Estructura atómica y electronica del carbono PDF

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Summary

Estructura atómica y configuración electrónica del átomo de Carbono.
Hibridación de orbitales y casillas cuánticas.
Orbitales atómicos sp3, sp2 y sp
Estructura geométrica espacial para los distintos casos.
Prof. Ing. C. H....

Description

Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica ¿Qué es la Química Orgánica? Es la rama de la química que estudia los compuestos del Carbono, aquellos formados por cadenas de carbonos y la relación entre sí de estos átomos y la relación con otros átomos (H, O, N, P, etc) La mayoría de los compuestos orgánicos se encuentran en organismos vivos, pero hay otros que no, como los hidrocarburos. Se los estudia porque son compuestos con enlaces entre carbonos muy característicos.

Estructura atómica Los átomos están conformados por un núcleo y una nube de electrones. El núcleo está conformado por Protones (carga +) y Neutrones (carga 0)

Protones

Neutrones

Estructura electrónica Es muy difícil saber dónde se encuentra un electrón en el átomo (Principio de incertidumbre de Heisenberg). Como no podemos determinar exactamente dónde está ubicado un electrón, se evaluará la probabilidad de encontrarlo, a través de la densidad electrónica. Los electrones se encuentran en orbitales dentro de la nube que está alrededor del núcleo. Los orbitales se identifican con un número cuántico principal, cuanto más cercanos al núcleo están, menor es este número cuántico.

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Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica Números cuánticos Número cuántico Principal

Símbolo

Secundario (azimutal) Magnético Spin

ℓ

n

Valores

Propiedad

1,2,3,4,5,…,n Tamaño y energía de la nube (región difusa donde puede encontrarse un electrón). 0,1,2,…,(n-1) Forma de la nube, orbitales (indica el sunivel) - ℓ,0,+ ℓ Orientación espacial de los orbitales +1/2,-1/2 Rotación del electrón y orientación del campo magnético

mℓ ms

Tipos de orbitales Valor número cuanto secundario (ℓ) 0 1 2 3

Denominación

Forma

Número máximo de electrones

s p d f

Esférica Lobular Lobular Lobular

2 6 10 14

Orbital s

Orbitales p Y

Y

Z

X

px

Y

Z

X

py

2

Z

X

pz

Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica Orbitales d

d

d xy

d yz

xz

d x2 - y2

d z2

Representación de la configuración electrónica en casillas cuánticas Una forma de representar la configuración electrónica de un elemento es a través de las casillas cuánticas. El orden de llenado es:

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Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica Poniendo como ejemplo el Carbono

Y siendo su configuración electrónica: 1s2 2s2 2p2 Cantidad de electrones N° Cuántico Principal

N° Cuántico secundario

Las casillas cuánticas quedan:

1s2

2s 2

2p 2

La distribución más estable de los electrones en los subniveles es aquella que tenga mayor número de spines paralelos. 4

Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica La configuración electrónica es una notación simbólica que muestra la ubicación de los electrones de un átomo en cada uno de los orbitales correspondientes.

Tipos de enlaces: Enlace metálico: No forman moléculas, los núcleos se unen y los electrones están en movimiento alrededor de este. La atracción entre cargas positivas y negativas mantiene unido el conjunto. Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio) Conducen electricidad. Son tenaces, maleables y dúctiles. Forman redes cristalinas. Enlace iónico: Se forma entre un metal y un no metal. Los átomos del metal pierden electrones formando un catión y los acepta el no metal formando un anión. Estos iones de distinta carga se atraen eléctricamente, se ordenan y forman una red iónica o red cristalina. Requieren gran energía para ser separados Al intentar separarlos se rompe el cristal (fragilidad). En solución conducen la electricidad. Puntos de fusión y ebullición muy altos Enlace covalente: Se originan por compartición de electrones entre átomos no metálicos. Puede ser: Simple (comparte un par de electrones) Múltiple (comparte dos o tres pares de electrones) Las moléculas resultan de conducir los átomos con todos sus electrones y unirlos para formar enlaces. Sólo intervienen los electrones de valencia. El enlace se produce cuando un orbital de valencia que posee un electrón de valencia de un átomo, se superpone con otro orbital de valencia que posee un electrón de otro. Excepcionalmente sucede cuando un átomo tiene dos electrones de valencia y el otro ninguno. No conducen la electricidad No son frágiles Los puntos de fusión y ebullición son relativamente bajos. 5

Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica Los compuestos orgánicos establecen uniones del tipo covalente por compartición de electrones entre sí, lo que los mantiene unidos. Hibridación de orbitales Se conoce como hibridación a la asociación de orbitales de valencia de un átomo, de la cual resulta un nuevo conjunto de orbitales, todos ellos equivalentes desde el punto de vista energético. La configuración electrónica normal del Carbono es:

Hibridación sp3 Debido a que el carbono con hibridación sp3 requiere unirse a otros 4 elementos, necesita tener 4 electrones desapareados, para establecer enlaces sigma (σ) Para promover un electrón del orbital 2s al 2p, hay que aplicar energía. El orbital s, se mezcla con el p del carbono para formar un nuevo conjunto de orbitales.

2s

2p

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Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica

Híbridos sp3

Estructura espacial de un carbono con hibridación sp3 Geometría tetragonal

Ejemplo: METANO Los enlaces forman entre sí ángulos de 109.5°

Hibridación sp2 El carbono con hibridación sp2, tiene un doble enlace entre carbonos y está unido a otros 2 elementos. Para ello, debe tener disponible 3 electrones desapareados del mismo tipo de orbital, y un electrón desapareado para realizar un enlace pi (π), que corresponde a la compartición de un electrón de los dos implicados en el doble enlace (en doble enlace tiene una unión sigma y una pi). Para promover un electrón del orbital 2s al 2p, hay que aplicar energía. El orbital s, se mezcla con el p del carbono para formar un nuevo conjunto de orbitales, quedando 3 orbitales sp2 y un orbital p puro.

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Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica

2s

2p

Híbridos sp2

Estructura espacial de un carbono con hibridación sp2 Geometría trigonal

Ejemplo: ETENO / ETILENO Los hidrógenos ubicados en el mismo plano forman con el doble enlace un ángulo de 121.7° Los hidrógenos entre sí ubicados en distintos planos forman un ángulo de 116.6° 8

Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica

Hibridación sp El carbono con hibridación sp, tiene un triple enlace entre carbonos y un enlace con otro elemento. Para ello, debe tener disponible 2 electrones desapareados del mismo tipo de orbital, y dos electrones desapareados para realizar un enlace pi (π), que corresponde a la compartición de dos electrones de los 3 implicados en el triple enlace (en triple enlace tiene una unión sigma y dos pi) Para promover un electrón del orbital 2s al 2p, hay que aplicar energía. El orbital s, se mezcla con el p del carbono para formar un nuevo conjunto de orbitales, quedando 2 orbitales sp y dos orbitales p puros.

2s

2p

Híbridos sp

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Química Orgánica Estructura atómica y configuración electrónica

Estructura espacial de un carbono con hibridación sp Geometría lineal

Ejemplo: ETINO / ACETILENO Los hidrógenos forman con el triple enlace un ángulo de 180°

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