Conceptos Fundamentales de Química Orgánica e Inorgánica: Nomenclatura, Reacciones y Cálculos

Nomenclatura de Alcanos Lineales

Los alcanos son hidrocarburos saturados con enlaces simples carbono-carbono. Su nomenclatura sigue una serie de prefijos que indican el número de átomos de carbono en la cadena principal:

• 1: Metano
• 2: Etano
• 3: Propano
• 4: Butano
• 9: Nonano
• 11: Undecano
• 12: Dodecano
• 20: Eicosano
• 21: Heneicosano
• 30: Tricontano

Concentración de Soluciones

La concentración de una solución expresa la cantidad de soluto disuelto en una cantidad determinada de solvente o solución. A continuación, se presentan las fórmulas más comunes:

Fórmulas Clave

• Porcentaje en masa (% masa):
  % masa = (masa de soluto / masa de solución) * 100
• Porcentaje en volumen (% volumen):
  % volumen = (volumen de soluto / volumen de solución) * 100
• Moles de soluto (n):
  n = masa de soluto / peso molecular del soluto
• Molaridad (M):
  M = n / volumen de solución en litros

Conceptos de pH y pOH

El pH y el pOH son medidas de la acidez o basicidad de una solución, respectivamente.

Escala de pH

La escala de pH varía de 0 a 14. Un pH de 7 indica una solución neutra. Valores menores a 7 indican acidez, siendo 0 el más ácido. Valores mayores a 7 indican basicidad (alcalinidad), siendo 14 el más básico.

Fórmulas de pH y pOH

• pH: pH = -log [H+]
• pOH: pOH = -log [OH-]
• Relación entre pH y pOH: pH + pOH = 14

Reactivo Limitante y en Exceso

En una reacción química, el reactivo limitante es aquel que se consume por completo y determina la cantidad máxima de producto que se puede formar. El reactivo en exceso es el que queda sin reaccionar.

Principios Fundamentales

• Volumen Molar Estándar: Para gases ideales en condiciones estándar de temperatura y presión (STP), 1 mol = 22.4 Litros.

Procedimiento para Identificar el Reactivo Limitante

1. Balancear la ecuación química.
2. Convertir las cantidades dadas de todos los reactivos a moles.
3. Calcular la cantidad de un producto (o de otro reactivo) que se podría formar con cada uno de los reactivos, utilizando la estequiometría de la ecuación balanceada.
4. El reactivo que produce la menor cantidad de producto es el reactivo limitante. El otro es el reactivo en exceso.

Ejemplo Práctico

Problema: Se tienen 1.8 L de butano (C₄H₁₀) y 150 g de oxígeno (O₂) en condiciones STP. Determinar el reactivo limitante.

Ecuación Balanceada:
2C4H10(g) + 13O2(g) → 8CO2(g) + 10H2O(l)

Cálculos:

• Moles de Butano (C₄H₁₀):
  1.8 L C4H10 * (1 mol C4H10 / 22.4 L C4H10) = 0.08036 mol C4H10
• Moles de Oxígeno (O₂):
  (Masa molar de O₂ = 2 * 16.00 g/mol = 32.00 g/mol)
  150 g O2 * (1 mol O2 / 32.00 g O2) = 4.6875 mol O2

Para determinar el reactivo limitante, calculamos cuánto CO₂ se produciría con cada reactivo:

• CO₂ producido por Butano:
  0.08036 mol C4H10 * (8 mol CO2 / 2 mol C4H10) = 0.32144 mol CO2
• CO₂ producido por Oxígeno:
  4.6875 mol O2 * (8 mol CO2 / 13 mol O2) = 2.8846 mol CO2

Conclusión: Dado que el butano produce la menor cantidad de CO₂ (0.32144 mol), el butano (C₄H₁₀) es el reactivo limitante.

Determinación de la Fórmula Empírica

La fórmula empírica representa la proporción más simple de átomos de cada elemento en un compuesto.

Pasos para el Cálculo

1. Convertir porcentajes a gramos: Asumir una muestra de 100 g, por lo que los porcentajes se convierten directamente en gramos.
2. Convertir gramos a moles: Dividir la masa de cada elemento por su masa molar.
3. Dividir por el menor número de moles: Dividir todos los resultados de moles por el valor más pequeño obtenido.
4. Redondear a números enteros: Si los resultados no son enteros, multiplicarlos por un factor común para obtener números enteros (o redondear si están muy cerca de un entero).
5. Escribir la fórmula empírica: Usar los números enteros como subíndices para cada elemento.

Ejemplo de Cálculo

Problema: Determinar la fórmula empírica de un compuesto con la siguiente composición porcentual: N: 29.16%, H: 8.39%, C: 12.50%.

(Nota: La suma de los porcentajes dados no es 100%, lo que sugiere que el problema se enfoca en las proporciones relativas de estos elementos o que hay un elemento adicional no especificado.)

Paso 1: Convertir a gramos (asumiendo 100 g de muestra):

• N: 29.16 g
• H: 8.39 g
• C: 12.50 g

Paso 2: Convertir a moles:

• N: 29.16 g N / 14.01 g/mol N = 2.081 mol N
• H: 8.39 g H / 1.008 g/mol H = 8.323 mol H
• C: 12.50 g C / 12.01 g/mol C = 1.041 mol C

Paso 3: Dividir por el menor número de moles (1.041 mol):

• N: 2.081 mol / 1.041 mol = 1.999 ≈ 2
• H: 8.323 mol / 1.041 mol = 7.995 ≈ 8
• C: 1.041 mol / 1.041 mol = 1.000 ≈ 1

Paso 4 y 5: Fórmula Empírica:

El resultado final es N₂H₈C (o C H₈N₂, siguiendo el orden alfabético).

Grupos Funcionales Orgánicos

Los grupos funcionales son átomos o grupos de átomos que confieren propiedades químicas específicas a las moléculas orgánicas.

Estructuras y Nomenclatura

Nomenclatura de Compuestos Orgánicos

La nomenclatura IUPAC utiliza prefijos y sufijos para identificar la clase de compuesto y sus características estructurales.

Sufijos y Grupos Característicos

Alcano

Sufijo: -ano (enlaces simples C-C)

Cicloalcano

Prefijo: ciclo-, Sufijo: -ano (anillo de carbonos con enlaces simples)

Alqueno

Sufijo: -eno (doble enlace C=C)

Alquino

Sufijo: -ino (triple enlace C≡C)

Aromáticos

Ejemplo: Benceno (anillos con electrones deslocalizados)

Alcoholes

Sufijo: -ol (grupo -OH)

Éter

Nomenclatura: -oxi-alcano (grupo -O-)

Aldehídos

Sufijo: -al (grupo -CHO)

Cetonas

Sufijo: -ona (grupo C=O dentro de la cadena)

Ácidos Carboxílicos

Prefijo: ácido-, Sufijo: -oico (grupo -COOH)

Ésteres

Nomenclatura: -oato de -ilo (grupo -COO-)

Amidas

Sufijo: -amida (grupo -CONH₂)

Aminas

Sufijo: -amina (grupo -N-)

Grupos Alquilo Comunes

Algunos grupos alquilo ramificados tienen nombres comunes:

• terc-butilo: (CH3)3C-
• Isopropilo: (CH3)2CH-
• Isobutilo: (CH3)2CH-CH2-