Ejercicios Resueltos de Nomenclatura Orgánica y Propiedades Periódicas Atómicas

Ejercicios de Química: Nomenclatura Orgánica y Propiedades Atómicas

Cuestión 1: Nomenclatura y Formulación Orgánica

a) Nombra los siguientes compuestos:

• CH₃–CH₂–CH=CH–C≡C–CH=CH–CH₃
• CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CHO
• CH₃–CH₂–CO–CH₂–CH₂–CH₃
• CH₃–COOH

Solución a):

• Nona-2,6-dien-4-ino (Cadena de 9 carbonos. Dobles enlaces en 2 y 6, triple enlace en 4. Se numera para dar los localizadores más bajos al conjunto de enlaces múltiples: 2,4,6 es menor que 3,5,7. Se prioriza la numeración más baja para los dobles enlaces si hay elección, pero aquí el conjunto decide. Se usa el prefijo 'di' para los dos dobles enlaces y se añade 'a' a 'non' por empezar el sufijo con consonante).
• Pentanal (Cadena de 5 carbonos con grupo aldehído -CHO terminal).
• Hexan-3-ona (o 3-Hexanona) (Cadena de 6 carbonos con grupo cetona -CO- en el carbono 3).
• Ácido acético (Nombre común) o Ácido etanoico (Nombre IUPAC) (Ácido carboxílico de 2 carbonos).

b) Formula los siguientes compuestos:

• Butil metil amina
• Etil propil éter
• 2-buteno
• 4-metil-1-hexanol

Solución b):

• Butil metil amina: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–NH–CH₃
• Etil propil éter: CH₃–CH₂–O–CH₂–CH₂–CH₃
• 2-buteno: CH₃–CH=CH–CH₃
• 4-metil-1-hexanol: CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₂OH (Estructura lineal: HOCH₂–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CH₃)

Cuestión 2: Propiedades Periódicas

a) Ordena de menor a mayor tamaño las siguientes especies químicas: Na⁺, Ne, O^2–, Mg²⁺ y F^–. Justifica la respuesta.

Solución a):

Primero, determinamos la configuración electrónica de cada especie:

• Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶ (Z=11, pierde 1 e^-)
• Ne: 1s² 2s² 2p⁶ (Z=10)
• O^2–: 1s² 2s² 2p⁶ (Z=8, gana 2 e^-)
• Mg²⁺: 1s² 2s² 2p⁶ (Z=12, pierde 2 e^-)
• F^–: 1s² 2s² 2p⁶ (Z=9, gana 1 e^-)

Todas las especies son isoelectrónicas, es decir, tienen el mismo número de electrones (10) y la misma configuración electrónica (la del Neón).

El radio atómico/iónico es una propiedad periódica. En general, disminuye al avanzar en un período (de izquierda a derecha) y aumenta al bajar en un grupo.

• Disminución en un período: Al aumentar la carga nuclear (número de protones, Z) sin cambiar el nivel energético más externo, la atracción del núcleo sobre los electrones de la capa de valencia aumenta (mayor carga nuclear efectiva), provocando una contracción del tamaño.
• Aumento en un grupo: Al descender en un grupo, los electrones de valencia se sitúan en niveles energéticos superiores (mayor número cuántico principal, n), más alejados del núcleo y más apantallados por las capas internas, lo que disminuye la atracción nuclear efectiva y aumenta el tamaño.

Para especies isoelectrónicas, el tamaño depende fundamentalmente de la carga nuclear (Z). A mayor carga nuclear (más protones), mayor será la atracción sobre los mismos 10 electrones, y por lo tanto, menor será el radio.

Las cargas nucleares son: Mg (Z=12), Na (Z=11), Ne (Z=10), F (Z=9), O (Z=8).

Por lo tanto, el orden de menor a mayor tamaño es:

Mg²⁺ < Na⁺ < Ne < F^– < O^2–

(El ion con mayor carga nuclear, Mg²⁺, es el más pequeño, y el ion con menor carga nuclear, O^2–, es el más grande).

b) Define primera energía de ionización y asigna los siguientes valores expresados en kJ·mol^–1: 496; 738; 1314 y 1681 a los elementos F, Mg, Na y O. Justifica la asignación.

Solución b):

La primera energía de ionización (EI₁) o primer potencial de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más externo (el menos ligado) de un átomo neutro, en estado gaseoso y en su estado electrónico fundamental, para convertirlo en un catión monopositivo gaseoso en su estado fundamental.

A(g) + EI₁ → A⁺(g) + 1e^-

La energía de ionización es una propiedad periódica:

• Aumenta al avanzar en un período: Al moverse de izquierda a derecha en un período, aumenta la carga nuclear efectiva (Z_eff) y disminuye el radio atómico. Los electrones de valencia están más fuertemente atraídos por el núcleo, por lo que se requiere más energía para arrancarlos.
• Disminuye al bajar en un grupo: Al descender en un grupo, aumenta el número cuántico principal (n) del nivel de valencia y el efecto pantalla. Los electrones externos están más alejados y menos atraídos por el núcleo, facilitando su extracción.

Consideremos los elementos dados y sus posiciones en la tabla periódica:

• Na: Periodo 3, Grupo 1 (Metal alcalino)
• Mg: Periodo 3, Grupo 2 (Metal alcalinotérreo)
• O: Periodo 2, Grupo 16 (Anfígeno)
• F: Periodo 2, Grupo 17 (Halógeno)

Según las tendencias:

• En el Periodo 3: EI₁(Na) < EI₁(Mg)
• En el Periodo 2: EI₁(O) < EI₁(F) (F es el elemento más electronegativo y con mayor Z_eff en el periodo 2)
• Comparando Periodos: Generalmente, EI₁(Periodo 2) > EI₁(Periodo 3) para grupos comparables.

Por tanto, el orden esperado de menor a mayor energía de ionización es: Na < Mg < O < F.

Asignamos los valores dados (496; 738; 1314; 1681 kJ·mol^–1) según este orden:

• Na: 496 kJ·mol^–1 (El más bajo, metal alcalino)
• Mg: 738 kJ·mol^–1 (Mayor que Na, mismo periodo)
• O: 1314 kJ·mol^–1 (Alto, Periodo 2, Grupo 16)
• F: 1681 kJ·mol^–1 (El más alto, Periodo 2, Grupo 17, alta Z_eff)