“DECANA DE AMÉRICA”
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Resumen
En esta primera práctica se usara modelos que mostraran los ángulos de enlace con bastante aproximación, aunque no sucede lo mismo con las longitudes de enlace. Vamos a poder visualizar las diferentes moléculas en esta ocasión hemos realizado el modelo de la molécula de agua; el del metano; propano; el ciclo hexano, en este caso vemos las diferentes conformaciones posibles al girar los átomos de carbono; el doble y triple enlace; la proyección newman con la ayuda de la molécula del etano; y por último la molécula del benceno.
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Introducción
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Los modelos moleculares son muy importantes para los químicos ya que con ellos ellos podemos visualizar la naturaleza naturaleza tridimensional tridimensional y como están relacionados los átomos a las moléculas orgánicas. En el siglo XIX muchos químicos ya construían modelos a escala para entender mejor la estructura de la molécula. Nosotros podemos tener una mejor apreciación de las características que afectan a la estructura y a la reactividad cuando examinamos la forma tridimensional de un modelo molecular. Los modelos más útiles son:
Modelo de esqueleto (alambres)
Modelo de barras y esferas
Modelo compacto:
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Debido a que la química orgánica es una ciencia tridimensional, con frecuencia es crítica y primordial la forma molecular parad determinar la química que experimenta un compuesto En el siglo XIX muchos químicos ya construían modelos a escala para entender mejor la estructura de la molécula. Nosotros podemos tener una mejor apreciación de las características que afectan a la estructura y a la reactividad cuando examinamos la forma tridimensional de un modelo molecular. Los modelos más útiles son 1. Modelo de esqueleto (alambres): Este modelo muestra los enlaces que conectan los distintos átomos de una molécula, pero no los propios átomos. 2. Modelo de barras y esferas: En estos modelos se dedica la misma atención a los átomos que a los enlaces. 3. Modelo compacto: Este modelo representa el extremo opuesto, en tanto que, destaca el volumen ocupado por cada átomo a costa de una clara representación de los enlaces, son más utilizados en los casos en que se desea examinar la forma global de la molécula y para valorar cómo están de cerca dos átomos próximos no enlazados. Los primeros modelos de barras y esferas eran exactamente bolas de madera con agujeros taladrados donde se introducían pequeñas espigas de madera que conectaban los átomos. Las versiones en plástico, incluidas las relativamente baratas dedicadas a los estudiantes, están disponibles desde los años sesenta y han demostrado ser de gran ayuda en el aprendizaje. Los modelos de esqueleto construidos a escala con gran precisión en acero inoxidable y los modelos compactos en plástico son relativamente más caros y forman parte del equipamiento estándar de un laboratorio de investigación. Las representaciones gráficas en computadora han reemplazado rápidamente a los clásicos modelos moleculares. En efecto, el término de modelización molecular usado ahora en química orgánica implica la generación de modelos en computadora.
Estilos de los modelos moleculares: 3
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Antes de indicar cómo se pueden seleccionar los distintos modos de representación de las moléculas vamos a tratar brevemente sobre las características principales de los distintos tipos de modelos moleculares. Las estructuras tridimensionales de las moléculas pueden visualizarse con Jmol siguiendo el siguiente código de representación (originalmente basado en el programa RasMol)
Alambre :Se muestran sólo los enlaces, como líneas delgadas. Varillas Se muestran sólo los enlaces, como líneas gruesas. Este modelo es adecuado para ver la estructura de moléculas grandes. Bolas y varillas Los enlaces son varillas y los átomos pequeñas esferas. No refleja ni el tamaño ni la forma real de la molécula, pero permite distinguir claramente los diferentes átomos y enlaces. Esferas (esferas CPK) Se representan todos los átomos como esferas sólidas con sus radios de van der Waals (es lo más semejante al volumen real ocupado por el átomo) Muestra el tamaño y la forma reales de la molécula pero dificulta la percepción de su estructura. Esqueleto Representa el esqueleto del polipéptido como una serie de varillas que conectan los carbonos alfa consecutivos de cada aminoácido en una cadena (en ácidos nucleicos, se conectan los átomos de fósforo). No se muestran las cadenas laterales. Es una representación interesante para percibir el plegamiento global del polipéptido o ácido nucleico. Trazo Es similar al esqueleto, pero suavizado, sin ángulos (un cordón curvilíneo). Cintas lisas Visualiza la proteína o ácido nucleico como una superficie de "cintas" densa y lisa que recorre el esqueleto polipeptídico o polinucleotídico de la molécula
Esquemático Extiende la representación de cintas para permitir mostrar la representación de Richardson (MolScript). 4
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Es similar al modelo de cintas pero muestra mediante puntas de flecha la orientación de las cadenas en hebras y hélices, y los tramos sin estructura secundaria son cordones en lugar de cintas. Muy útil para visualizar la estructura
Bloques Cada tramo de hélice alfa se muestra como un cilindro con punta (un “cohete”) y cada tramo de hebra beta, como una flecha gruesa,
recta y plana.
Cintas en filamentos Visualiza la proteína o ácido nucleico como una "cinta" que recorre el esqueleto polipeptídico o polinucleotídico, pero la cinta está compuesta de una serie de filamentos (por defecto, cinco) que corren paralelos entre sí.
Alambre
Esferas (esferas CPK)
Varillas
Esqueleto
Bolas y varillas
Trazo
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Cintas lisas
Esquemático
Bloques
Cintas en filamentos
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II.
Detalles Experimentales A.- MODELO DE LA MOLÉCULA DEL AGUA Emplee una bola roja, dos amarillas y dos palitos. Construya un modelo de la molécula del agua H – O – H
¿Es lineal ésta molécula? No. ¿Cuál es aproximadamente el valor del ángulo? 104,5° ¿Qué representan en términos de partículas atómicas los palitos? Indican compartición de enlaces. ¿Qué indican los enlaces covalentes? Indican soplamiento de orbitales.
B.- MODELO DEL ÁTOMO DEL CARBONO
¿Cuántos agujeros contiene 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. Tiene 4 agujeros.
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¿Cuál es el nombre de esta figura geométrica? Dibújela Tetraedro Regular.
¿Son todos los ángulos iguales o diferenciales? Son iguales, con una medida de 109,5°
C.- MODELOS MOLECULARES Empleando una bola negra, que es carbón y amarillas que son hidrógenos construya un modelo y obsérvelo mirando desde arriba.
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Quite un átomo de hidrógeno para obtener CH 3 . ¿Cuál es el nombre del grupo de átomos que queda? El nombre es 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 es etano.
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Colóquelo sobre la mesa y observe su forma de caballete. Observe el giro que puede haber en el enlace C-C. Existe un giro libre de 360° ya que el enlace es el enlace más fuerte que hay y será también el más difícil de romper. Observe las dos conformaciones posibles: Alternada y eclipsada. ¿Qué puede comentar de ambas conformaciones? La conformación alternada es la más estable ya que los hidrógenos se encuentras más separados unos de otros evitando la alta repulsión entre estos.
La conformación eclipsada es menos estable ya que los hidrógenos que acompañan a los carbonos están muy cerca unos de otros aumentando la repulsión.
Quite un átomo de hidrógeno del modelo etano. ¿Cuál es el nombre de este grupo orgánico? Dibuje su fórmula estructural. El nombre es etilo. 10
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D.- UNA TRES ÁTOMOS DE CARBONO FORMANDO UNA CADENA Haga una cadena de tres átomos de carbono.
¿Pueden formarse una cadena ramificada con solo tres átomos de carbono? Sí. ¿Cómo se llama este hidrocarburo? Propano. Escriba la fórmula estructural. Dibuje.
Fórmula Estructural
E.- UNA SEIS ÁTOMOS DE CARBONO EN FORMA LINEAL Haga una cadena de seis átomos de carbono. Observe las posiciones de los carbonos al girar los ejes de los enlaces. Procure lograr la mayor separación entre hidrógenos.
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Quite a los carbonos primarios, que son los carbonos de los extremos de la cadena, un átomo de hidrógeno a uno y un palito con el hidrógeno a otro. Una estos átomos de carbono formando un anillo o ciclo.
¿Están todos los átomos de carbono en un solo plano? No. Existe un ángulo de 109.5° Observe las dos conformaciones posibles, las formas: bote y la más estable silla. ¿Cómo se llama este compuesto? Se llama hexano. Verifique las posiciones axiales y ecuatoriales de sus hidrógenos en este compuesto. ¿Cuántas son en cada conformación? Axiales: Ecuatoriales:
F.-REPRESENTE EL DOBLE ENLACE:
Tomamos 2 átomos de carbono . Los unimos por medio de dos resortes y ese sea nuestro armazón , Luego llenamos los huecos de los carbonos con los palitos y en cada extremos de los palitos colocamos hidrógenos.
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Discusión de resultados :
¿Qué estructura ha formado? Podemos ver q se ha formado un eteno ¿Cuál es su geometría molecular? La geometría es plana ¿hay rotación de enlace entre carbonos? No, el enlace doble impide la rotación entre los carbonos
G.-REPRESENTE EL TRIPLE ENLACE:
Tomamos 2 de carbono y lo unimos a 3 resorte Los espacios es blanco los llenamos con palitos y un hidrogeno en cada lado
Discusión de resultados :
¿Qué estructura ha formado? podemos ver q se ha formado un etino ¿Cuál es su geometría molecular? La geometría es lineal ¿Qué representa los resortes? En este caso representa el enlace triple entre los 2 átomos de carbono, podemos decir que estos 3 resortes representan los 2 enlaces PI y 1 enlace SIGMA
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H.-PROYECCIÓN NEWMAN
Construya nuevamente la molécula de etano Coloque la molécula delante de usted Fije uno de los átomos de carbono y gire el otro átomo de carbono por el eje de enlace Observe las diferentes posiciones que adquieren los hidrogeno de este carbono con respecto al carbono fijo Cada posición es una conformación identifícalas:
(Eclipsada)
(Alternada)
NOTA.Formas de graficar una proyección Newman: Estando la molécula alineada es decir frente al observador, el carbono delantero se representa con un punto y de él emergen las líneas que representan los hidrógenos de este carbono .; para el carbono posterior se dibuja un circulo concéntrico al punto y de el también emergen las líneas (que son los hidrógenos ) si es que se dibuja la conformación eclipsada ; las líneas q emergen del carbono posterior deben estar ligeramente hacia un lado , pero todas deben estar corridas hacia el mismo lado de orientación.
Discusión de resultados:
Discuta cual sería la conformación más estable ¿Por qué?
La más estable sería la de alternada pues hay menos repulsión entre los hidrógenos de cada carbono, pues estos se encuentran más alejados
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Diagrama de energía torsional del etano
Es este diagrama podemos apreciar notablemente la diferencia de energía entre los diversas conformaciones el etano ; por ejemplo entre una cíclica y una alternada notamos claramente que la alternada tiene una energía mucho menor pues sus hidrógenos están mas separados entre si y por ende actuan con menos repulsión , lo que permite que la molécula este mas estable ; lo contrario ocurre con la eclipsada la cual el tener a los hidrógenos mas juntos estos se repelen con mas fuerza y liberan mas energía lo que las convierte en mas inestables
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I.- MOLECULA DEL BENCENO:
Construye con modelos la molécula del benceno Para esto escoja 6 átomos de carbono y únalos con 3 varillas , para los enlaces simples y con 2 resortes para cada enlace doble ; estos enlaces simples y dobles deben estar alternados.
Discusión de resultados:
¿Cuál es la geometría de esta molécula? Esta molécula es hexagonal ¿Qué ángulo hay entre carbono y carbono? Existe un ángulo de 120 ¿Están todos los carbonos en el mismo plano? Si , el benceno es una molécula plana
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J.-REACCIONES QUIMICAS ILUSTRADAS CON MODELOS:
Construya una modelo de la molécula del metano y otro de un molécula de cloro Para realizar la molécula del cloro tomamos 2 bolas verdes y las unimos con un palito Para representar un reacción química: Quitamos un hidrogeno de la molécula de metano y a la ves separamos los 2 átomos de cloro e intercambiamos un hidrogeno por un cloro.
Escriba la ecuación respectiva:
Clorometano:
Diclorometano:
Triclorometano (cloroformo):
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Tetracloruro de carbono :
Discusión de resultados: ¿Cómo se llama este tipo de reacción? Es una reacción de doble sustitución o metátesis ¿Cuántos dicloro etanos existen? Existen 2 : dicloroetano
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dicloetano
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Discusión de Resultados
III.
La molécula de Agua no es lineal, forma un ángulo de 104,5° teniendo como átomo central al oxigenó. Esto se da debido a la gran repulsión que existe entre los pares de electrones libres del oxígeno. Al momento de realizar la formación de la molécula de metano, nos damos cuenta que las bolitas negra(carbono) tiene 4 agujeros, es decir el carbono tiene la capacidad de enlazarse con 4 enlaces, lo que demuestra su TETRAVALENCIA .
Molécula (CH4)
de
Metano
Cuando formamos una cadena conformada por 4 carbonos, es decir un hidrocarburo llamado Butano. Para obtener un alcano lineal, un número mínimo de carbono sería 2. Pero para tener un alcano Ramificado, el mínimo sería 4 carbonos, es decir, sería la molécula Butano, y no Propano como dicen.
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Luego de construir 2 moléculas de metano por separado, los “unimos”, dándonos la molécula Etano. Este posee 2 tipos de
conformaciones geométricas: Eclipsadas y Alternadas , la cual ya se ha visto anteriormente en la experiencia hecha en el laboratorio. Observamos que las Conformaciones Alternadas son más estables, ya que los hidrógenos están alejados, por lo consiguiente tienen menor repulsión entre estas dándole la estabilidad necesaria a la molécula. En cambio, la Eclipsada al tener más cerca a los átomos hidrógeno entre sí, la repulsión será mayor desestabilizando la molécula.
Al armar la estructura del benceno, nos damos cuenta que los carbonos no se encuentran en mismo plano, deducimos que existen 2 tipos de conformaciones: Silla y Bote. La conformación más estable es la “ SILLA” debido a la menor repulsión entre los confórmeros. Cuanto menor sea esta repulsión, la molécula será más estable. Por consiguiente, la menos estable es l a del “BOTE”, posee una mayor energía, en consecuencia será menos estable. El 99% de los hidrocarburos posee la forma de silla debido a su estabilidad.
Posiciones Axiales : Color Rojos Posiciones Ecuatoriales : Color Azul
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Los sustituyentes o confórmeros siempre son más estables cuando están en posición ecuatorial . Esto es porque en posición axial los sustituyentes interaccionan más entre sí que en posición ecuatorial, resultando menos estable que estos. Entonces cuantos más confórmeros en posición ecuatorial tenga una molécula más estable será. En la última parte de la experiencia en el laboratorio, se realiza “reacciones Químicas ilustradas con Modelos”, la reacción que se
lleva a cabo es una HALOGENACIÓN DEL METANO, que es una reacción que transcurre con formación de radicales libre y se da en 4 etapas. Las reacciones se escribieron anteriormente. l
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Obtenemos que el carbono posee una geometría tetraédrica, lo cual es determinante para la unión entre otros átomos o moléculas. La Gran utilidad de la proyecciones de Newman que sirven para visualizar conformaciones en un enlace simple carbono-carbono de una molécula orgánica. Consiste en visualizar la estructura a lo largo del enlace que une ambos átomos de carbono y proyectarla sobre el plano, de tal forma que los grupos unidos al átomo de carbono más próximo al observador se dibujan enlazados al punto central de un círculo, que representaría al átomo, mientras los del más alejado se dibujan como si partieran desde detrás del círculo, y por tanto sus enlaces sólo son visibles parcialmente Al obtener el gráfico ángulo de giro vs tipo de Conformación geométrica (Alternada y Eclipsada) nos damos cuenta que obtiene una línea curvilínea, la cual es una Función SENO. Esto ocurre en Etano y el Butano y demás alcano Lineales, en donde se observa también el mismo hecho. Para obtener un alcano lineal, un número mínimo de carbono sería 2. Pero para tener un alcano Ramificado, el mínimo sería 4 carbonos, es decir, sería la molécula Butano, y no Propano como dicen. La estructura del hidrocarburos (anillos) poseen 2 tipos de conformación: SILLA y BOTE, siendo la más estable la primera por razones ya explicadas anteriormente. La gran utilidad que poseen estos modelos moleculares para poder explicar diversas propiedades y características (color, tamaño, etc.) de una molécula; pero sin embargo, muchos de nosotros, al comienzo de la práctica, ni siquiera sospechábamos sobre esto.
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VI.
Observar y escuchar las indicaciones que explica el profesor sobre cada una de la experiencias que se realiza en el laboratorio, ya que esta práctica es netamente visual y práctica, por lo consiguiente se aconseja que se apunta TODO lo que se observe, escuche; saque conclusiones dependiendo de cada observación que haga. Tener mucho cuidado en el manejo de los modelos que se utiliza para esta práctica. Algunos están dañados, otros rotos, algunos incompletos. Realizar la práctica con el mayor cuidado posible ya que son muy frágiles. Tener mucha destreza, agilidad, rapidez y sobre todo, mucha Imaginación al momento de armar las estructuras, así tenemos menos margen de error y además conocer cada estructura que el profesor y la guía nos ordenen armar.
Apéndice 24
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1. Dibuje la hibridación para: el eteno y etano
2. Dibuje los isómeros conformacionales de :
CH3CH2CH2CH2CH2CHCH2 CH3C (CH3) CH2CH2CH2CCH. Para
CH3CH2CH2CH2CH2CHCH2
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Para
CH3C (CH3)2CH2CH2CH2CCH.
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3.
¿Cuál sería su acción frente a una quemadura con álcali?
El prototipo es la lejía: deberemos lavar abundantemente y a chorro con agua acidulada mediante zumo de limón o agua con vinagre. En el caso de quemaduras por fósforo lavar, si se dispone, con una solución de sulfato de cobre al 5 %. Si las lesiones están producidas por brea o alquitrán, limpiaremos los alrededores con un algodón impregnado en éter. Si está muy adherido no tocaremos la quemadura y aplicaremos un vendaje estéril y seco. Finalmente traslado para valoración médica.
¿Qué hacer ante causticaciones oculares?
Lo esencial es eliminar total e inmediatamente el agente nocivo. La manera más rápida es lavar el ojo en el mismo lugar del accidente con agua a presión durante 30 minutos dirigiendo el agua por detrás de los párpados. Si existen partículas que no se disuelven o que no se expulsan fácilmente, deberán ser eliminadas manualmente. Traslado rápido al hospital.
Normas específica en la ingestión de álcalis:
No provocar el vómito. Neutralizar el álcali con ácido acético, solución de vinagre (100 cc. en 1 litro de agua) o solución de leche o agua albuminosa (4 claras de huevo batidas en 1 litro de agua) Calmar el dolor.
4. Indique la geometría molecular de H 2C
C
CH2 27
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