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INTRODUCCIÓN

Los modelos moleculares son una herramienta vital para el estudio de la química como lo es una calculadora para las matemáticas.

Tienen la finalidad de inspirar la imaginación, estimular el pensamiento y asistir en el proceso de visualización.

Presentan al usuario una forma sólida de un objeto abstracto que de otra forma sólo se formularía en la mente, habla o texto escrito de un químico.

Los libros de texto de química contienen lenguaje gráfico para describir las moléculas y las reacciones, sin embargo, los modelos moleculares incrementan la comprensión a través de una asociación más vívida.

PARTE TEÓRICA

- Las moléculas son extremadamente pequeñas, por eso nos es imposible verla en forma directa.

- Un compuesto químico es una sustancia pura formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas.

- Los colores que se emplean internacionalmente para representar los diferentes elementos químicos son:

Blanco=Hidrógeno; negro=Carbono; azul=Nitrógeno; rojo=Oxígeno; rosado=Sodio;

Verde=Cloro; celeste= Magnesio; morado= Aluminio; amarillo= azufre plomo=hierro y

Anaranjado=Bromo.

Hibridación del carbono:

Consiste en un reacomodamiento de electrones del mismo nivel de energía (orbital s) al orbital p del mismo nivel de energía. Los orbitales híbridos explican la forma en que se disponen los electrones en la formación de los enlaces, dentro de la teoría del enlace de valencia, compuesta por nitrógeno líquido que hace compartirlas con cualquier otro elemento químico ya sea una alcano o comburente.

Estado basal y excitado:

Para que el carbono disponga de cuatro orbitales atómicos para formar enlaces, un electrón debe ser promovido a un estado energético superior, dando la configuración electrónica del estado excitado

Su configuración electrónica en su estado natural es:

1s² 2s² 2p² (estado basal).

Se ha observado que en los compuestos orgánicos el carbono es tetravalente, es decir, que puede formar 4 enlaces.

Cuando este átomo recibe una excitación externa, uno de los electrones del orbital 2s se excita al orbital 2pz, y se obtiene un estado excitado del átomo de carbono:

1s² 2s¹ 2px¹ 2py¹ 2pz¹ (estado excitado).

Hibridación sp3 o tetraédrica

Para los compuestos en los cuales el carbono presenta enlaces simples, hidrocarburos saturados o alcanos, se ha podido comprobar que los cuatro enlaces son iguales y que están dispuestos de forma que el núcleo del átomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro regular y los enlaces forman ángulos iguales de 109º 28' dirigidos hacia los vértices de un tetraedro. Esta configuración se explica si se considera que los tres orbitales 2p y el orbital 2s se hibridan para formar cuatro orbitales híbridos sp3.

Hibridación sp2

En la hibridación trigonal se hibridan los orbitales 2s, 2px y 2 py, resultando tres orbitales idénticos sp2 y un electrón en un orbital puro 2pz .

El carbono hibridado sp2 da lugar a la serie de los alquenos.

La molécula de eteno o etileno presenta un doble enlace:

Un enlace de tipo σ por solapamiento de los orbitales híbridos sp2

Un enlace de tipo π por solapamiento del orbital 2 pz

El enlace π es más débil que el enlace σ lo cual explica la mayor reactividad de los alquenos, debido al grado de insaturación que presentan los dobles enlaces.

El doble enlace impide la libre rotación de la molécula.

Hibridación sp

Los átomos que se hibridan ponen en juego un orbital s y uno p, para dar dos orbitales híbridos sp, colineales formando un ángulo de 180º. Los otros dos orbitales p no experimentan ningún tipo de perturbación en su configuración.

Ángulo de enlace

Es el formado por las líneas internucleares H - C - H o H - C - C. El ángulo de enlace determina la geometría que tiene la molécula, y ésta a su vez determina el grado de estabilidad y las propiedades químicas y físicas de una sustancia.

Longitud de enlace

Es la distancia entre los núcleos de los átomos que forman el enlace.

DETALLES EXPERIMENTALES

A. MODELO DE LA MOLECULA DEL AGUA

Emplee una bola roja, dos amarillas y dos palitos.

Construya un modelo de la molécula del agua H-O-H

¿Es lineal esta molécula?

No, la molécula de agua es angular.

El ángulo de enlace previsto de 109,5⁰ para el agua es un poco mayor que el ángulo real medido de 104,5⁰. La diferencia se explica por el lado de que los PNE (pares no enlazantes) ocupan en volumen mayor que los pares enlazantes. Estos orbitales más grandes obligan a los PE (pares enlazantes) a acercarse un poco.

¿Cuál es aproximadamente el valor del ángulo?

El valor del ángulo es aproximadamente 104,5⁰.

¿Qué representan en términos de partículas atómicas los palitos?

Representan enlaces. Estos enlaces indican la compartición de electrones que se da entre los átomos para formar su octeto electrónico.

¿Qué indican los enlaces covalentes?

Los enlaces covalentes indican una compartición de electrones.

En el agua H2O, el hidrogeno tiene un electrón de valencia y el oxígeno seis electrones. Al unirse para adquirir una estructura estable cada hidrogeno comparte un electrón con el oxígeno y así adquieren una estructura estable con dos electrones.

B. MODELO DEL ATOMO DE CARBONO

¿Cuántos agujeros contienen una bola negra? Coloque un palito en cada agujero y deje el modelo sobre la mesa. Una con la imaginación los terminales de estos palitos.

En la representación molecular, el carbono presenta cuatro agujeros lo que simboliza su capacidad de hibridación sp3.

¿Cuál es el nombre de esa figura geométrica? Dibújela

El nombre de la figura es tetraedro.

¿Son todos los ángulos iguales o diferentes?

Todos los ángulos son iguales.

Los cuatro electrones de valencia se hallan situados dos en el orbital 2s y dos en el orbital p (px1 y en py1), esto implica que al encontrarse en diferentes orbitales tienen diferente cantidad de energía. Sin embargo, el análisis de rayos X demuestra que los cuatro enlaces formados por el átomo de carbono se encuentran en direcciones preestablecidas, es decir, las cuatro valencias del átomo de carbono son iguales, así como también sus ángulos los cuales miden 109⁰28'.

Observe que si imagina un plano que pase por el átomo de carbono y dos de sus enlaces, los dos enlaces restantes se extienden hacia atrás y delante de dicho plano. Se representa a la figura dibujada en la que las líneas solidas están en el plano del papel y la línea punteada se dirige lejos del lector y la línea marcada en grueso se orienta hacia el lector. Esta es una convención para representar el carbono tetraédrico y tridimensional.

C. MODELOS MOLECULARES

Empleando una bola negra, que es carbón y amarillas que son hidrógenos construya un modelo y obsérvelo mirando desde arriba.

. Quite un átomo de hidrogeno para obtener CH3. ¿Cuál es el nombre del grupo de átomos que queda?

El nombre es grupo metilo.

. Construya una segunda molécula de metano.

. Quítele un átomo de hidrógeno con su respectivo palito conecte los dos grupos. ¿Cuál es el nombre del hidrocarburo representado?

El nombre del hidrocarburo es etano.

. Colóquelo sobre la mesa y observe su forma de caballete. Observe el giro que puede haber en el enlace C-C

. Observe las dos conformaciones posibles: alternada y eclipsada.

¿Qué puede comentar de ambas conformaciones?

Conformación alternada del etano.

Como puede observarse en la figura, la conformación alternada tiene los hidrógenos del primer carbono situados entre los hidrógenos del segundo carbono, no existen hidrógenos enfrentados. En esta conformación los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos se encuentran alejados, formando ángulos de 60º. La conformación alternada es la más estable de las conformaciones del etano. Es decir, la de menor energía.

Conformación eclipsada del etano

La segunda conformación se llama eclipsada. En ella los enlaces carbono-hidrógeno de ambos carbonos quedan enfrentados (eclipsados). Los campos electrónicos de los hidrógenos enfrentados sufren importantes repulsiones (eclipsamientos) que desestabilizan la conformación. La conformación eclipsada del etano es la de mayor energía. Es decir, la más inestable.

. Quite un átomo de hidrogeno del modelo del etano. ¿Cuál es el nombre de este grupo orgánico? Dibuje su fórmula estructura.

El nombre de este grupo orgánico es etil.

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