Química para ingeniería

QUÍMICA PARA INGENIERÍA

EDITORIALUNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA

María José Climent Olmedo | Susana Encinas Perea | Belén Ferrer Ribera | Sara Iborra ChornetMaría Luisa Marín García | Isabel Morera Bertomeu | Sergio Navalón Oltra | Félix Sacenón Galarza

CONOCIMIENTO EMPÍRICO

QUÍMICA

COMBUSTIBLES

PESTICIDAS

POLÍMEROS

PILAS

COLORANTES

FÁRMACOS

ENERGÍA

DISOLVENTES

FERTILIZANTESEXPLOSIVOS

CATÁLISIS

María José Climent OlmedoSusana Encinas PereaBelén Ferrer RiberaSara Iborra Chornet

María Luisa Marín GarcíaIsabel Morera Bertomeu

Sergio Navalón OltraFélix Sacenón Galarza

QUÍMICA PARA INGENIERÍA

EDITORIALUNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA

Primera edición, 2011 (versión impresa) Primera edición, 2013 (versión electrónica)

©María José Climent Olmedo Susana Encinas Perea Belén Ferrer Ribera Sara Iborra Chornet María Luisa Marín García Isabel Morera Bertomeu Sergio Navalón Oltra Félix Sancenón Galarza

© de la presente edición: Editorial Universitat Politècnica de València

Distribución: [email protected] / Tel. 96 387 70 12/ www.editorial.upv.es / Ref. 6096

ISBN: 978-84-8363-740-1 (versión impresa) ISBN: 978-84-9048-005-2 (versión electrónica)

Queda prohibida la reproducción, la distribución, la comercialización, la transformación y , en general, cualquier otra forma de explotación, por cualquier procedimiento, de la totalidad o de cualquier parte de esta obra sin autorización expresa y por escrito de los autores.

www.editorial.upv.es

mailto:[email protected]

v

PRÓLOGOLa implantación del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) en los estu-dios de Grado Universitario ha implicado cambios importantes. Uno de ellos ha sido la reforma de los Planes de Estudio. En ellos, los programas de las materias o asignaturas no son sólo una enumeración de contenidos, sino que se descri-ben en términos de competencias, es decir que debe saber hacer un titulado

sociedad.

Es evidente que la Química está presente en todo lo que nos rodea y es res-ponsable del desarrollo de nuestra sociedad actual. La adquisición de conoci-mientos químicos por los estudiantes de Ingeniería es imprescindible, puesto

razón por la que la Química se ha introducido como asignatura básica en las titulaciones de Grado en numerosas Ingenierías. A través de la Química se pue-den sintetizar nuevas sustancias, explorar nuevas fuentes de energía, ofrecer soluciones a la demanda de nuevos materiales, plaguicidas, fármacos, etc. y resolver problemas medioambientales.

El libro “Química para Ingeniería” incluye conceptos de Química General, Inor-gánica y Orgánica y es una recopilación del material utilizado para impartir las clases teóricas. Consiste en las presentaciones de Power Point que, mediante imágenes y de forma abreviada y visual, resumen el contenido de los temas que comprende esta asignatura.

Este texto va dirigido a los alumnos de la asignatura de Química de primer curso de las titulaciones de Grado en Ingeniería de Organización Industrial, Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales y Grado en Ingeniería de la Energía impartidas en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, aunque puede ser utilizado para abordar el estudio de la Química en cualquier otro título de Grado de Ingeniería. En él se recogen conceptos relacionados, entre otros, con la generación de energía mediante el uso de combustibles fósiles y

Química para Ingeniería

vi

las alternativas a los mismos, las celdas de combustible, la protección contra la corrosión de metales, la obtención y utilización de diferentes polímeros, y los procesos químicos catalíticos.

Con la publicación de este libro no se pretende sustituir a ningún libro de Quí-mica clásico, lo que se desea es que sirva como guía y material de apoyo en el estudio de la asignatura de Química.

Consta de diez temas en los que se estudian conceptos y principios químicos y su relación con los fenómenos comunes observables, con la aplicación a la industria, con la tecnología y con el medio ambiente. Al principio de cada tema

-tales y se incluyen aplicaciones prácticas.

Se inicia con dos temas dedicados a termoquímica, cinética y equilibrio quími-cos, donde se estudian los procesos químicos desde un punto de vista estático y dinámico. En el tema 3 se aborda el estudio de tres productos inorgánicos rele-vantes por su elevada producción industrial. El tema siguiente está dedicado a los procesos de oxidación y reducción, en él se describe, entre otros conceptos, la forma de transformar energía química en energía eléctrica, el fenómeno de la corrosión y cómo prevenirla. En el tema 5 se introducen los conceptos gene-rales de la Química Orgánica, pasando a continuación a estudiar las familias de compuestos orgánicos importantes en el campo de la industria y la tecnología. En todos los temas dedicados a la Química Orgánica se estudia la reactividad, los métodos generales de obtención y las aplicaciones industriales. En los temas 6 y 7 se aborda el estudio de los hidrocarburos: alcanos, alquenos, alquinos y aromáticos. El tema 8 trata los alcoholes, éteres y epóxidos. El estudio de los compuestos carbonílicos (aldehídos y cetonas) se aborda en el tema 9. El texto

En la mayoría de los temas, la aplicación industrial se recoge de manera es-

-

un texto de referencia como punto de partida para la elaboración del mismo.

A pesar de que este texto se ha elaborado con mucha dedicación y cuidado, -

tinua revisión. En este sentido, agradecemos comentarios y críticas que nos

Mª José Climent, Sara Iborra, Isabel Morera

vii

ÍNDICETema 1. Termodinámica y Equilibrio Químico ............................................................. 1 Objetivos e introducción ............................................................................................ 5

................................................................................ 7 .............................................. 9

............................................. 10 .................. 11

.......................................................................................................... 11 .................................................. 12

................................................ 13 ................................................ 13

.................................................................................. 14 .............................................................. 14

.............................................................................. 16 ........................................................ 17

....................................................................................... 19 ............................... 21

............................................ 22 .................................................. 23

..................................... 25 .................. 26

.......................................... 27 .............................................................. 28

..................................................................................... 29

...................... 31 ........................................................................ 33....................................................................... 34

.................................................................................................... 35 ................................................... 36

............................................. 37

............................................................................................ 38

.......................................................................................... 39

Tema 2. Cinética Química ............................................................................................ 41 Objetivos e introducción .......................................................................................... 45

.............................................................................. 47 ........................................................................ 48

.................................................... 49 ..................................................... 50

........... 51 ................................. 54

.................................. 57 ......................................................................................... 57


viii

................................................................................................................... 61 ......................................................................... 62

............................................................................................ 64 65

.. 65

Tema 3. Química Inorgánica Industrial ....................................................................... 67 Objetivos e introducción .......................................................................................... 71

3 ....................................................................................................... 73 ........................................................................................ 73

........................................................................................... 73............................................................. 74

2 4 ............................................................................................ 76 ........................................................................................ 76

........................................................................................... 76............................................................. 78

3 ................................................................................................ 78 ........................................................................................ 78

........................................................................................... 79............................................................. 80

2 4 3 ........................... 81

Tema 4. Reacciones de Oxidación-Reducción .......................................................... 83 Objetivos e introducción .......................................................................................... 87

............................................................................................... 89...................................................................................... 90

.................................................................................................... 92 ............................................................. 94

............................. 95 ...................................... 97

. 97 ...... 99

.............................. 99 .......................................................................... 100

.......................................................... 101 ...................................... 102

Tema 5. Introducción a la Química Orgánica ........................................................... 105 Objetivos ................................................................................................................ 109

.............................................................................111 ..........................................................111

..................................................................... 112 ............................ 112

..................................................................... 113 .................................................. 113

.................................................... 114 ............................................. 115

........................................................................................................ 115 ................................................................................................ 116

....................................................................... 116 .............................................................. 117

ix

Índice

Tema 6. Hidrocarburos Saturados e Insaturados .................................................... 119 Objetivos e introducción ........................................................................................ 123

........................................... 125 ............................................................................................ 125

........................................... 127.......................................................................................... 128

........................................................................... 129 .......................................................................................... 130

.................................................. 131 ...................................................... 131

2 ................................................................. 131 ....................................................................................... 132

..................................................... 133 ................................................................. 134

................................................................................................... 134................................................................................................ 135 .............................................................................................. 135

.................................................................................................. 136................................................................... 136

................................................................................... 138 ................................................................................................. 139

..................................................................................... 139 ........................................................................................... 140

......................................................... 141......................................................................................... 142........................................................................................ 142

................................................................................................ 143 .............................................................................................. 143

.................................................................... 144 ................................................... 144

Tema 7. Hidrocarburos Aromáticos .......................................................................... 147 Objetivos e introducción ........................................................................................ 151

............................................................... 153 ............................. 153

............................................................. 154................................................................................................ 154

....................................................................................................... 155 ................................................................................................... 155

........................................................................ 156 ........................................................................... 156

.................. 157 .............................. 157

...................................................... 158 ................................................................................ 158

...................................................................................... 158 ..................................................... 159

Tema 8. Alcoholes, Éteres y Epóxidos ..................................................................... 161 Objetivos e introducción ........................................................................................ 165

...................................................... 167


x

.................................................. 167 ....................................................... 167

............................................................................... 167 ....... 167

....................................................................................... 168 .......................................................... 168

...................................... 168.............................................................................................. 168

................................................ 168

...................................................................................................... 169 ......................................... 172

................................................................ 173............................................. 173

........................................................... 173 .................................................. 174

............................................................ 174

Tema 9. Aldehídos y Cetonas .................................................................................... 175 Objetivos e introducción ........................................................................................ 179

............................................................................ 181 ......................... 181

................................................................................ 181 .................................................. 181

..... 181 ...................... 181

.............................................................. 182 ....... 182

.............................................................................. 182 ............................................................................. 182

.......................................................................................... 183

................................................ 184

Tema 10. Ácidos Carboxílicos y Derivados ............................................................. 185 Objetivos e introducción ........................................................................................ 189

....................................... 191 ................................... 191

........................................................................ 191 ............................................. 191

........................................................................ 192 ...................................................................................... 192

................................................................................. 192 ........................................................ 192

........................................................................................... 192

........................................................... 193................................................. 194

......................................................................... 194 ...................................................................................... 194

.................................................................................................. 194

Bibliografía ..................................................................................................................195

1

TEMA 1

Tema: 1. Termodinámica y Equilibrio Químico

3

ÍNDICE

c


5

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS


7

Variables termodinámicas

Presión Volumen Temperatura Composición

Estado

Función de estado

La variación de una función de estado es independiente del camino recorrido

1. Definiciones y términos básicos


AbiertoCerradoAislado

Sistema

Límites

Ambiente o entorno

Gas


8

Equilibrio termodinámico

Transformación termodinámica


GasGas

Estado A(P1, T1, V1, n1)

Estado B(P2, T1, V2, n1)

P y V son funciones de estado

A

B

V

PP1

P2

V1 V2

Camino 1

Camino 2



9

2. Primer principio de la termodinámica. Energía interna

La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma

Energía interna (E):

La energía interna depende de la temperatura

No es medible y sólo se pueden medir variaciones de la misma

Proceso reversible

Puede ser invertido

Proceso irreversible

No puede ser invertido



10

La E se determina experimentalmente midiendo el calor absorbido o desprendido en el proceso a volumen constante

Calor y trabajo no son función de estado

P

2.1. Medida de la variación de energía interna ( E)

E = q + w

E = qv

2.1. Medida de la variación de energía interna ( E)

q (calor):

Calor y trabajo tienen unidades de energía

1 cal = 4,18 J

w (trabajo):

E = q + w


11

3. Termoquímica

aA + bB cC + dD

2.2. Concepto de entalpía y medida de la variación de entalpía ( H)

entalpía (H)

Para medir H se realiza el proceso a presión constante y se mide el calor desprendido o absorbido

P

H = qp


12

La termodinámica no permite determinar el tiempo necesario para alcanzar el rendimiento máximo de productos

No se puede obtener información sobre el camino que sigue una reacción

Limitaciones

3.1. Objetivos y limitaciones de la termoquímica

3.1. Objetivos y limitaciones de la termoquímica

¿Es posible la reacción?

Relación matemática entre las concentraciones en el equilibrio y las magnitudes termodinámicas

Objetivos


13

Proceso endotérmico( > 0)

Proceso exotérmico( < 0)

3.3. Determinación de H en un proceso químico

aA + bB cC + dD

H = qp

H = qp = Hprod - Hreac

Proceso endotérmico( E > 0) 0qV reactprod EE

0qV reactprod EEProceso exotérmico( E < 0)

3.2. Determinación de E en un proceso químico

aA + bB cC + dD

E = qv

E = qv = Eprod - Ereac


14

3.5. Entalpía de reacción y de formación

entalpía de reacción ( Hr)

rH

entalpía de reacción estándar ( Hºr)

3.4. Relación entre H y E

sólidos y líquidos

intervienen gases ideales

H = E + (PV)

H = E0

H = E + (nRT) = n(RT)

siendo R = 1,98 cal K-1 mol-1 = 8,31 J K-1 mol-1

E +


15

- 46,1NH3 (g)- 395,7SO3 (g)- 296,8SO2 (g)- 285,8H2O (g)- 92,3HCl (g)- 271,1HF (g)- 277,7CH3CH2OH (l)- 238,7CH3OH (l)-125,6C4H10 (g)- 103,8C3H8(g)- 84,7C2H6(g)- 74,8CH4(g)- 393,5CO2(g)- 110,5CO (g)

Hºf (298K), kJ mol-1Sustancia

9,2N2O4(g)1,9C (diamante)0C (grafito)

62,4I2 (l)0I2 (s)

52,3C2H4 (g)226,7C2H2 (g)

Hºf (298K), kJ mol-1Sustancia


Por convenio, la entalpía de formación estándar de los elementos es cero

entalpía de formación estándar ( Hºf)

O(l)H(g)O21(g)H 222


Hºf >0

Hºf <0

Hºf = - 284 kJ mol-1


16

CO(g)(g)O21C(s) 2(3)

Ley de Hess

3.6. Leyes de la termoquímica

Hº3 = Hº2 - Hº1 = - 110,5 kJ mol-1

(g)CO(g)OC(s) 22

(g)CO(g)O21(g) CO 22 Hº1 (298K) = - 283 kJ mol-1

Hº2 (298K) = - 393,5 kJ mol-1

(1)

(2)

O(l)H(g)O21(g)H 222

(g)O21(g)HO(l)H 222

Ley de Lavoisier-Laplace

3.6. Leyes de la termoquímica

Hº (298K) = - 284 kJ mol-1

Hº (298K) = 284 kJ mol-1


17

O(l)3H(g)2CO(g)3O(l) OHHC 22252

:

3.7. Cálculos de H en reacciones químicas

Hºf (C2H5OH,l) = - 277,7 kJ mol-1

Hºf (CO2, g) = - 393,5 kJ mol-1

Hºf (H2O,l) = - 285,8 kJ mol-1

Hº(298K) = 2 Hºf (CO2, g) + 3 Hºf (H2O,l) - Hºf (C2H5OH,l) = - 1366,7 kJ mol-1

Cálculos de Hºr a partir de las Hº

f


Hºr = Hºf (productos ) - Hºf (reactivos)


18

(l) O2H(g)CO(g)2O(g)CH 2224

:

E resonancia (CO2 ) = 137,94 kJ mol-1


EEC-H = 415,32 kJ mol-1 EEC=O = 730,22 kJ mol-1

EEO=O = 494,55 kJ mol-1 EEH-O = 460,50 kJ mol-1

Hº(298K) = 4 EEC-H + 2 EEO=O - 2 EEC=O - 4 EE O-H - E resonancia (CO2 ) = -790,4 kJ

Cálculos de Hr a partir de energías de enlace

energía de enlace (EE


Hr = Hruptura enlaces + Hformación enlaces = EErotos - EEformados

Hr = (EE + Eresonancia)rotos - (EE + Eresonancia) formados


19

P

....Tc'Tb'a'C....cTbTaC

2V

2P

a >>> b, c a’ >>> b’, c’

consideran CP y CV constantes

3.8. Capacidad calorífica

Capacidad calorífica molar

calor específico (Ce)

P

P



20

Relación entre CP y CV

dTdH

dTdqC P

PPqq

Vqq

PVEH

dTdE

dTdqC V

V


Sustancia Ce (J K-1 g-1)

Pb

Cu

Fe

2O

El calor específico de una sustancia aumenta con la complejidad molecular

Metales Ce bajos

Agua Ce elevado

Ce



21

3.9. Dependencia de H con la temperatura: Ley de Kirchoff

2 2 1T1 P

'H'HH'H 21

(aA+bB)

(aA+bB)

(cC+dD) T1

(cC+dD) T2

H1

H2

H’ H’’1

2

2

1

T

T pT

T p12 (p)dTC(r)dTC - H H

A efectos prácticos consideraremos que CP = 0 y por tanto H2 = H1

0dT

d(PV) vp cc

RTPVdT

d(RT)dT

d(PV)

R CC vp

Relación de Meyer

dTd(PV)CC vp

3.8. Concepto de capacidad calorífica


22

llama máx.T

iT pabsorbidoreacción dTCnHH

0HH absorbidoreacción

3.10. Temperaturas máximas de llama y de explosión


presión constante temperatura máxima de llama, volumen constantetemperatura máxima de explosión


23

entropía (S)

4. Entropía y segundo principio de la termodinámica

presión máxima de explosión

v

0EE absorbidoreacción

explosión máx.T

iT Vabsorbidoreacción dTCnEE

VRT)(n

P explosiónfinalesTexplosión



24

0SSS entornosistemauniverso

0SSS entornosistemauniverso

Los procesos que se producen de forma espontánea son irreversibles

En un proceso reversible la entropía del universo se mantiene constante En un proceso irreversible la entropía del universo aumenta

proceso reversible es cero


Tendencia al desorden Aumento de entropía


Sólido Líquido Vapor


25

5. Tercer principio de la termodinámica. Entropías absolutas

5. Tercer principio de la termodinámica. Entropías absolutas

La entropía de los cristales perfectos de todos los elementos y compuestos puros a T = 0K es cero.

S (0K) = 0


26

(g)H(g)O21(l) OH 222

Sº298 (H2,g) = 130,70 J K-1 mol-1

Sº298 (O2,g) = 204,82 J K-1 mol-1

Sº298 (H2O,l) = 69,79 J K-1 mol-1

Sºr = Sº (productos ) - Sº (reactivos) = 163,33 J K-1 mol-1

5.1. Cálculos de la variación de entropía ( S) en procesos químicos

(B)bSº(A)aSº(D)dSº(C)cSºSº

dDcC bBaA

5.1. Cálculos de la variación de entropía ( S) en procesos químicos

Sº = Sº (productos ) - Sº (reactivos)


27

G < 0 Proceso espontáneoG > 0 Proceso no espontáneoG = 0 Sistema en equilibrio

6. Energía libre de Gibbs y espontaneidad de un proceso

STHG

No espontáneo+-+

Espontáneo a altas T

?++

Espontáneo a bajas T

?--

Espontáneo a cualquier T

-+-

ObservacionesGSH

Primer objetivo de la termodinámica química

6. Energía libre de Gibbs y espontaneidad de un proceso

0SSS ambientesistemauniverso

ambienteS es difícil de determinar

función de estado energía libre de Gibbs (G)

G = H -TS

G = H -T SG depende únicamente de las propiedades del sistema y no del ambiente


28

-32,75CH3CH3 (g)143,80C6H6 (l)-166,67CH3OH (l)-864,17CaCO3 (s)-32,79SH2 (g)51,45NO2 (g)

-298,75SO2 (g)

-236,25H2O (l)-392,75CO2 (g)-136,71CO (g)86,51NO (g)0,00O2(g)

0,00N2(g)

Gºf (kJmol-1)Sustancias

6.1. Energía libre estándar de formación

Energía libre de formación estándar ( Gºf ):

0)(elementosGºf

6.1. Energía libre de formación estándar

Gºf = Hºf – T Sº


29

TSHG

SdTTdSVdPPdVdEdG

SdTTdSVdPPdVPdV-dqdG

SdTTdSVdPTdSdG

SdTTdSdHdG

PdV-dq dw dq dE

TdS dq

VdPPdV dE dH

cteT Si

6.2. Cálculos de variación de energía libre de Gibbs ( en procesos químicos

0Gº

0Gº


Gº = Gºf (productos ) - Gºf (reactivos)


30


aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

dPP

RTdPVGd

P

Pº

G

ºGdP

PRTGd

RTlnP1PRTlnºGG

nRTlnPºGnGn

ºG



31

Segundo objetivo de la termodinámica química

7. Relación entre la energía libre estándar y la constante de equilibrio

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

Donde [ i ]o


aA (dis) + bB (dis) cC (dis) + dD (dis)


32

Como Gº es función de estado GºT = cte Keq = cte

GºT de la reacción depende de Gºf de reactivos y productos


GºT = - RT ln Keq




33

8. Descripción del estado de equilibrio

SnO2 (s) + 2 CO (g) Sn (s) + 2 CO2 (g)

2 HI (g) H2 (g) + I2 (g)

H2O (l) H2O (g)

Cuanto más negativo es Gº equilibrio más desplazado hacia los productos

Cuanto más positivo es Gº equilibrio más desplazado hacia los reactivos


si Gº<O K > 1

si Gº>O K < 1

Go (kJ mol-1) Keq

2005010 1

8

35


34

en el equilibrio G = 0

El estado de equilibrio resulta de un compromiso entre la tendencia de los sistemas a alcanzar el máximo de entropía y el mínimo de entalpía

propiedades son las mismas independientemente de que se inicie el proceso en un sentido o en el otro

9. Propiedades del estado de equilibrio

G = H – T S = 0

dinámico

9. Propiedades del estado de equilibrio

Cuando un sistema en equilibrio se perturba, reacciona de modo que vuelve al estado de equilibrio

directo

inversoA + B C + D

v directo – v inverso

v directo = v inverso


35

Según el número de fases presentes

Fase

10. Tipos de equilibrio

CO2 (g) + C (s) 2 CO (g)

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

10. Tipos de equilibrio

Según la naturaleza del proceso que ocurre

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

Hg (l) Hg (g)


36

11. Constante de equilibrio. Ley de acción de masas

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

ba

dc

c BADCK


ba

dc

c BADCK

GºT es una constante que depende únicamente de T

Para una reacción dada, la constante de equilibrio sólo depende de T

GºT = - RT ln Kc



37

11.1. Relación entre Kc y Kp en sistemas gaseosos

bB

aA

dD

cC

p PPPPK b

Ba

A

dD

cC

p

VRTn

VRTn

VRTn

VRTn

Kba

dc

p RTBRTARTDRTCK

RTnVP ii ba

dc

c BADCK

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

Kp = Kc (RT) n

Sólidos y líquidos no se incluyen en las constantes de equilibrio


CO2 (g) + C (s) 2 CO (g)


38

Ecuación de Van’t Hoff

si Hº < 0 Un aumento de T produce una disminución en Keq

si Hº > 0 Un aumento de T produce un aumento en Keq

12. Dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura: Ecuación de Van’t Hoff

eqRTlnKGº

CP

ºSTºHºG

12. Dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura: Ecuación de Van’t Hoff


39

b) Cambio de la presión (o del volumen) en sistemas gaseosos

13. Efecto de los cambios de las condiciones sobre la posición de equilibrio: Principio de Le Chatelier

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

CaCO (s) 3 CaO (s) + CO (g)2


Principio de Le Chatelier:

a) Cambio del número de moles de reactivos o productos

2 2 3

2 2 3

SO2 (g) + ½ O2 (g) SO3 (g)


40

c) Cambio de la temperatura

Endotérmica

Exotérmica

NH4Cl (s) NH3 (g) + HCl (g)


1/2 N2 (g) + 3/2 H2 (g) NH3 (g)

41

TEMA 2

Tema: 2. Cinética Química

43

ÍNDICE

1. Objetivos de la cinética química2. Definición de velocidad de reacción3. Factores que modifican la velocidad de reacción4. Ley diferencial de velocidad. Orden de reacción5. Determinación de la ley de velocidad. Método de las velocidades iniciales6. Modelos teóricos de la cinética química. Teoría de Arrhenius7 Influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción7. Influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción8. Mecanismos de reacción9. Catálisis

9.1. Características de la catálisis9.2. Tipos de catálisis9.3. Compuestos químicos inorgánicos obtenidos mediante procesos catalíticos9.4. Compuestos químicos orgánicos obtenidos mediante procesos catalíticos


45

INTRODUCCIÓN

- La cinética química se ocupa del estudio de las reacciones químicas desdeel punto de vista dinámico: la velocidad y el mecanismo mediante el cualtranscurren los procesos

- El estudio de la cinética de una reacción es, intrínsecamente, una actividadexperimental, debido a la variedad de factores que condicionan la velocidadde una reacción

- Entre los factores que pueden influir en la velocidad de los procesosquímicos destaca el uso de los catalizadores, sustancias que adicionadas enpequeña cantidad pueden producir grandes modificaciones en la misma

- La catálisis permite, cuando sea necesario, acelerar una reacción química ytiene una enorme importancia a nivel económico, industrial y medioambiental

OBJETIVOS

- Determinar la ley de velocidad de reacción y distinguir entre ordenparcial y global de un proceso- Identificar los factores que afectan a la velocidad de reacción- Relacionar la temperatura con la velocidad de reacción- Predecir a partir del mecanismo qué etapa será la determinante de la

l id d d l ióvelocidad de la reacción- Identificar los tipos de catálisis que se utilizan en los procesos químicos- Explicar la influencia del empleo de un catalizador en los parámetrostermodinámicos y cinéticos de una reacción


47

1. Objetivos de la cinética química

La termodinámica y la cinética química se complementan entre sí. Se puedeobtener información desde el punto de vista estático y dinámico de un proceso,y relacionar los aspectos termodinámicos y cinéticos que lo caracterizan

Ejemplos de reacciones químicas y sus características termodinámicas ycinéticas:

CH (g) + 2 O (g) CO (g) + 2 H O (g)

ΔGº < 0 Reacción rápida

ΔGº < 0Reacción muy lenta: no se produce sin la aplicación de energía (chispa)

CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (g)

H3O+ (aq) + OH- (aq) 2 H2O (l)

Medir la velocidad de reacción y estudiar los factores que la modifican

dDcCbBaA ++++→→→→++++

1. Objetivos de la cinética química

Formular la ecuación de velocidad

Postular el mecanismo de la reacción

La catálisis permite controlar la velocidad de los procesos


48

[ ] [ ] [ ] [ ]dtDd

d1

dtCd

c1

dtBd

b1

dtAd

a1

v ==−=−=

En general, se utiliza la expresión de velocidad de reacción:

La velocidad es independiente de la especie química que se considere.Por ejemplo para la reacción:

2. Definición de velocidad de reacción

Por ejemplo para la reacción:

[ ] [ ] [ ]��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�� =−=−=

Las unidades de la velocidad son: M t-1

Por cada mol de nitrógeno que reacciona, se consumen tres moles dehidrógeno y se forman dos moles de amoníaco.

322 2NH3HN →→→→++++ ←

2. Definición de velocidad de reacción

Velocidad de reacción: variación de la concentración de cada una de lasespecies químicas que interviene en la reacción con el tiempo

Se puede expresar como velocidad de desaparición de reactivos. En este casose introduce el signo negativo para expresar que la concentración disminuyecon el tiempo ya que la velocidad de reacción debe ser una magnitud positiva

dDcCbBaA +→+ ←←←←

con el tiempo ya que la velocidad de reacción debe ser una magnitud positiva

También es posible expresarla como velocidad de formación de productos

[ ] [ ]��

��

��

��

��

��

−=−=

[ ] [ ]��

��

��

��

��

��

==


49

Mayor temperatura Mayor velocidad de reacción

Mayor número de colisiones

c) Temperatura

3. Factores que modifican la velocidad de reacción

Sustancia que añadida en pequeña cantidad y sin experimentar un cambiopermanente, modifica la velocidad de una reacción. Es posibleaumentar la velocidad o disminuirla y se utiliza el término de inhibidorpara referirse a la sustancia que es capaz de disminuir la velocidad dereacción

d) Presencia de un catalizador

3. Factores que modifican la velocidad de reacción

Mayor concentración de reactivos

Se producen más colisiones

Mayor velocidad de reacción

a) Concentración de los reactivos

Mayor superficie del material

Se favorece el contacto

Mayor velocidad de reacción

Cuando los reactivos se encuentran en estado gaseoso o en disolución lascolisiones son más eficaces que cuando son sólidos

b) Superficie de contacto entre los reactivos


50

Constante de velocidad: k- Las unidades dependen del orden total de la reacción- Cuanto mayor sea su valor, mayor será la velocidad de la reacción- Depende de la temperatura

[ ] [ ] [ ] [ ]��

��

��

��

��

��

��

�� =−=−=

4. Ley diferencial de velocidad. Orden de reacción

La ley diferencial de velocidad y el orden no se pueden predecir a partir de loscoeficientes estequiométricos de la reacción, deben ser calculadosexperimentalmente

El orden de una reacción expresa la dependencia de la velocidad con respecto ala concentración de los reactivos

[ ] 1Akv ⋅=

[ ] 2 Akv ⋅=

[ ] v 2 A2 ⇒

[ ] v4A2 ⇒

4. Ley diferencial de velocidad. Orden de reacción

dDcCbBaA +→+

La ley diferencial de velocidad es la expresión de la velocidad de la reacción enfunción de las concentraciones de las sustancias que participan en la misma

Para la reacción:

[ ] [ ] [ ] [ ]��

��

��

siendo:p: orden parcial respecto a Aq : orden parcial respecto a Bk : constante de velocidad de la reacciónorden total de la reacción: n = p + q

[ ] [ ] [ ] [ ]��

��

��

�� =−=−=


51

a) Calcular los ordenes parciales y el orden total de la reacción

Teniendo en cuenta que se cumple la ley de velocidad:��

�� =

Para velocidades y concentraciones iniciales tenemos:��

��

��

�� =

5. Determinación de la ley de velocidad. Método de las velocidades iniciales

Así podemos sustituir los valores de vo, [A]o y [B]o para cada una de las tres experiencias obteniéndose:

Experiencia I

Experiencia II

Experiencia III

��

�� =−

��

�� =−

��

�� =−


En la siguiente tabla se muestra la velocidad inicial de formación de C (vo),medida experimentalmente, a partir de diferentes valores de concentracionesiniciales de A ([A]o) y de B ([B]o), para la reacción: A + B → C

Experiencia [A]o (M) [B]o (M) vox103 (M min-1)

A partir de estos datos:

a) Calcular los ordenes parciales y el orden total de la reacción

b) Calcular la constante de velocidad

c) ¿Cuál será el valor de vo si [A]o = [B]o = 0,5 M?

I 0,1 0,1 2,0

II 0,2 0,2 8,0

III 0,1 0,2 8,0


52

De la misma forma, comparando la experiencia II con la III en la que [B]o esconstante tenemos:

��

��

��

��

��

��

��

�� =−

−

��

�� −


��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�� ==−

( )��

��

��

��

��

��

��

��

�� =⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛==−

−

( )��= p = 0

Orden parcial respecto a A

Orden total = Orden parcial respecto a A + Orden parcial respecto a B = 2+0 = 2

Para calcular los valores de p y q se combinan las experiencias de manera quesólo uno de los reactivos cambie de concentración. Así, comparando laexperiencia III con la I en las que [A]o es constante:

��

��

��

��

��

��

��

�� =−

−


��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�� ==−

−

( )��

��

��

��

��

��

��

��

�� =⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛==−

−

( )�� = q = 2

Orden parcial respecto a B


53

c) ¿Cuál será el valor de vo si [A]o = [B]o = 0,5 M?

Para calcular el valor de la velocidad inicial cuando [A]o = [B]o = 0,5 M sólotenemos que sustituir estas concentraciones en la ecuación de velocidadobtenida anteriormente:


��

�� =

��

��

−===

b) Calcular la constante de velocidad

Sustituyendo los valores de p y q en las ecuaciones de la ley de velocidad ydespejando el valor de k para las tres experiencias se obtiene:


Experiencia I

Experiencia II

Experiencia III

��

�� =−

��

�� =−

��

�� =−

k = 0,2 M-1 min-1

k = 0,2 M-1 min-1

k = 0,2 M-1 min-1

La ecuación de velocidad para la reacción es, por tanto: ��

�� =


54

Complejo activado (CA): especie hipotética muy inestable, de elevadaenergía potencial, que se obtiene al colisionar los reactivos, en la que losenlaces se rompen y forman continuamente, y que puede evolucionar denuevo hacia los reactivos o formar los productos

6. Modelos teóricos de la cinética química. Teoría de Arrhenius

Energía de activación (Ea): es la barrera energética que se ha de superarg a g q ppara que se produzca una reacción

Cuanto mayor es la Ea de una reacción menor es la fracción de moléculascapaces de reaccionar y formar productos, y por tanto menor es la velocidadde reacción

Ea : diferencia de energía potencial entre los reactivosy el complejo activado

Teoría de Arrhenius del complejo activado

Aplicable sólo a reacciones en estado gaseoso


- Para que se produzca una reacción química es necesario que las moléculas colisionen

- Todas las colisiones no dan lugar a una reacción química

Únicamente las colisiones que proporcionan suficiente energía (energíade activación) conducen a las moléculas a un estado (complejo activado)a partir del cual se produce la reacción


55

Complejo


En reacciones de equilibrio se considera la energía de activación de lareacción directa (Eadir) y de la reacción inversa (Eainv)

Por ejemplo, para la reacción: A2 (g) + B2 (g) →→→→ 2 AB (g)

El diagrama de energía potencial del proceso sería:

←

+A A B B A

B

A

B+ΔHr

Complejoactivado

Avance de la reacción

B BA A

Ep

La ∆H de la reacción se puede calcular a partir

de la expresión:

∆H = Eadir - Eainv

Eadir Eainv

El concepto de energía de activación y complejo activado introducido porArrhenius puede visualizarse en el esbozo del perfil energético en función delavance de una reacciónPor ejemplo, para la reacción: A2 (g) + B2 (g) →→→→ 2 AB (g)


CAE

Endotérmica (ΔH > 0) Exotérmica (ΔH < 0)

Ea


CA

A2 + B2

ΔΔΔΔH>0

Ep

2 AB


ΔΔΔΔH<0

Ep

Ea

CA

A2 + B2

2 AB


56

l t E k di i

a T = cte

RTEa

eA k−

=


La ecuación de Arrhenius es la primera expresión de la relación entre la constante de velocidad y la temperatura

al aumentar Ea , k disminuye

v es más pequeña

la reacción es más lenta

Las reacciones rápidas tienenvalores pequeños de Ea

Las reacciones lentas tienenvalores grandes de Ea

RTEa

eA k−

=


La constante de velocidad (k) y la energía de activación (Ea) de una reacción serelacionan mediante la Ecuación de Arrhenius:

k: constante de velocidad. Es función de TA: factor de frecuencia. Constante característica de la reacciónEa: energía de activaciónT: temperatura (K)R: constante de los gases ideales expresada en J K-1 mol-1 o cal K-1 mol-1


57

8. Mecanismos de reacción

Es un modelo que representa la descripción detallada a nivel molecular decómo los reactivos se transforman en productos

El mecanismo de una reacción es la secuencia de procesos elementales (oetapas) que conduce a la formación de los productos

- Debe ser determinado experimentalmente

- Para que el mecanismo de reacción propuesto sea aceptable:Debe ser consistente con la reacción globalDebe explicar la ley de velocidad

Mediante la Ecuación de Arrhenius, conocida k1 a una temperatura T1 se puede determinar k2 a otra temperatura T2:

�

�

�

�� −=

RTEa

eA k−

=

7. Influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción

Ecuación de Arrhenius

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−−=12

a

1

2

T1

T1

RE

kk

ln�

�

��

��

�

�

�

��

�

�� −=

k1: constante de velocidad a T1k2: constante de velocidad a T2Ea: energía de activaciónR: constante de los gases ideales expresada en J K mol o Cal K molT: temperatura (K)

-1 -1 -1 -1


58

Concepto de molecularidad: número de especies de reactivos que intervienen en un proceso elemental

Los procesos elementales se pueden clasificar según su molecularidad en:


- Procesos unimoleculares: participa una sola especie

- Procesos bimoleculares: hay dos especies reaccionantes

- Procesos trimoleculares: reaccionan tres especies

I2 2 I

2 I + H2 2 HI

I + H2 HI + H

2 NO + O2 2 NO2

- En una etapa:

- En varias etapas:

NO + O3 NO2 + O2

Un proceso químicos puede tener lugar en una o varias etapas

Ejemplos:


2 2

2 NO N2O2Etapa 1:

a as etapas

Proceso elemental

Etapa 2:

La reacción global se corresponde con la suma de las dos etapas (o procesos elementales)

Proceso elementalN2O2 + O2 2 NO2


59

b) Cuando una reacción tiene lugar en varias etapas, el orden y la velocidadde la reacción coinciden con el orden y la velocidad de la etapa más lentaque se denomina etapa determinante


Ejemplo: 3 A + 2 B →→→→ C + D

Mecanismo propuesto:k1 si la primera etapa es la más lentak1 si la primera etapa es la más lenta

v = k1 [A] [B]

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

A + B →→→→ E + F

A + E →→→→ H

A + F →→→→ G

H + G + B →→→→ C + D

3 A + 2 B →→→→ C + D

Una reacción con mecanismo muy complejo puede tener una ley de velocidadsencilla

etapa limitante de la velocidad

a) En un proceso elemental el orden y la molecularidad coinciden

dDcCbBaA ++++→→→→++++

Para proponer un posible mecanismo de reacción se debe tener en cuenta:


v = k [A]a [B]b

Procesos unimoleculares : primer ordenProcesos bimoleculares : segundo ordenProcesos trimoleculares : tercer orden

El orden se determina experimentalmente y se refiere a la reacción globalmientras que la molecularidad se refiere a procesos elementales


60


C CH CH2CH3

CH3

H3C + HBr C CHCH2CH3

CH3

H3C

HBr

Ejemplo de una reacción orgánica:

M i d l ió

C CHCH2CH3

CH3

H3C

H

C CH CH2CH3

CH3

H3C

C CHCH2CH3

CH3

H3C

H

C CHCH2CH3

CH3

H3C

HBr

+ Br

+ Hetapa lenta

etapa rápida

Mecanismo de la reacción:


Etapa 1

Etapa 2

A + B →→→→ E + F

A + E →→→→ H

En el mecanismo propuesto para la reacción anterior:

Las especies E, F, G, y H que se forman en un proceso elemental y seconsume en otro se denominan intermedios de reacción

Etapa 3

Etapa 4

A + F →→→→ G

H + G + B →→→→ C + D

3 A + 2 B →→→→ C + D


61

Catalizador: sustancia que añadida a la reacción en pequeña cantidad, y sinexperimentar un cambio permanente, es capaz de modificar la velocidaddebido a que proporciona un mecanismo de reacción alternativo que tieneuna Ea diferente

Ejemplo:

9. Catálisis

Mecanismo de una reacción sin catalizador: �� →

Mecanismo de la reacción con catalizador (C) : Paso 1:

Paso 2:

Reacción global:

�� +→

�� →

Mecanismo de una reacción sin catalizador: �� →

�� →+

El término catalizador se utiliza cuando aumenta la velocidad de reaccióny se denomina inhibidor a la sustancia que es capaz de disminuir lavelocidad de un proceso

Perfil energético de la reacción orgánica anterior:

Reactivos Intermedio Productosetapa lenta etapa rápida

V reacción = V etapa lenta

E


Ep


Reactivos

Productos

Intermedio


62

a) Se utiliza muy poca cantidad de catalizador

9.1. Características de la catálisis

El catalizador no se consume en la reacción y una pequeña cantidad del mismopermite transformar grandes cantidades de reactivos.

En teoría, el catalizador sería utilizable indefinidamente, en la práctica no ocurre así porque se descompone, envenena o pasiva

b) No provoca nunca una reacción que sin él sería imposible

Si una reacción no es espontánea en ausencia de un catalizador, tampoco lo será en presencia del mismo

La reacción catalizada presenta un mecanismo de reacción diferente que tienemenor energía de activación. El perfil energético de una reacción no catalizadafrente al de la catalizada podría representarse:

Reacción no catalizadaReacción catalizada

9. Catálisis

CAEp

CA’

ReactivosΔΔΔΔH<0

Productos


Ea no catalizada

Ea catalizadaCA: Complejo activado reacción no catalizadaCA’ : Complejo activado reacción catalizada


63

d) El catalizador acelera la reacción directa e inversa en la mismaproporción y no modifica el estado de equilibrio caracterizado por ΔΔΔΔGº yconstante de equilibrio, a una temperatura determinada

k2

C BA →+k1

←


En el equilibrio: v1‘ = v2 ‘ ak1[A] [B] = ak2[C]

[ ][ ][ ] ��

��

��

��

��

��

��

�� ==

Reacción catalizada v1 ‘ = a k1[A] [B]

v2 ‘ = a k2[C]

c) Un catalizador no modifica los parámetros termodinámicoscaracterísticos del proceso

Proporciona un camino de reacción alternativo, de menor Ea, sin modificar losniveles de energía potencial de reactivos y productos


CA Reacción no catalizadaE

ReactivosΔΔΔΔH<0

Productos

Reacción catalizadaEp


Ea no catalizada

Ea catalizadaΔΔΔΔH es constante

CA’


64

a) HomogéneaTodas las sustancias que intervienen en el proceso, incluido el catalizador,se encuentran en la misma fase

b) EnzimáticaEs la catálisis homogénea que tiene lugar en las reacciones biológicas quese producen a nivel celular en los organismos vivos. Los catalizadores, que

9.2. Tipos de catálisis

se producen a nivel celular en los organismos vivos. Los catalizadores, quese denominan enzimas, se encuentran disueltos junto con los reactivos enel interior de la célula

c) HeterogéneaEl catalizador, que suele ser sólido, se encuentra en distinta fase que losreactivos y los productosLos reactivos en fase gaseosa o líquida se adsorben o unen a la superficiedel catalizador (catálisis por contacto)

e) Selectividad

Cuando un sistema puede evolucionar para dar lugar a distintos productostermodinámicamente posibles, el catalizador puede, además de acelerar elproceso, favorecer una reacción en detrimento de otra

Ejemplo: la oxidación del etileno conduce a la obtención de óxido de etileno ode etanal en función del catalizador utilizado


f) Especificidad

Un catalizador acelera un número restringido de reacciones

Ejemplo: los iones H3O+ catalizan reacciones de hidrólisis

de etanal, en función del catalizador utilizado


65

Los diez compuestos orgánicos más importantes que la industria sintetiza,ordenados por volumen de producción, son:

9.4. Compuestos químicos orgánicos obtenidos mediante procesos catalíticos

1. Etileno2. Propileno3. Dicloroetileno4. Benceno5. Etilbenceno

En general, se obtienen mediante procesos catalizados

5 be ce o6. Metanol7. Estireno8. Cloruro de vinilo9. Xileno10. Ácido tereftálico

La industria química inorgánica sintetiza gran variedad de compuestos. Los másimportantes, ordenados por volumen de producción, son:

1. Ácido sulfúrico2. Nitrógeno3. Amoníaco4. Óxido/hidróxido cálcico5. Oxígeno

9.3. Compuestos químicos inorgánicos obtenidos mediante procesos catalíticos

De todos ellos, el ácido sulfúrico, el amoníaco y el ácido nítrico se obtienenmediante procesos catalizados

5 O ge o6. Hidróxido sódico7. Ácido fosfórico8. Cloro9. Carbonato sódico10. Ácido nítrico

67

TEMA 3

Tema: 3. Química Inorgánica Industrial

69

3

2 4

3

2 4 3

ÍNDICE


71

1. Ácido sulfúrico (Producción: 165 x 106 t/año)

3. Amoníaco (Producción: 130 x 106 t/año)

10. Acido nítrico (Producción: 60 x 106 t/año)

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

3 2 4 3

3 2 4 3


73

PROCESO HABER

)g(NH )g(H )g(N 322 23 H= - 92 kJ

exotérmica la conversión se favorece a bajas temperaturas

disminución en el número total de moles, la conversión se favorece con el aumento de la presión

A temperatura ambiente Kp = 6 x 105 la reacción es muy lenta

catalizador para aumentar la velocidad de reacción

1.2. Síntesis industrial

1. Amoníaco (NH3)

1.1. Propiedades y usos

®


74

presiones elevadas: P 200 atm.)g(NH )g(H )g(N 322 23

% d

e am

onía

co

Presión (atm)

200 ºC

400 ºC500 ºC

600 ºC700 ºC

300 ºC

400 800600200 1000

60

40

20

0

100

80

Principio de Le ChatelierPresión:

1.3. Aspectos termodinámicos y cinéticos

Termodinámica

600500400300200

KpTemperatura (ºC)

)g(NH )g(H )g(N 322 23

Principio de Le ChatelierTemperatura:


Termodinámica


75

2O3

2 2 no

Esquema de la síntesis industrial: Proceso Haber

Costes de producción: 100-200 $/t (depende del precio del gas natural)


cuanto más baja es T más lenta es la reacción

Solución: temperatura de compromiso

catalizador y temperatura de 400-500 ºC

Fe2O3 Catálisis heterogénea

Cinética

Catalizador:

Presión:de 200 atm.

RTEa

eA k



76

MÉTODO DE CONTACTO

a) Obtención de SO2b) Oxidación de SO2 a SO3c) Formación de H2SO4


a) Obtención de SO2

2 2

2

2 2 2 2O3

2

2 4


2. Ácido sulfúrico (H2SO4)


77

SO3 (g) + H2O (l) H2SO4 (l) H= -130 kJ

SO3 (g) + H2SO4 (l) (98%) H2S2O7 (l)

H2S2O7 (l) + H2O (l) 2 H2SO4 (l)

c) Formación de ácido sulfúrico


SO2 (g) + ½ O2 (g) SO3 (g) H= - 98,5 kJ

b) Oxidación de SO2 a SO3

exotérmico, por tanto, la conversión se favorece a bajas temperaturas

disminución en el número total de moles, la conversión está favorecida con la presión.

A temperatura ambiente Kp = 1012 la reacción es muy lenta

catalizador para aumentar la velocidad de reacción



78

3

3


3. Ácido nítrico (HNO3)

3

2 4

2 3

Solución:temperatura de compromiso

2 4un

catalizador y temperatura de 400 - 450 ºC

Pt o V2O5 Catálisis heterogénea

Temperatura:

Catalizador:

Presión: 1 y 2 atm.



79

a) Oxidación de NH3 (g) a NO (g):

NH3 (g) + 5/4 O2 (g) NO (g) + 3/2 H2O (g) Hº = - 292,5 kJ

b) Oxidación de NO (g) a NO2 (g):

2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g) Hº = - 56 kJ

c) Oxidación y reducción de NO2 (g) en agua:

3 NO2 (g) + H2O (l) 2 HNO3 (aq) + NO (g)

2

NH3 (g) + 2 O2 (g) HNO3 (aq) Hº = - 412,6 kJ

exotérmico


PROCESO OSTWALD

oxidación catalítica del amoníaco a alta temperatura

a) Oxidación de NH3 (g) a NO (g)

b) Oxidación de NO (g) a NO2 (g)

c) Oxidación y reducción de NO2 (g) en agua



80

Presión: Principio de Le Chatelier

Proceso industrial a presión atmosférica

3 2 2a)

2 2b)

Termodinámica


Temperatura : Principio de Le Chatelier

NH3 (g) + 2 O2 (g) HNO3 (aq)

Termodinámicamentetemperaturas no muy elevadas


Termodinámica


81

LLUVIA ÁCIDA

2 4

3

4. Efectos medioambientales relacionados con el H2SO4 y el HNO3

Solución: temperatura de compromiso

un catalizador y temperatura de 850 ºC

Pt (Rh) Catálisis heterogénea

Cinética

Catalizador:

Presión 1 atm.


83

TEMA 4

Tema: 4. Reacciones de Oxidación-Reducción

85

ÍNDICE


87

INTRODUCCIÓN

Relación entre química y energía eléctrica:

.

Otros campos de aplicación:

3 2 2 3 2

2 2 3

OBJETIVOS


89

No pueden producirse reacciones de oxidación o de reducción aisladamente

Reacción de oxidación-reducción: transferencia de electrones

1. Conceptos generales

Oxidación: pérdida de electrones

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-

Reducción: ganancia de electrones se reduce

Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)

Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) + Cu (s)

Reacción redox global:

Oxidación:

Cu (s) + ½ O2 (g) CuO (s)

Fe2O3 (s) + 3 H2 (g) 2 Fe (s) + 3 H2O (l)

1. Conceptos generales

Reducción:


90

Normas para asignar el número de oxidación de una especie química:

1.1. Número de oxidación


números de oxidación

Oxidación Aumento del número de oxidaciónReducción Disminución del número de oxidación

cargas ficticias


91

Agente oxidante se reduce

Agente reductor se oxida

Semirreacción de reducción

Semirreacción de oxidación Cu (s) Cu2+ (aq) + 2 e-

Ag+ (aq) + 1 e- Ag (s)

Reacción redox global Cu (s) + 2 Ag+ (aq) Cu2+ (aq) + 2 Ag (s)

Agente reductor

Agente oxidante

Especie oxidada

Especie reducida


2 CCl4 + K2CrO4 2 Cl2CO + CrO2Cl2 + 2 KClnúmero de oxidación -1 +6 -1 +6 -1

No reacción redox

CO + 1/2 O2 CO2

reacción redox

número de oxidación +2 0 +4 -2


Oxidación

Reducción


92

Dispositivo detallado de todos los componentes de la pila Daniell

Zn (s) + Cu2+ (aq) Cu (s) + Zn2+ (aq)

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- OXIDACIÓNCu2+ (aq) + 2e- Cu (s) REDUCCIÓN

1 M Zn2+ 1 M Cu2+

ÁNODO CÁTODOPuente salino

e-

(-)Zn

(+)Cu

Electrodo donde se produce la OXIDACIÓN

(polo negativo)

Electrodo donde se produce la

REDUCCIÓN(polo positivo)

2. Celdas galvánicas

Voltímetro


Las celdas galvánicas, celdas electroquímicas o pilas son sistemas en los que se produce electricidad como resultado de reacciones redox espontáneas.

Oxidación Reducción

Circuito externo

Puente salino

electrones


93

Representación esquemática de una celda galvánica:

Zn (s) | Zn2+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s) Ánodo Cátodo

Semicelda de oxidación

Semicelda de reducción

Puente salino


Ni (s) | Ni2+ (1 M) || Ce4+ (1 M), Ce3+ (1 M) | Pt (s)

Electrodos activos

Electrodos inertes

Electrodos de gas.

2

tiposde electrodos



94

potencial estándar de una celda ( Eo) diferencia de potencialmide experimentalmente con

un voltímetro

Zn (s) + Cu2+ (aq) Cu (s) + Zn2+ (aq)

Eo = 1,10 V

Condiciones estándar: T = 25 ºC, P = 1 atm, concentraciones = 1 M

3. Potencial estándar de una celda galvánica

E° = Eocátodo - Eo

ánodo

calcula

3. Potencial estándar de una celda galvánica

potencial de una celda fuerza electromotrizvoltaje

comparar las celdas galvánicaspotencial estándar de una celda ( Eo)

estado estándar- concentraciones para todas las especies en disolución: 1M- presión para los gases: 1 atm- temperatura: 25 oC- sólidos y líquidos en su estado físico más estable a la presión atmosférica


95

AGENTESREDUCTORES

MUYENÉRGICOS

Disminuyeel poderreductor

red

3.1. Potencial estándar de una semicelda. Serie electromotriz

-0,26V3+ + e- V2+

-0,41Cr3+ + e- Cr2+

-0,44Fe2+ + 2e- Fe (s)-0,74Cr3+ + 3e- Cr (s)-0,76Zn2+ + 2e- Zn (s)-0,832 H2O + 2e- H2 (g) + 2 OH-

-1,66Al3+ + 3e- Al (s)-2,25H2 (g) + 2e- 2 H-

-2,36Mg2+ + 2e- Mg (s)-2,71Na+ + e- Na (s)-2,87Ca2+ + 2e- Ca (s)-2,93K+ + e- K (s)-3,05Li+ + e- Li (s)

Eored (V)REACCIÓN

0,002 H+ + 2e- H2 (g)-0,13Pb2+ + 2e- Pb (s)-0,16Sn2+ + 2e- Sn (s)-0,25Ni2+ + 2e- Ni (s)

2H+ (aq) + 2e- H2 (g) Reducción / Cátodo

H2 (g) 2H+ (aq) + 2e- Oxidación / Ánodo1M H+

H2 (g)1 atm

potenciales estándar de las semiceldas, Eº, potencial cero

La semicelda escogida como referencia es el electrodo estándar de hidrógeno: Eº H+/H2 = 0 V


E° = Eocátodo – Eo

ánodo,potenciales estándar de semicelda

serie electromotrizsentido de reducción.


96

AGENTESOXIDANTES

MUYENÉRGICOS


+2,87F2 + 2e- 2 F-

+1,81Co3+ + e- Co2

+1,78H2O2 + 2 H+ + 2e- 4 H2O+1,61MnO2 + 4 H+ + 2e- Mn2+ + 4 H2O+1,50Au3+ + 3e- Au (s)+1,49MnO4

- + 8 H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O+1,36Cl2 (s) + 2e- 2 Cl-

Eored (V)REACCIÓN


Potenciales negativos indican que la especie tiene menos tendencia que el protón a reducirse y potenciales positivos indican que la especie tiene más tendencia que el protón a reducirse

+0,802 NO3- + 4 H+ + 2e- N2O4 (g) + 2 H2O

+0,80Ag+ + e- Ag (s)+0,77Fe3+ + e- Fe2+

+0,68O2 (g) + 2 H+ + 2e- H2O2

+0,54I2 (s) + 2e- 2 I-+0,52Cu+ + e - Cu (s)+0,34Cu2+ + 2e- Cu (s)+0,22AgCl + e- Ag (s) + Cl-+0,15Cu2+ + e- Cu+

+0,14S (s) + 2 H+ + 2e- H2S+0,10AgBr + e- Ag (s) + Br-

Eored (V)REACCIÓN

0,002 H+ + 2e- H2 (g)



+1,33Cr2O72- + 14 H+ + 6e- 2 Cr3+ + 7 H2O

+1,23O2 (g) + 4 H+ + 4e- 2 H2O+1,09Br2 + 2e- 2 Br-

+0,97NO3- + 4 H+ + 3e- NO (g) + 2 H2O

+0,922 Hg2+ + 2e- Hg22+


97

(dis) dD(dis) cC(dis) bB(dis)aA

G = G° + RT ln [C]c [D]d

[A]a [B]b

E = E° - RT ln [C]c [D]d

[A]a [B]bnF

5. Relación entre el potencial de una celda y la concentración: Ecuación de Nernst

- Consideraciones termodinámicas permiten establecer la relación entre Gde la reacción redox y E de la celda:

G° = - n F E° En condiciones estándar

G = - n F E En otras condiciones

4. Espontaneidad de las reacciones de oxidación-reducción

Criterio para la espontaneidad de una reacción redox:

G < 0 E > 0


98

el potencial de la pila disminuye con el tiempo hasta alcanzar el valor de 0 voltios cuando la reacción alcanza el estado de equilibrio

(dis) dD(dis) cC(dis) bB(dis)aA

[C]c [D]db 10 10 10 1 101 105 1037

1,10 0

estadoestándar

estado de equilibrio


Ecuación de Nernst

El voltaje de una pila depende de la concentración de los reactivos y de los productos que intervienen en la reacción redox

E = E° - RT ln [C]c [D]d

[A]a [B]bnF

[C]c [D]d

[A]a [B]bE = E° -0,059n log = E° -

0,059n log Q



99

7. Tipos de celdas galvánicas y su relación con la contaminación

n

log K = E° n0,059

(a T = 298K)

Equilibrio

6. Relación entre el potencial estándar de una celda y la constante de equilibrio

G = 0 E = 0

[C]c [D]d

[A]a [B]beq

= Qeq = K

Cuanto mayor es el potencial estándar de una celda, Eº, más grande es el valor de la constante de equilibrio, K, de la reacción redox que se produce espontáneamente

[C]c [D]dbn n


100

- Electrólisis del agua: 2 2 2O

Ánodo (oxidación) Cátodo (reducción)

H2O (l) H2 (g) + ½ O2 (g)

- Obtención de metales:

-0,74Cr3+ + 3e- Cr (s)-0,76Zn2+ + 2e- Zn (s)-1,66Al3+ + 3e- Al (s)-2,36Mg2+ + 2e- Mg (s)-2,71Na+ + e- Na (s)-2,87Ca2+ + 2e- Ca (s)-2,93K+ + e- K (s)-3,05Li+ + e- Li (s)Eo

red (V)REACCIÓN

-0,44Fe2+ + 2e- Fe (s)

8. Electrólisis y celdas electrolíticas

Aplicaciones de las celdas electrolíticas

H2O (l) ½ O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2 e-

2 H+ (aq) + 2 e- H2 (g)

Cu (s) + Zn2+ (aq) Zn (s) + Cu2+ (aq)

- Celda electrolítica:

Eº = Eº Zn2+

/Zn - EºCu2+

/Cu = - 1.10 V < 0

Electrododonde se

produce la reducción

Electrododonde se

produce la oxidación


Electrólisis: producción de reacciones redox no espontáneas

Gº = G > 0 no espontánea

1 M Zn2+ 1 M Cu2+

Cátodo ÁnodoPuente salino

e-

(-)Zn

(+)Cu

+- Batería


101

9. Obtención de metales mediante electrólisis


Cálculo de la cantidad de reactivos consumidos y/o productos formados en un proceso electrolítico:

Carga eléctrica por mol de electrones = constante de Faraday

1 mol e- = 96500 C

Carga (culombios, C) = Intensidad (Amperios, A) x tiempo (s)

la estequiometría molesde electrones moles de reactivos y/o productos.

Al3+ + 3 e- Al moles Al = moles e- / 3

moles de electrones = Intensidad (A) x tiempo (s) x 1 mol e -

96500 C


102

10. Proceso de corrosión del hierro. Métodos de protección

Métodos para prevenir la corrosión del hierro:

Galvanoplastiaprotección catódica

Gota de agua

Zn(s) Zn2+ + 2e-

O2

Znánodo de sacrificio

Fecátodo

½ O2(g) + H2O (l) + 2e- 2 OH- (aq)


oxidación del hierrofenómenos de corrosión importancia económica

Ánodo

Gota de aguaAire

Depósito de herrumbre (Fe2O3)

Fe2+ oxida herrumbre

2 Fe2+ + ½ O2(g) + H2O (l) 2 Fe+3 + 2 OH- (aq)2 Fe+3 + 6 OH- (aq) Fe2O3 (s) + 3 H2O (l)

Fe (s) Fe 2+ + 2e-Cátodo: ½ O2(g) + H2O (l) + 2e- 2 OH- (aq)


103


Galvanoplastia fines estéticoselectrólisis.

Ag+

CátodoÁnodo(+)

AgBatería

+-

(-) Ánodo (oxidación) Ag (s) Ag+ (aq) + 1 e-

Cátodo (reducción) Ag+ (aq) + 1 e- Ag (s)

105

TEMA 5

Tema: 5. Introducción a la Química Orgánica

107

1. Concepto de Química Orgánica2. Desarrollo histórico de la Química Orgánica3. Importancia de la Química Orgánica

3.1. El carbono como elemento central en Química Orgánica3.2. La Industria Química Orgánica

4. La Química Orgánica en la Ingeniería. Objetivos5. El lenguaje estructural de la Química Orgánica

5.1. Representación de las fórmulas estructurales5.2. Isomería

6. Grupos funcionales 7. Familias de compuestos orgánicos8. Nomenclatura de compuestos orgánicos

ÍNDICE


109

OBJETIVOS

- Definir el concepto de Química Orgánica e identificar su desarrollo histórico- Explicar la importancia de la Química Orgánica y señalar su implicación en Ingeniería- Representar la estructura de los compuestos pertenecientes a las diferentes familias orgánicas- Describir el concepto de isomería y reconocer los isómeros de un compuesto orgánico- Identificar y nombrar los grupos funcionales orgánicos- Utilizar las reglas de nomenclatura para nombrar y formular las distintas familias de compuestos orgánicos


111

Egipcios, fenicios, romanosFermentación alcohólica, colorantes vegetales y animales, jabón

2. Desarrollo histórico de la Química Orgánica

Siglos XVII y XVIIIObtención de compuestos orgánicos naturales de origen vegetal y animal (metanol, ácido acético, ácido úrico, etc.)

Siglo XIX: Fin de la teoría del vitalismo y nacimiento de la síntesis orgánica1828: Wöhler obtiene la urea en el laboratorio1845: Kolbe sintetiza el ácido acético1858: Berthelot sintetiza el metano

Siglo XX: Grandes descubrimientosAislamiento, identificación y síntesis de hormonas, vitaminas, etc.Desarrollo de la química de los azúcaresInicio de la gran Industria Química Orgánica

Química OrgánicaQuímica de los compuestos de carbono

1. Concepto de Química Orgánica

La Química Orgánica como algo más que una rama de la QuímicaSe conocen más de 10 millones de compuestos orgánicos

Importancia de los compuestos orgánicosLos compuestos orgánicos constituyen el 98% de todas las sustancias químicas conocidas. La Química Orgánica forma parte la cultura tecnológica actual


112

¿Por qué el carbono?

- Tetravalente- Formación de enlaces fuertes con los átomos de carbono y de otros elementos: C-H, C-C, C-O, C-N, C-S, C-X, C=C, C=O, C=N, C=S, C C, C N- Numerosas disposiciones espaciales de los átomos de carbono. Forma cadenas lineales, ramificadas y ciclos:

3.1. El carbono como elemento central en Química Orgánica

3. Importancia de la Química Orgánica

Naturales

Extraídos de plantas y animales(aceite, azúcar, celulosa, almidón, etc.)

De yacimientos geológicos(petróleo, carbón, gas natural)

Sintéticos(el 90% de los productos orgánicos conocidos)

PolímerosFármacosColorantesInsecticidasDisolventesPerfumes

Detergentes

Compuestos orgánicos


113

4. La Química Orgánica en la Ingeniería. Objetivos

- Estudiar las moléculas y los materiales orgánicos- Estructura- Propiedades físicas- Propiedades químicas: Síntesis y reactividad

- Identificar las transformaciones de las materias primas en productos de consumo

- Predecir las propiedades de los compuestos orgánicos y de sus polímeros derivados en función de la estructura

- Relacionar las propiedades de los materiales poliméricos con sus aplicaciones tecnológicas

3.2. La Industria Química Orgánica

Materias primas

CarbónPetróleo

Gas naturalBiomasa

Materias primas básicaspara las industrias finalistas

Benceno, metano,etano, etileno,

propileno, ácido acético,anilina, grasas, etc.

Productos finales

FertilizantesPlásticos

ElastómerosFibras

ResinasMedicamentos

PlaguicidasColorantesDisolventes

Pinturas y barnicesDetergentes

PerfumesCosméticos

Ciencia básica Tecnología Producción


114

Ciencia estructuralSe basa en el conocimiento de las estructuras moleculares

Teoría Estructural(Kekulé, Couper, Butlerov)

- Todas las propiedades de un compuesto orgánico derivan de su estructura

- Permite explicar la reactividad de un compuesto y diseñar métodos para su síntesis

5. El lenguaje estructural de la Química Orgánica

5. El lenguaje estructural de la Química Orgánica

Fórmula empírica Fórmula molecular Fórmula estructural

- FÓRMULA MOLECULARIndica el número de átomos de cada elemento que forma el compuesto

- FÓRMULA ESTRUCTURALIndica cómo se encuentran los átomos enlazados entre sí

Ejemplo:

Para la fórmula molecular C2H6O son posibles dos fórmulas estructurales:CH3-O-CH3 y CH3-CH2-OH

COMPUESTOS ORGÁNICOS


115

5.2. Isomería

Isómeros: compuestos con la misma fórmula molecular pero diferentes fórmulas estructurales

Ejemplo

Fórmula molecular Fórmulas estructurales

C5H12

CH3CH2CH2CH2CH3

C2H6O CH3CH2OH CH3OCH3

Isómeros

Isómeros

CH3CHCH2CH3

CH3 CCH3

H3CCH3

CH3

5.1. Representación de las fórmulas estructurales

- Fórmula de guiones

- Fórmula condensada

- Estructura de líneas

- Fórmula tridimensional

CH3CH2CH2CH2CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

……y más abreviada todavía

CH

HH

C CH

H

H

HCH

HCH

HH

COH

CH2CH3HH3C


116

7. Familias de compuestos orgánicos

C CALCANOS

C CALQUENOS

C CALQUINOS

HALUROS DE ALQUILO

R CH2

ALCOHOLES

ÉTERES R O R1

ALDEHÍDOS R C HO

CETONAS R C R1O

HIDROCARBUROSAROMÁTICOS ÁCIDOS R C O

OH

ÉSTERES R C OO

R1

HALUROS DE ÁCIDO R C X

O

R C NO

AMIDAS

R C NNITRILOS

XR CH X

R C X

R1

R1

R2

R CH2 OHR CH OH

R C OH

R1

R1

R2

ANHÍDRIDOS DE ÁCIDO R C O

OC R1O

Centro de reactividad química de la molécula

Determinan las propiedades físicas de

las moléculas orgánicas

Grupos funcionales o funciones

Agrupaciones de átomos que proporcionan propiedades comunes a los compuestos que las contienen

6. Grupos funcionales


117

8. Nomenclatura de compuestos orgánicos

Sustituyentes:- Numerar los átomos de carbono de la cadena principal de manera que la función principal tenga el número más bajo. En alcanos, numerar por el extremo más cercano a un sustituyente, y utilizar estos números (número localizador) para indicar la posición de los sustituyentes- Nombrar todos los grupos unidos a la cadena más larga como sustituyentes. Los sustituyentes derivados de alcano nombrarlos reemplazando la terminación ano por il oilo- Cuando se presenten dos o más sustituyentes, se debe elegir el orden que permita la numeración más baja- Cuando se presenten dos sustituyentes sobre el mismo carbono, utilizar el mismo número dos veces y para sustituyentes idénticos utilizar los prefijos di-, tri-, tetra-, etc.- Cuando existan dos cadenas de igual longitud que se puedan seleccionar como cadena principal, elegir la que presente mayor número de sustituyentes- Escribir el nombre del compuesto empezando por los sustituyentes en orden alfabético (cada uno precedido del número localizador) y a continuación añadir el nombre de la cadena principal- Nomenclatura de un sustituyente en un sustituyente: el carbono numero 1 del sustituyente es el que está directamente unido a la cadena principal. Escribir la posición del sustituyente en el sustituyente, unido directamente a la cadena principal, entre paréntesis


Reglas generales de nomenclatura:

- Elegir la cadena más larga (la de mayor número de átomos de carbono), que contenga el grupo funcional prioritario, como cadena principal. Ésta será la que determinará el nombre del compuesto orgánico

- Los grupos funcionales por orden de prioridad decreciente son:Ácidos carboxílicos o derivados > Aldehídos o cetonas > Alcoholes o éteres > Hidrocarburos

El orden para los hidrocarburos es:Aromáticos > Alquenos > Alquinos > Alcanos

- Utilizar los prefijos: met-, et-, prop- but-, pent-, hex-, etc., para indicar el número de átomos de carbono: 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc. respectivamente y añadir la terminación del grupo funcional prioritario

- Terminaciones según el grupo funcional principal:Alcano: ano Aldehído: alAlqueno: eno Cetona: onaAlquino: ino Ácido carboxílico: oicoAlcohol: ol Éster: oato de iloÉter: éter Amida: amida


118

Ejemplo de nomenclatura de alcanos

cadena principal

sustituyente

CH4 metanoCH3CH3 etanoCH3CH2CH3 propanoCH3(CH2)2CH3 butanoCH3(CH2)3CH3 pentanoCH3(CH2)4CH3 hexanoCH3(CH2)5CH3 heptanoCH3(CH2)6CH3 octanoCH3(CH2)7CH3 nonanoCH3(CH2)8CH3 decano

CH3 metiloCH3CH2 etiloCH3CH2CH2 propiloCH3(CH2)2CH2 butiloCH3(CH2)3CH2 pentilo


Ejemplo

119

TEMA 6

Tema: 6. Hidrocarburos Saturados e Insaturados

121

2

ÍNDICE


123

Alcanos Alquenos Alquinos

INTRODUCCIÓN

únicamente

OBJETIVOS


125

2. Estructura de alcanos

n3

C CC

1. Propiedades físicas de alcanos, alquenos y alquinos

Hidrocarburo Peb (oC) Densidad (g L-1)

eteno696372125

octino 125


126


Ejemplos de alcanos policíclicos:


Ejemplos de alcanos:

3 3 3 2 2 3 3 2 2 2 2 3


127

3. Fuentes naturales de alcanos: gas natural y petróleo

Usos del gas natural:

3 2 2 3 4

2

4 2O 2

4 C2 2 2


Gas Natural

2 2 2

Francia Argelia Rumania

2

CO2

2

Impacto medioambiental:2


128

4. Reacciones de alcanos

compuestos inertes

Reacción de combustión

3 2 2 3 2 4 CO2 2O


Petróleo


129

mezclas

4.1. Reacción de halogenación

3 2 2 2 3 2 2 2 2 3 3 2 2 3 3 2 2 32

un sólo tipo

3 32

3 22

alílicos o bencílicos

2 CH2 32

2 3

CH2 32

3

reacción de sustitución

2 2 2

4.1. Reacción de halogenación

2 22 2

2


130

5. Estructura de alquenos

5. Estructura de alquenos

R2R

R1 R3

n 2n2

2


131

6. Métodos generales de preparación de alquenos

6.2. Eliminación de H2O en alcoholes

C C C C2 4

mayoritariamente el alqueno más sustituido

6. Métodos generales de preparación de alquenos

6.1. Eliminación de HX en haluros de alquilo

mayoritariamente el alqueno más sustituido

C C C C3 2O

3 2 2 3 3 2 33 2O

2 2 32C


132

7. Reacciones de alquenos

Formación de intermedios de reacción

Estabilidad de intermedios de reacción

R

R1R2

RR1 R

R

R1

R2R

R1R2


Mecanismo para la adición de HX y H2O

intermedio

E+ A-

HXH2OX2

R

R1

R2

R3

R

R1

R2

R3

R

R1

R2

R3

Reacción de adición electrofílica

R

R1

R2

R3

R

R1

R2

R3


133

7.1. Hidrohalogenación. Adición Markovnikov

carbocatión terciario

carbocatión secundario

2 3

3

3C

2 3

3

3C 2 3

3

3C

2 3

3

3C 2 3

3

3C


Estabilidad de intermedios de reacción

inductivo

resonancia Tema 7


134

7.3. Hidratación

C

3

3C2O

2 42 2 3

3

3C2 3

7.2. Adición de HBr anti-Markovnikov

2 2 3

ROOR'

3 2 3

2 2 2 3

Sólo el HBr da adición anti-Markovnikov

Producto de adición Markovnikov

Producto de adición anti-Markovnikov

ROOR'


135

7.5. Hidrogenación

C

3

3C2

2 3

3

3C2 3

7.4. Adición de halógenos

C

3

3C2

2 3

3

3C2 3

2 2 2


136

8. Alquenos industrialmente importantes

C C

etileno

3 CO

3 CO

Poliacetato de vinilo

22 2

C C

PVC

2

3 2

Disolvente,ésteres etílicos

C CO

2 2

C C

n

Polietilenode alta densidad

de baja densidad

Resinasepoxi

Anticongelantes,poliésteres

O2

7.6. Epoxidación

O


137

1-buteno

1,3-butadieno

isobuteno(2-metil-propeno)

Butenos



C C3

propileno

C C

nPolipropileno

C C3O

2 3

propilenglicol

2

3 3O2

3C C

O3

acetona

3C C

O3

acetonafenol

2

C C2

C C2O

Resinas epoxi

C CPoliacrilonitrilo,cauchos sintéticos

3O2

O2


138

Vía coordinación4 2 3 3 polímeros lineales

9. Polimerización de alquenos

Ti Ti 2 3

2 2n

Ti 2 2 2 2 n 2 3

2 2 2 2 n 2 3 2 2 2 2 n 2 3

Vía radicalespolímeros muy ramificados

9. Polimerización de alquenos

2 3

2 2

2 2


139

11. Caucho natural y sintético

Caucho natural

10. Polímeros vinílicos


140

12. Estructura de alquinos

n

C C

Cauchos sintéticos

11. Caucho natural y sintético


141

13. Método general de preparación de alquinos

Doble deshidrohalogenación de dihaluros de alquilo

C3C C 2 3 3C C 2 32

C3C C 2 3 3C C 2 32

12. Estructura de alquinos

C C C C 3

C C 2 3 C C 2 2 333 2

Ejemplos de alquinos:


142

14.1. Hidrohalogenación

C 2 3 C 2 3 C 2 3

Se obtienen los productos de adición Markovnikov

14. Reacciones de alquinos

simple más rápida doble

R C C R1

R R1R R1

2

Reacción de adición electrofílica


143

14.3. Hidrogenación

3C2

C 2 3 3C C 2 32

3 2 2 2 2

2

14.2. Halogenación

2 2 2

C C 2 32

C C 2 32

C C 2 3


144

15. Alquinos industrialmente importantes: acetileno

Obtención:

Propiedades:

C C 24

14.4. Obtención de alquinos internos

Esta reacción permite formar nuevos enlaces C-C

C2

C3 2

C 2 32

C C 2 33 2

C2 3 C 2 3


145

Química industrial

15. Alquinos industrialmente importantes: acetileno

147

TEMA 7

Tema: 7. Hidrocarburos Aromáticos

149

ÍNDICE


151

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS


153

2. Estructura y propiedades físicas de hidrocarburos aromáticos

Estructura

Propiedades físicas

Estructuras resonantes del benceno

1. El Benceno. Resonancia y aromaticidad

Propiedades singulares del benceno

Hidrocarburos aromáticos:

c) Reactividad:

b) Estabilidad:

OMResonancia

a) Geometría de la molécula:


154

3.1. Halogenación

2 r2 2

3

2

3. Reacciones de hidrocarburos aromáticos

Sustitución Aromática Electrofílica

catalizador


155

3.3. Sulfonación

3 r o o ónico

2 4

33

3.2. Nitración

2 r ro

2 4

23


156

3.5. Acilación de Friedel-Crafts

Reacción de formación de enlaces C-C

CO

R

3

CCO

R

OR

3.4. Alquilación de Friedel-Crafts

Reacción de formación de enlaces C-C

R r

3

R


157

4.1. Clasificación de los sustituyentes en anillos aromáticos

orto/para dirigentes meta dirigentes

2

3

2

3

Excepción orto para

Influencia de los sustituyentes sobre la orientación y la velocidad de reacción

4. Reacciones de bencenos monosustituídos: reactividad y orientación

orto para

meta

3

3

2 4

3

2

3

22

2

3

2

r


158

5. Alquilbencenos: Reacciones en cadena lateral

5.2. Oxidación bencílica

Reacción de ruptura de enlaces C-C

3

3

2 34

4

C 3

3

43

5. Alquilbencenos: reacciones en cadena lateral

5.1. Halogenación bencílica

Reacción selectiva

3

3C 3

3

2

2 2 2


159

6. Hidrocarburos aromáticos de interés industrial

161

TEMA 8

Tema: 8. Alcoholes, Éteres y Epóxidos

163

ÍNDICE


165

INTRODUCCIÓN

-

OBJETIVOS


167

2. Métodos generales de preparación de alcoholes

2.2. Hidratación de alquenos ( )

2.3. Sustitución nucleofílica de haluros de alquilo con hidróxidos alcalinos

4

4

2.1. Reducción de compuestos carbonílicos

2

(R2

1. Estructura y propiedades físicas de alcoholes

-


168

3. Reacciones de alcoholes

3.3. Deshidratación

3.4. Obtención de éteres: Síntesis de Williamson

3.1. Oxidación a compuestos carbonílicos

3. Reacciones de alcoholes

3.2. Reacción con HX: obtención de haluros de alquilo


169

CH3CH2OHEtanol

-

Aplicaciones:

4. Alcoholes industrialmente importantes

Obtención:

2 2 2O 3 22 4


2 3

CH3OH

Obtención:

Metano

Aplicaciones:


170

1,2,3-Propanotriol o Glicerina


Obtención:

Etilenglicol o 1,2-Etanodiol

Aplicaciones:

Obtención



171

Obtención

Fenol


Aplicaciones:



172

5. Estructura y propiedades físicas de éteres y epóxidos


O

2

O

Nylon 62 4

3C 3

3 3

2

Policarbonato

O2

Resina epoxi

2 4

Resina de baquelita

Productos farmacéuticos

Aplicaciones del fenol:


173

5.2. Reacciones de apertura de anillo de epóxidos

5.2.1. Hidrólisis catalizada por bases: obtención de glicoles

O

O2O

O

Preparación de éteres (síntesis de Williamson)

Preparación de epóxidos

5.1. Preparación de éteres y epóxidos


174

6. Polímeros derivados de éteres y epóxidos

:

5.2.2. Reacción con reactivos de Grignard

cambia la polaridad del carbono

1R2

5.2. Reacciones de apertura de anillo de epóxidos

175

TEMA 9

Tema: 9. Aldehídos y Cetonas

177

ÍNDICE


179

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS


181

2. Métodos generales de preparación de compuestos carbonílicos

2.2. Preparación de aldehídos: oxidación de alcoholes primarios

2.1. Preparación de cetonas

CrO32 4

4

4

4

1. Estructura y propiedades físicas


182

3.2. Reacciones de oxidación

3.3. Reacciones de reducción

1

4

4

3. Reacciones de compuestos carbonílicos

3.1. Adición nucleofílica de reactivos de Grignard: obtención de alcoholes

3. Reacciones de compuestos carbonílicos


183

CH3-CO-CH3Acetona

Obtención industrial

4. Aldehídos y cetonas industrialmente importantes

Aplicaciones

4. Aldehídos y cetonas industrialmente importantes

CH3CHOAcetaldehído

Obtención:

Aplicaciones:

Obtención

Aplicaciones:

HCHOFormaldehído

3 2 3


184

5. Polímeros derivados de compuestos carbonílicos

:

185

TEMA 10

Tema: 10. Ácidos Carboxílicos y Derivados

187

ÍNDICE


189

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS


191

2. Métodos generales de preparación de ácidos carboxílicos

2.1. Oxidación de alquilbencenos

2.2. Oxidación de alcoholes primarios y aldehídos

1. Estructura y propiedades físicas de los ácidos carboxílicos

3 C

O

O OC

O3


192

4. Reactividad general de ácidos carboxílicos y derivados: mecanismo de adición-eliminación

3. Reacciones de ácidos carboxílicos

3.1. Formación de sales

3.2. Reducción a alcoholes

3.3. Transformación en derivados de ácido

R C


193

5. Reactividad relativa de derivados de ácido

3

1

Ácidos

1

2

2

2O

2O

R1

R1

R1

3

2

5. Reactividad relativa de derivados de ácido

R C 2

O

R C OR1O

R CO

O C R1O

R CO

2O

2O

2O

2O

R_

R_

R_

R_

R1_

R1_

3


194

6. Polímeros derivados de compuestos carboxílicos

6.1. Poliésteres y policarbonatos®

6.2. Fibras de Poliamida®

® ®

6.3. Poliuretanos

195

BIBLIOGRAFÍA

Química para ingeniería

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