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Enlace de valencia, hibridación, geometría molecular, fuerzas intermoleculares - Ejercicios y resumen

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Introducción

En este curso, estudiaremos conceptos clave en química, específicamente enfocándonos en la geometría molecular y las fuerzas intermoleculares. Se trata de un conocimiento fundamental que permite comprender mejor la estructura y el comportamiento de los materiales y procesos químicos.

Explicación

Explicación: La geometría molecular se refiere a la forma en la que los átomos de un átomo se encuentran en relación con uno al otro en una molécula. Las fuerzas intermoleculares, por su parte, son las fuerzas que actúan entre las moléculas individuales, influyendo en la forma y el comportamiento de las mismas.

Ejemplo

Ejemplo: Consideremos la molécula de azufre (SO2). Esta tiene una estructura cúbica, con los átomos de sulfur y oxígeno en un tríangulo equilátero. Las fuerzas intermoleculares son las que mantienen a los átomos juntos en un conjunto de moléculas.

Ejercicios

La molécula de cloruro de berilio, BeCl2, presenta una hibridación y geometría molecular:

¿Qué tipo de fuerza intermolecular predomina entre las moléculas apolares de dióxido de carbono, CO2?

Material adicional

Química orgánica

La química orgánica estudia los compuestos del carbono, que constituyen la base de la vida y de una inmensa variedad de materiales (plásticos, combustibles, fármacos, colorantes, fibras, detergentes...). Se conocen más de 10 millones de compuestos orgánicos, frente a unos 500.000 inorgánicos. La versatilidad del carbono se debe a su capacidad de formar cuatro enlaces covalentes estables, de unirse consigo mismo formando cadenas y anillos, y de formar enlaces simples, dobles y triples.

8.1. El átomo de carbono

El carbono (Z=6, configuración 1s²2s²2p²) tiene 4 electrones de valencia y puede formar 4 enlaces covalentes. Las hibridaciones del carbono determinan la geometría de las moléculas orgánicas:

HibridaciónGeometríaÁngulosEnlacesEjemplo
sp³Tetraédrica109,5°4 enlaces σCH₄, etano
sp²Trigonal plana120°3 σ + 1 π (doble enlace)Eteno, benceno
spLineal180°2 σ + 2 π (triple enlace)Etino, CO₂

8.2. Hidrocarburos

Alcanos (CnH2n+2): solo enlaces simples C-C. Saturados. Nomenclatura: met-, et-, prop-, but-, pent-, hex-... + terminación -ano. Isomería de cadena.

Alquenos (CnH2n): al menos un doble enlace C=C. Insaturados. Terminación -eno. Isomería cis-trans (geométrica) posible.

Alquinos (CnH2n-2): al menos un triple enlace C≡C. Terminación -ino.

Aromáticos: contienen el anillo de benceno (C₆H₆), con 6 electrones π deslocalizados. Gran estabilidad (aromaticidad).

8.3. Grupos funcionales

Grupo funcionalFórmulaFamiliaTerminaciónEjemplo
Hidroxilo-OHAlcoholes-olEtanol (CH₃CH₂OH)
Carbonilo (C=O) en posición terminal-CHOAldehídos-alMetanal (HCHO)
Carbonilo (C=O) en posición interna>C=OCetonas-onaPropanona (CH₃COCH₃)
Carboxilo-COOHÁcidos carboxílicos-oicoÁcido etanoico (CH₃COOH)
Éster-COO-Ésteres-oato de ...iloEtanoato de metilo
Amino-NH₂Aminas-aminaMetilamina (CH₃NH₂)
Amido-CONH₂Amidas-amidaEtanamida (CH₃CONH₂)
Éter-O-Éteres-oxi-Dietiléter
Haluro-X (F, Cl, Br, I)Haluros de alquilohalo-Clorometano

8.4. Isomería

Los isómeros son compuestos con la misma fórmula molecular pero diferente estructura o disposición espacial.

Isomería estructural (constitucional):
• De cadena: diferente esqueleto carbonado (butano vs. metilpropano).
• De posición: mismo grupo funcional en diferente posición (propan-1-ol vs. propan-2-ol).
• De función: diferente grupo funcional (etanol vs. dimetiléter, C₂H₆O).

Estereoisomería:
• Geométrica (cis-trans): posible en alquenos con sustituyentes diferentes en cada C del doble enlace. Cis: sustituyentes del mismo lado; trans: en lados opuestos.
• Óptica: posible cuando hay un carbono asimétrico (quiral, con 4 sustituyentes distintos). Los enantiómeros son imágenes especulares no superponibles.

8.5. Tipos de reacciones orgánicas

Sustitución: un átomo o grupo es reemplazado por otro. Típica de alcanos (sustitución radicalaria) y aromáticos (sustitución electrófila).
Adición: átomos se añaden a un doble o triple enlace, rompiéndolo. Típica de alquenos y alquinos.
Eliminación: se pierden átomos de la molécula formando un doble enlace. Inversa de la adición.
Condensación: dos moléculas se unen liberando una molécula pequeña (generalmente H₂O). Ejemplo: esterificación (ácido + alcohol → éster + H₂O).
Oxidación-reducción: oxidación de alcoholes (alcohol → aldehído/cetona → ácido carboxílico).

📘 Ejemplo resuelto
Reacción de esterificación:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O
(ácido acético) + (etanol) ⇌ (acetato de etilo) + (agua)

Es una reacción de condensación, reversible y catalizada por ácido (H₂SO₄). El éster producido tiene un aroma afrutado característico (se usa en alimentación y perfumería).
🎓 Ejercicio tipo EVAU
Ejercicio tipo EVAU:

a) Nombra los siguientes compuestos según la IUPAC: CH₃-CH(OH)-CH₃; CH₃-CO-CH₂-CH₃; CH₂=CH-CH₂-CH₃
b) Escribe la fórmula semidesarrollada de: ácido 2-metilbutanoico; 3-pentanona; but-2-eno.
c) Indica qué tipos de isomería presentan el but-2-eno y el but-1-eno entre sí.
d) ¿Tiene el but-2-eno isomería geométrica? Justifica.

Solución:
a) Propan-2-ol; butanona (o butan-2-ona); but-1-eno.
b) CH₃-CH(CH₃)-CH₂-COOH; CH₃-CH₂-CO-CH₂-CH₃; CH₃-CH=CH-CH₃.
c) Isomería de posición (el doble enlace está en posiciones 1 y 2).
d) Sí, tiene isomería cis-trans: CH₃-CH=CH-CH₃ puede tener los dos metilos del mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans).
✏️ Ejercicios
1. Escribe y nombra los isómeros de C₄H₁₀O (alcoholes y éteres).

2. [EVAU] Formula y nombra: a) un aldehído de 4 C, b) una cetona de 5 C, c) un ácido carboxílico de 3 C, d) un éster con 4 C en total.

3. ¿Qué tipo de reacción se produce al añadir HBr al propeno? Escribe los productos posibles (regla de Markovnikov).

4. Ordena por punto de ebullición y justifica: etanol, etano, ácido etanoico, etanal.

5. ¿Qué producto se obtiene al oxidar: a) un alcohol primario, b) un alcohol secundario, c) un alcohol terciario?

6. [EVAU] Explica la diferencia entre isomería geométrica e isomería óptica. Pon un ejemplo de cada una.

7. ¿Qué son los polímeros? Diferencia entre polímeros de adición y de condensación con un ejemplo de cada tipo.

8. El benceno no da reacciones de adición fácilmente, a pesar de tener dobles enlaces. ¿Por qué? Explica la aromaticidad.
📋 Resumen de la lección
  • El carbono forma 4 enlaces: hibridaciones sp³ (tetraédrica), sp² (plana), sp (lineal).
  • Hidrocarburos: alcanos (enlace simple), alquenos (doble), alquinos (triple), aromáticos (benceno).
  • Los grupos funcionales determinan las propiedades químicas: -OH, -CHO, >C=O, -COOH, -NH₂...
  • La isomería puede ser estructural (cadena, posición, función) o espacial (cis-trans, óptica).
  • Reacciones principales: sustitución, adición, eliminación, condensación, oxidación.

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