Fundamentos de Química y Física Cuántica: Conceptos Clave y Reacciones Orgánicas

Fundamentos de Física Cuántica y Estructura Atómica

Postulados del Modelo Atómico de Bohr

I. El electrón gira alrededor del núcleo del átomo en una órbita circular. Las órbitas electrónicas son estacionarias y el electrón, cuando se mueve en ellas, no irradia energía.

II. El impulso angular del electrón, L [L = r × p = r × (m·v); para una órbita circular, es L = rmv] está cuantizado, lo que significa que de las infinitas órbitas que podría tener, solo son posibles las que cumplen que el impulso angular es un múltiplo entero de h/2π (h es la constante de Planck).

III. Cuando un electrón "salta" desde una órbita superior, de energía E₂, a otra inferior, de energía E₁, la energía liberada se emite en forma de radiación. La frecuencia (ν) de la radiación viene dada por la expresión: E₂ - E₁ = hν (h es la constante de Planck).

Principio de Exclusión de Pauli

El principio de exclusión de Pauli es un principio cuántico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1925 que establece que no puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual). Hoy en día no tiene el estatus de principio, ya que es derivable de supuestos más generales (de hecho es una consecuencia del Teorema de la estadística del espín).

Energía de Ionización

La energía de ionización es la energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para arrancarle el electrón más débilmente retenido.

Números Cuánticos Fundamentales

• Número cuántico principal (n): Determina el nivel de energía y el tamaño del orbital. Sus valores son enteros positivos (1, 2, 3, ...).
• Número cuántico azimutal o del momento angular (l): Determina la forma del orbital. Sus valores van de 0 a n-1.
• Número cuántico magnético (m_l): Determina la orientación del orbital en el espacio. Sus valores van de -l a +l.
• Número cuántico de espín (m_s): Determina el espín del electrón. Sus valores son +1/2 o -1/2.

Reacciones Químicas Orgánicas Esenciales

Hidrogenación de Alquenos

But-2-eno + H₂/catalizador:
CH₃−CH=CH−CH₃ + H₂/catalizador → CH₃−CH₂−CH₂−CH₃ (butano)

Oxidación de Alcoholes

Pentan-1-ol + KMnO₄ (oxidante fuerte):
CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−CH₂OH + KMnO₄ → CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−COOH
(1-pentanol → ácido pentanoico)

Sustitución Nucleofílica

2-clorobutano + hidróxido de sodio (acuoso):
CH₃−CHCl−CH₂−CH₃ + NaOH (ac) → CH₃−CHOH−CH₂−CH₃ + NaCl
(2-clorobutano → butan-2-ol)

Esterificación de Fischer

Ácido propanoico + metanol (medio ácido):
CH₃−CH₂−COOH + CH₃OH → CH₃−CH₂−COO−CH₃ + H₂O
(Ácido propanoico + metanol → Propanoato de metilo)

Deshidratación de Alcoholes

Deshidratación de pentan-2-ol con ácido sulfúrico y calor:
CH₃−CHOH−CH₂−CH₂−CH₃ + H₂SO₄/calor → CH₃−CH=CH−CH₂−CH₃ + CH₂=CH−CH₂−CH₂−CH₃
(pentan-2-ol → pent-2-eno + pent-1-eno)

Reducción de Cetonas

Reducción de propanona:
CH₃−CO−CH₃ + reductor → CH₃−CHOH−CH₃ (propan-2-ol)

Esterificación (Ácido Carboxílico + Alcohol)

Propan-2-ol + Ácido etanoico:
CH₃−CHOH−CH₃ + CH₃−COOH → CH₃−COO−CH(CH₃)−CH₃
(propan-2-ol + ácido etanoico o acético → etanoato de isopropilo o acetato de isopropilo)

Adición de Halogenuros de Hidrógeno a Alquenos

3-metilpent-2-eno + HCl:
CH₃−CH=C(CH₃)−CH₂−CH₃ + HCl → CH₃−CHCl−CH(CH₃)−CH₂−CH₃ + CH₃−CH₂−C(CH₃)Cl−CH₂−CH₃
(3-metilpent-2-eno → 2-cloro-3-metilpentano + 3-cloro-3-metilpentano)