurre entre el pentanal y la 2-pentanona (ambos tienen la fórmula molecular C₅H₁₀0). 

 

ALCOHOLES. FORMULACIÓN, NOMENCLATURA Y ALGUNAS PROPIEDADES.

Los alcoholes, son sustancias química comunes, de variados usos (etanol como bactericida; 2-propanol como antiséptico empleado en limpieza de lentes de cámaras fotográficas entre otros; el metanol entre otros usos es empleado como aditivo para gasolina y como combustible; etc.) y los encontramos en diferentes productos comerciales como lo ilustra la imagen extraída del libro: “QUÍMICA. LA CIENCIA CENTRAL” Novena edición. De: Brown; Le May; Bursten. Editorial: Pearson Prentice Hall. Año 2004.

Desde el punto de vista estructural los alcoholes son compuestos orgánicos, derivados de hidrocarburos  en los cuales se ha remplazado un hidrógeno por un grupo funcional hidroxilo: OH, unido covalentemente a un átomo de C. La fórmula general es: C_nH_(2n+2)O siendo n la cantidad de C.

Para nombrarlos se emplean las reglas generales aplicadas en alcanos: los prefijos según la cantidad de C para la cadena principal (1C: met; 2C: et; 3C: prop; 4C: but; 5C: pent; 6C: hexa; 7C: hept; 8C: oct…); se utiliza la terminación ol (agregando la letra l al final del nombre del alcano correspondiente); cuando corresponde se indica  mediante un prefijo numérico la ubicación del grupo funcional y la ramificación en caso de tenerla. La imagen nos muestra un ejemplo de cada caso: 

Notas:

1) Dado que la ramificación metil en el compuesto anterior sólo puede estar en el C 2 no es necesario indicar su ubicación. Por tanto el nombre se puede simplificar a: metil-2-propanol

2) El C N°1 siempre es el del extremo más cercano al grupo funcional OH.

Algunos alcoholes se conocen por nombres formados por la palabra  alcohol seguida del prefijo con la terminación ílico. Ejemplos: 

Los átomos de C pueden ser: primarios (unidos a 1 átomo de C);  secundarios (unidos a 2 átomos de C) y terciarios (unidos a 3 átomos de C). En función de lo anterior, los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios y terciarios. 

La imagen adjunta en la parte superior nos ilustra los tipos de C (R representan cadenas hidrocarbonadas que pueden ser iguales o diferentes) y en la parte inferior las estructuras del etanol, 2-propanol y metil-2-propanol, alcoholes primario, secundario y terciario respectivamente.

Los alcoholes presentan: isomería de cadena (cuando tienen 4 o más átomos de C) e isomería de posición (cuando tienen 3 o más átomos de C).

Las tres estructuras mostradas presentan la fórmula global (o molecular): C₄H₁₀O. Los compuestos 1-butanol y 2-butanol son isómeros de posición porque el grupo funcional OH está ubicado en diferentes C y la cadena principal en ambos casos es igual (4C). En cambio: el 2-butanol y metil-2-propanol difieren en la longitud de la cadena principal (4 y 3 C respectivamente) por lo que ambos compuestos son isómeros de cadena.

En general a temperatura ambiente los alcoholes están en estado líquido, son incoloros, presentan olores característicos y son inflamables.

El grupo funcional hidroxilo, OH, es polar y puede formar enlaces por puentes de hidrógeno; entonces los alcoholes son muchos más solubles que los hidrocarburos en disolventes polares como por ejemplo el agua. 

Además, la polaridad del enlace con el OH hace que las fuerzas de atracción entre sus moléculas sean mayores que en los alcanos y en consecuencia tienen puntos de ebullición y de fusión más altos que sus “progenitores” (alcanos de igual cantidad de átomos de carbono).

El metanol, el alcohol más sencillo, muy tóxico, se conoce como “alcohol de madera” dado que antiguamente se preparaba por destilación seca de la madera. Actualmente se obtiene a gran escala mediante calentamiento a altas temperaturas y presiones y en presencia de un óxido metálico como catalizador según la ecuación:

CO_(g) + 2H_2(g) → CH₃OH_(g).

El etanol, el alcohol más conocido, es un producto de la fermentación de carbohidratos como el azúcar y el almidón. En condiciones anaeróbicas, ausencia de oxígeno, las levaduras (y otros cultivos bacterianos) convierten a los carbohidratos en etanol y CO₂, en el proceso se libera energía que los microorganismos utilizan para su crecimiento y otras funciones: 

La reacción precedente se emplea en condiciones controladas para producir cerveza, vino y otras bebidas que contienen etanol como ingrediente principal.

Por otro lado el etanol se prepara de manera comercial mediante la reacción del etileno (eteno) con agua en presencia de ácido sulfúrico (H₂SO₄)  y a unos 280°C y 300 atm: CH₂=CH_2(g) + H₂O_(g) → CH₃CH₂OH_(g)

Los alcoholes primarios se oxidan fácilmente, los secundarios lo hacen lentamente mientras que los alcoholes  terciarios no se oxidan.

Por otro lado los alcoholes son ácidos muy débiles, no reaccionan con base fuertes como el hidróxido de sodio y al reaccionar con metales alcalinos producen hidrógeno y metóxido de sodio (en el ejemplo mostrado): 

2CH₃OH + 2Na → 2CH₃ONa + H₂

 

 

COMBUSTIÓN: TIPOS Y BALANCEO DE ECUACIÓN DE COMBUSTIÓN COMPLETA

Una combustión es un ejemplo de un cambio químico en el cual se produce llama y libera energía en forma de calor (reacción exotérmica) y por lo general uno de los reactivos es el oxígeno molecular, O₂ (que a temperatura ambiente está en estado gaseoso).

La figura nos muestra la combustión del gas propano, C₃H₈, un hidrocarburo utilizado para cocinar y para calefacción en hogares, que al reaccionar con suficiente O₂ gaseoso produce una llama azul y CO₂ y H₂O en estado gaseoso como productos.

Nota: un hidrocarburo es un compuesto que sólo contiene carbono, C e hidrógeno, H, y será el reactivo que junto al oxígeno molecular participa en la reacción química de combustión que priorizaremos.

Por otro lado según la cantidad de O₂ que interviene en la reacción (y las condiciones a las que ésta ocurre), a grandes rasgos podemos distinguir dos tipos de combustión:

1) Combustión completa: ocurre con suficiente O₂ y los productos obtenidos siempre son dióxido de carbono, CO₂, y agua, H₂O.

Aclaración: vale la pena resaltar que lo mismo sucede para derivados de hidrocarburos que contienen oxígeno (por ejemplo: la combustión completa de alcoholes, glucosa,... siempre dará como productos CO₂ y H₂O).

2) Combustión incompleta: ocurre cuando no hay O₂ suficiente y además de CO₂ y H₂O se produce monóxido de carbono, CO, partículas finas de carbono (C(s),hollín)...

Ecuación de combustión completa.

Recordemos que un cambio químico lo podemos representar mediante una ecuación química que incluye las sustancias participantes en la reacción química representadas por sus fórmulas químicas: los reactivos ubicados a la izquierda de la ecuación y los productos (es decir lo que se forma) a la derecha de la misma.

Dado que se cumple la ley de conservación de la masa, Ley de Lavoisier (que implica la conservación del elemento químico), la ecuación se debe balancear.

El balanceo de una ecuación puede hacerse al tanteo o siguiendo algún método.

En las reacciones de combustión completa de un hidrocarburo para balancearlas se aplica un método que es relativamente sencillo.

Describiremos el método a través del ejemplo de la combustión completa del propano, C₃H₈.

Ecuación química sin balancear:

C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O

Nota: para simplificar no se escriben en la ecuación los estados en la cual se encuentran las sustancias participantes.

Balanceo de la ecuación: método o pasos.

Primero se balancean los C.

Contamos la cantidad de carbonos de cada lado de la reacción.

Vemos: que del lado de los reactivos hay 3 C y del lado de los productos hay sólo 1 C. Por lo tanto debemos colocar el número 3 delante de la fórmula química del CO₂ y de esa forma tenemos la misma cantidad de C de cada lado de la reacción.

Por ahora la ecuación va quedando:

C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + H₂O

En segundo lugar se balancean los H.

Observamos que del lado de los reactivos hay 8 H y del lado de los productos hay 2. Por lo tanto debemos colocar un 4 delante del H₂O para tener la misma cantidad de H (4x2=8).

La ecuación química ahora es:

C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

En tercer lugar se balancea el O.

Igualamos los O recordando que al contarlos debemos tener en cuenta los números que ya colocamos. Asi: del lado de los reactivos tenemos 2 O. Del lado de los productos tenemos: 3x2 (los del CO₂) + 4x1 (los del H₂O).

O sea que en total tenemos: 6 + 4= 10 O del lado de los productos. En consecuencia debemos colocar el número 5 delante de la fórmula del O₂ para tener la misma cantidad de O en ambos miembros de la ecuación (5x2=10).

Así llegamos a la ecuación balanceada:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Notas:

1) Los números que hay que usar en la ecuación siempre se colocan delante de las fórmulas químicas de las sustancias (nunca en otra parte: porque si no se transformaría la fórmula de la sustancia y dejaría de ser tal)

2) Los números delante de las fórmulas químicas de las sustancias se llaman coeficientes estequiométricos. En este caso son: 1, 5, 3 y 4 para el C₃H₈, el O₂ , el CO₂ y el H₂O respectivamente.

DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA, REPRESENTACIONES DE LEWIS Y MÁS.

Erwin Schrödinger (Viena,1887– 1961, físico austríaco): propone la ecuación que lleva su nombre y describe al comportamiento del electrón considerando su naturaleza dual (como partícula y como onda). La ecuación se resuelve en función de las variables llamadas números cuánticos: n, l, m_l y m_s.

El número cuántico principal es n y coincide con el nivel de energía del modelo atómico de Bohr. Observando la tabla periódica encontramos 7 niveles que se corresponden con los 7 períodos de la misma.

La energía aumenta a medida que aumenta el valor de n siendo n=1 el nivel de menor energía:

Concepto de orbital: zona de la periferia del átomo donde es mayor la probabilidad de encontrar a los electrones.

Máximo de electrones que puede tener un átomo por nivel: 

Los subniveles en los cuales se ubican los electrones indican la forma que tienen los orbitales y son 4: s, p, d y f. Las cantidades máximas de electrones por subnivel son: 2, 6, 10 y 14 respectivamente.

La distribución electrónica es la manera en que están distribuidos los electrones dentro del átomo: indica cómo se ubican entre los niveles, subniveles y los distintos orbitales.

La figura nos muestra un esquema de dos modelos atómicos relacionados que podemos emplear para hallar la distribución electrónica.

En la parte superior vemos el modelo de niveles de energía según Bohr.

Nota: en la actualidad se emplean números en vez de letras. Entonces en lugar de nivel k, l, m, n…se utilizará nivel 1, 2, 3, 4…

En el modelo de niveles de energía el orden de ubicación de los electrones es el siguiente: los 2 primeros electrones se ubican en el nivel 1; los siguientes 8 electrones van en el nivel 2; los próximos 8 electrones estarán en el nivel 3; los siguientes 2 electrones se ubicarán en el nivel 4; los siguientes 10 electrones los ubicaremos en el nivel 3...

En la parte inferior del esquema tenemos el modelo de subniveles (orbitales) de Schrödinger. En este caso la distribución electrónica la podemos realizar basándonos en el orden establecido por la regla de las diagonales: 

Ejemplos de configuración electrónica según el modelo de orbitales.

1) Elemento litio: Li. Tiene 3 electrones.

Según la regla de las diagonales: los 2 primeros electrones se ubican en el nivel 1 orbital s y el siguiente electrón en el nivel 2 orbital s.

Distribución electrónica: 1s²2s¹

Observación: el número delante de la letra indica el nivel, la letra el orbital y el superíndice la cantidad de electrones.

2) Elemento químico flúor: F. Tiene 9 electrones.

Los 2 primeros electrones estarán en el nivel 1 orbital s; los 2 siguientes electrones en el nivel 2 orbital s; los 5 electrones restantes irán al nivel 2 orbital p.

Distribución electrónica: 1s²2s²2p⁵

3) Elemento químico magnesio: Mg. Tiene 12 electrones.

Tenemos: los 2 primeros electrones estarán en el nivel 1 orbital s; los 2 siguientes en el nivel 2 orbital s; los siguientes 6 electrones se ubicarán también en el nivel 2 pero en orbital p: los 2 electrones restantes irán al nivel 3 orbital s.

Distribución electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²

4) elemento químico azufre: s. Tiene 16 electrones.

Los 2 primeros se ubican en el nivel 1 orbital s; los 2 siguientes en el nivel 2 orbital s; los 6 siguientes en el nivel 2 orbital p; 2 electrones van al nivel 3 orbital s y los restantes 4 electrones estarán en el nivel 3 orbital p.

Distribución electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

La tabla adjunta nos muestra la distribución electrónica por nivel de los primeros 20 elementos químicos de la tabla periódica y los electrones de valencia: aquellos electrones que en el estado fundamental del átomo se encuentran ubicados en el último nivel o subnivel de energía incompleto; son los electrones que permiten que un átomo de un elemento químico pueda unirse con otro y formar una sustancia química (determinan la capacidad de un átomo de formar un enlace químico).

Nota: como es de esperar, los ejemplos de distribución electrónica según el modelo de orbitales realizados nos muestra que los átomos de Li, F, Mg y S tienen 1, 7, 2 y 6 electrones de valencia respectivamente dados que esas son las cantidades de electrones que están en el último nivel (mayor n).

Las representaciones de Lewis consisten en colocar alrededor del símbolo del elemento químico los electrones de valencia representados por un punto. Para construirlas imaginemos que el símbolo del elemento químico está encerrado en un cuadrado. Entonces se irán colocando la cantidad de puntos necesarios que representan los electrones de valencia de a uno por lado.

Ejemplos. El litio, el carbono, el fósforo y el bromo presentan 1, 4, 5 y 7 electrones de valencia respectivamente. Así las representaciones de Lewis serán:

Estas representaciones son útiles porque nos permiten explicar cómo se unen algunos átomos. Los electrones que quedan libres (“solos”) participarán activamente en un enlace químico.

Representaciones de Lewis y tabla periódica.

Como muestra la imagen al comienzo del presente artículo, los elementos químicos que forman un grupo de la tabla periódica tienen representaciones de Lewis similares. Quiere decir que tienen similar cantidad de electrones de valencia y esto a su vez explica que tengan propiedades químicas y físicas parecidas.

Aclaración: por sus propiedades químicas y físicas el hidrógeno no pertenece al grupo 1 (se ubica ahí por su distribución electrónica).