Estructuras de Lewis PDF

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Summary

Cartilla hecha para una clase de química orgánica , informando formación de estructuras de lewis , ácidos o bases , tipos de enlace , etc...

Description

ESTRUCTURAS DE LEWIS Es una estructura representativa de los electrones de valencia y los enlaces covalentes en una molécula o ion que sirve para tener una idea de su estructura molecular. Asimismo, no dice nada respecto a cuál es la hibridación química de sus átomos, pero sí dónde se sitúan los dobles o triples enlaces y si existe resonancia en la estructura. Con esta información puede argumentarse sobre la reactividad de un compuesto, su estabilidad, el cómo y qué mecanismo seguirá la molécula cuando reaccione.

Las estructuras de Lewis se generan con la idea de conseguir que todos los átomos involucrados cumplan la regla del octeto, (donde todos los átomos involucrados tengan al menos ocho electrones de valencia en su entorno). Esta dice que existe una tendencia de los átomos de completar su nivel energético con ocho electrones para alcanzar la estabilidad. Esto aplica para todos los elementos no metálicos o los que se encuentran en los bloques s o p de la tabla periódica. Esta configuración es semejante a la de un gas noble, los elementos ubicados al extremo derecho de la tabla periódica. Los gases nobles son elementos electroquímicamente estables, ya que cumplen con la estructura de Lewis, son inertes, es decir que es muy difícil que reaccionen con algún otro elemento. No obstante, no todos los elementos obedecen la regla del octeto. Casos particulares son los metales de transición, cuyas estructuras se fundamentan más en las cargas formales y su número de grupo.

ELECTRONES DE VALENCIA Los electrones de valencia son los electrones que se encuentran en el nivel principal de energía más alto del átomo, siendo estos los responsables de la interacción entre átomos de distintas especies o entre los átomos de una misma. Son indispensables a la hora de realizar una estructura de Lewis, para ver el número de electrones que tiene un elemento para reaccionar con otro y formar sus respectivos enlaces.

ENLACE QUÍMICO

Estos enlaces químicos son fuerzas intramoleculares, que mantienen a los átomos unidos en las moléculas. En la visión simplista del enlace localizado, el número de electrones que participan en un enlace (o están localizados en un orbital enlazante), es típicamente un número par de dos, cuatro, o seis, respectivamente. El tipo de enlace fuerte depende de la diferencia en electronegatividad y la distribución de los orbitales electrónicos disponibles a los átomos que se enlazan. A mayor diferencia en electronegatividad, con mayor fuerza será un electrón atraído a un átomo particular involucrado en el enlace, y más propiedades "iónicas" tendrá el enlace

ENLACE COVALENTE

Los enlaces covalentes polares se forman con átomos distintos con gran diferencia de electronegatividades. La molécula es eléctricamente neutra, pero no existe simetría entre las cargas eléctricas originando la polaridad, un extremo se caracteriza por ser electropositivo y el otro electronegativo. Los enlaces covalentes pueden ser simples cuando se comparte un solo par de electrones, dobles al compartir dos pares de electrones, triples cuando comparten tres pares de electrones, o cuádruples cuando comparten cuatro pares de electrones. Los enlaces covalentes no polares (0 o menor que 0,4) se forman entre átomos iguales, no hay variación en el número de oxidación. Los átomos enlazados de esta forma tienen carga eléctrica neutra.

Es una unión de partículas que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los átomos capta electrones del otro.

FORMACIÓN DE UNA ESTRUCTURA DE LEWIS Para proponer una estructura de Lewis vamos a emplear el siguiente procedimiento (ilustraremos el método usando los siguientes compuestos: NO2, HNO2, CO2.

𝑁𝑂2 Electrones Reales

N= 5 x 1 O= 6 x 1 =17

Electrones virtuales

N= 7x1 O= 8x2 = 23

Resta N° de enlaces

23-17=6 6 =3 2

𝐻𝑁𝑂2 H= 1X1 N= 5X1 0= 6X2 = 18 H= 2X1 N= 8X1 0= 8X2 = 26 26-18=8 8 =4 2

𝐶𝑂2 C= 4X1 O= 6X2 =16 C= 8X1 O= 8X2 =24 24-16=8 8 =4 2

Compuesto

CARGA FORMAL Una carga formal (FC) es una carga parcial de un átomo en una molécula,asignada al asumir que los electrones en un enlace químico se comparten por igual entre los átomos, sin consideraciones de electronegatividad relativa . Cuando se determina la estructura de Lewis correcta (o la estructura de resonancia) para una molécula, es un criterio muy significativo en la selección de la estructura final el que la carga formal (sin signo) de cada uno de los átomos esté minimizada.

SOLUBILIDAD La solubilidad es la medida de la capacidad de cierta sustancia para disolverse en otra. Puede ser expresada en porcentaje de soluto o en unidades como moles por litro o gramos por litro. Es importante destacar que no todas las sustancias se disuelven en los mismos solventes. El agua es solvente de la sal pero no del aceite, debido a las fuerzas intermoleculares que actúan en la disolución. La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el solvente y el soluto, y la variación de entropía que acompaña a la solvatación. Factores como la temperatura y la presión influyen en este equilibrio, cambiando así la solubilidad.

ÁCIDOS O BASES Teoría Ácido-Base de Arrhenius El concepto de ácido-base de Arrhenius clasifica una sustancia como un ácido si produce iones hidrógeno H(+) o iones hidronio H3O(+) en agua. Una sustancia se clasificará como una base si produce iones hidróxido OH(-) en agua. Esta manera de definir los ácidos y las bases funciona bien para las soluciones acuosas, pero las propiedades de ácido y de base se observan en otros entornos. 𝐻𝑁𝑂3→ 𝐻 + +𝑁𝑂3 𝐻2 𝑂

Teoría Ácido-Base de Bronsted y Lowry Esta teoría establece que los ácidos son sustancias capaces de ceder protones (iones hidrógeno H+) y las bases sustancias capaces de aceptarlos. Aún se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso.

El concepto de ácido y base de Brønsted y Lowry ayuda a entender por qué un ácido fuerte desplaza a otro débil de sus compuestos (lo mismo ocurre entre una base fuerte y otra débil).

TEORIA ÁCIDO- BASE DE LEWIS Según esta, una base sería una especie que puede donar un par de electrones, y un ácido la que los puede aceptar. El ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y la base debe tener algún par de electrones solitario. La reacción de un ácido con una base de Lewis da como resultado un compuesto de adición.

PKA Se trata de una medida de acidez, calculada mediante el logaritmo negativo (-log) de la constante de disociación ácida Ka. Una forma conveniente de expresar la relativa fortaleza de un ácido es mediante el valor de su pKa, que permite ver de una manera sencilla en cambios pequeños de pKa los cambios asociados a variaciones grandes deKa. Valores pequeños de pKa equivalen a valores grandes de Ka (constante dedisociación) y, a medida que el pKa decrece, la fuerza del ácido aumenta. Se calcula por medio de la siguiente ecuación

𝑝𝐾𝑎 =−log(𝑘𝑎 )

EJERCICIOS A continuación va a encontrar una serie de ejercicios resueltos, teniendo en cuenta todos los temas vistos en este capítulo:

1. Escriba la estructura y ordene los siguientes líquidos según su solubilidad en hexano: octano, agua, dietil éter y etanol. Respuesta:

SOLUBILIDAD EN HEXANO - Dietil Éter - Octano - Etanol - Agua

2. Indicar cuáles de las siguientes sustancias son ácidos de Bronsted-Lowry y cuáles de Lewis. a) HSO4-; b) BF3; c) FeCl3; d) AlCl3; e) H3O + . Respuesta a) HSO4- : Bronsted- Lowry b) BF3 : Acido de Lewis c) FeCl3 : Acido de Lewis d) AlCl3 : Acido de Lewis e) H3O + : Bronsted- Lowry 3. Indique el compuesto de mayor acidez: (a) ácido benzoico, (b) ácido pmetoxibenzoico, (c) fenol,(d) ácido p-nitrobenzoico. Respuesta a) Ácido Benzoico (𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟐) 𝑝𝐾𝑎 = −log (6,4 × 10−5) 𝑝𝐾𝑎 = 4,19 b) Ácido p-metoxibenzoico ( 𝑪𝟖𝑯𝟖𝑶𝟑) 𝑝𝐾𝑎 = −log (6,4 × 10−5) 𝑝𝐾𝑎 = 4,19 𝑪𝟕𝑯𝟓𝑵𝑶 > 𝑪𝟖𝑯𝟖𝑶𝟑 > 𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟐 > 𝑪𝟔𝑯𝟔𝑶

c) Fenol (𝑪𝟔𝑯𝟔𝑶) 𝑝𝐾𝑎 = −log (1,3 × 10−10) 𝑝𝐾𝑎 = 9.8 d) Ácido 3-nitrobenzoico 𝑝𝐾𝑎 = −log (3,56 × 10−4) 𝑝𝐾𝑎 = 3.44

4. Las siguientes estructuras de Lewis son incorrectas: a) HCN, b) C2H2, c) SnO2, d) BF3, e) HOF, f) HCOF y g) NF3. Identifique el error en cada una y dé una estructura de Lewis correcta para la molécula. (Las posiciones relativas de los átomos son correctas.)

Respuesta:

5. Clasifique las sustancias en cada uno de los grupos siguientes en orden decreciente de acidez a) CH3CH2COOH, BrCH2COOH, FCH2COOH b) CH3CH2OH, CH3CH2NH2, CH3CH2COOH

Respuesta: a) CH3CH2COOH=Kpa= 4.85 BrCH2COOH=Kpa= 2.902 FCH2COOH =Kpa= 2.59

b) CH3CH2OH=pKa= 15.5 CH3CH2NH2= pKa = 10.63 CH3CH2COOH= pKa = 4.85

C) a/ Ácido Fórmico = 3,74 d/ Ácido acetoacético= 3,58 c/ Ácido cianoacetico= 2,47 b/ Ácido nitroacetico= 1,68

6. Manteniendo las mismas conexiones atómicas y moviendo solo electrones, escriba una estructura de Lewis más estable para cada uno de los siguientes compuestos. Asegúrese de especificar cargas formales, si las hay, en la nueva estructura.

Respuesta:

7. Expanda las siguientes fórmulas condensadas, muestre todos los enlaces y los pares de electrones no compartidos.

Respuesta:

8. Asigne cargas formales a los átomos en cada una de las siguientes moléculas:

Cargas formales: a) ÁTOMO C H H H C H H H C H H H N O

N° E valencia 4 1 1 1 4 1 1 1 4 1 1 1 5 6

N° de E no enlazados 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 6

N° de enlaces

Carga formal

4 1 1 1 4 1 1 1 4 1 1 1 4 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1

N° de E no enlazados 0 0 0 0 4 1 2

N° de enlaces

Carga formal

4 1 1 1 2 4 3

0 0 0 0 -1 0 0

b) ÁTOMO C H H H N N N

N° E valencia 4 1 1 1 5 5 5

c) ÁTOMO

N° E valencia

C H H H N N N

4 1 1 1 5 5 5

N° de E no enlazados 0 0 0 0 2 1 4

N° de enlaces

Carga formal

4 1 1 1 3 4 2

0 0 0 0 0 0 -1

9. Escriba las ecuaciones para las siguientes reacciones ácido-base. Marque los ácidos y bases conjugados, muestre cualquier estabilización por resonancia. Prediga si el equilibrio tiene hacia los reactivos o hacia los productos.

Respuesta: 𝑎)CH3 CH2 OH+ CH3 NH − →CH3 CH2 O+CH3 NH2 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado b)CH3 CH2 COOH+ CH3 NHCH3 →CH3 CH2 COO+CH3 NH2 CH3 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado

C)CH3 OH+H2 S𝑂4 →(CH3 )2 S𝑂4 +H2 O -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado d)NaOH+H2 S→𝑁𝑎2 𝑆+𝐻2 𝑂 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado e)CH3 N𝐻3− +𝐶𝐻3 𝑂− →𝐶𝐻3 𝑁𝐻2 +𝐶𝐻4 𝑂 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado f)𝐶𝐻3 𝑂− +𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻→𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂 +𝐶𝐻3 𝑂𝐻 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado g)CH3 S𝑂3− +𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻→𝐶𝐻3 𝑆𝑂4 +𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝐻 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado

h)𝐶𝐹3 𝐶𝑂𝑂𝐻+𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂− →𝐶𝐹3 𝐶𝑂𝑂 +𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 -Base - Ácido - Base Conjugada - Ácido Conjugado 10. Identifique los ácidos y bases en las siguientes reacciones:

Respuesta:

11. Indique si el siguiente orden de acidez es correcto; de lo contrario, corríjalo y explique. Orden de acidez decreciente.

RTA :

EXPLICACIONES : Esto se da por el efecto inductivo, ya que se encarga en el desplazamiento de par electrones por enlace covalente hacia un átomo más electronegativo, esto produciendo distorsión en los enlaces vecino. Con base a lo anterior podemos deducir que el efecto inductivo es negativo

12. Dibuje la estructura condensada de un compuesto que contenga exclusivamente átomos de carbono e hidrógeno y que posea solamente: A. 3 átomos con hibridación sp3 B. 1 átomo con hibridación sp3 y dos átomos con hibridación sp2 C. 2 átomos con hibridación sp3 y dos átomos con hibridación sp

B A

C

13. Para cada una de las siguientes estructuras, dibuje todos los pares existentes:

:

•• A

C

B

D

•• •

••

•• •• E

F

+ ••

••

••

G

••

H

I

14. Asigne las cargas formales que faltan:

A

B

C

D

15. El Dimetil sulfóxido (DMSO) es un subproducto de la fabricación de papel y tiene una serie de usos, especialmente como disolvente. Es una molécula neutra que tiene la conectividad (CH3)2SO (a) Escriba una estructura de Lewis de DMSO que obedezca la regla del octeto. Mostrar todos los pares no compartidos y cargas formales. ELECTRONES DE VALENCIA TEÓRICOS ELEMENTO eH 12 C 16 S 8 O 8

ELECTRONES DE VALENCIA REALES ELEMENTO eH 6 C 8 S 6 O 6

Luego se calculan el numero de enlaces que va a tener el compuesto, así:

𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠−𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑐𝑖𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 2 44− 26=

18 =9 2

La molécula quedará de la siguiente manera

Ahora se determina la carga formal de la molécula así: ELEMENTO H C S O

𝑵°𝒅𝒆𝒆− 𝒅𝒆𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 1 4 6 6

𝑵°𝒅𝒆𝒆− 𝒏𝒐𝒆𝒏𝒍𝒂𝒛𝒂𝒅𝒐𝒔 0 0 3 5

𝑵°𝒅𝒆𝒆𝒏𝒂𝒍𝒄𝒆𝒔 /𝟐 1 4 3 1

𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒍 0 0 0 0

(b) La regla del octeto puede ser superada por los elementos más allá del segundo periodo en la tabla periódica. Escribe una fórmula de Lewis para el DMSO en el que diez electrones de valencia rodean al azufre.

ELECTRONES DE VALENCIA TEÓRICOS ELEMENTO H C S O

ELECTRONES DE VALENCIA REALES

e12 16 10 8

ELEMENTO H C S O

e6 8 6 6

Luego se calculan el número de enlaces que va a tener el compuesto, así:

𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠−𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑐𝑖𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 2 46− 26=

20 = 10 2

La molécula quedará de la siguiente manera

Ahora se determina la carga formal de la molécula así:

ELEMENTO

𝑵°𝒅𝒆𝒆− 𝒅𝒆𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

𝑵°𝒅𝒆𝒆− 𝒏𝒐𝒆𝒏𝒍𝒂𝒛𝒂𝒅𝒐𝒔

𝑵°𝒅𝒆𝒆𝒏𝒂𝒍𝒄𝒆𝒔 /𝟐

𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒍

H

1

0

1

0

C

4

0

4

0

S

6

3

3

0

O

6

4

2

0

16. Asigne los valores de pKa para el siguiente conjunto de compuestos y explique la tendencia.

pKa = 4.76

pKa = 2.60

pKa = 1.34

pKa = -1

17. Para cada una de las siguientes moléculas, determine la carga formal en el heteroátomo

Cargas formales para los heteroátomos MOLÉCULA

HETEROÁTOMO N° e- valencia

A B C D E F G H I J K L

O O N N N O O N N N O N

6 6 5 5 5 6 6 5 5 5 6 5

N° enlaces no enlazados 4 2 4 2 0 6 2 4 2 0 4 2

N° de enlaces / 2 2 3 2 3 4 1 3 2 3 4 2 3

Carga formal 0 +1 -1 0 +1 -1 +1 -1 0 +1 0 0

18. Calcule las cargas formales para: a) P; CH2 b) N; O c) S; O d) todos.

MOLÉCULA

ÁTOMO

N° e- valencia

A

P C H N O S O O O O

5 4 1 5 6 6 6 6 6 6

B C D

N° enlaces no enlazados 2 2 0 1 1 2 4 4 2 6

N° de enlaces / 2 3 3 1 2 3 2 2 2 3 1

Carga formal 0 -1 0 2 2 2 0 0 1 -1

19. Prediga los productos de las siguientes reacciones ácido-base:

A. 𝐻2 𝑆𝑂4 + 2𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂− ⇌ 2𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 +𝑆𝑂4 B. 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 +2(𝐶𝐻3 )3 𝑁 ⇋𝐶𝐻2 𝐶𝑂𝑂+2𝑁𝐻(𝐶𝐻3 )3

𝐶6𝐻3 𝐶𝑂𝑂 +𝐻2 𝑂 C.

D. (𝐶𝐻3 )3 𝑁 + 𝐻+2𝑂𝐻 ⇋(𝐶𝐻3 )3 𝑁𝐻 − + 2𝑂𝐻 E. 𝐻2 𝐶𝑂3 + 2𝑂𝐻− ⇋ 𝐶𝑂3 −2 + 2𝐻2 𝑂 F. 𝐻2 𝑂+𝑁𝐻3⇋ 𝑁𝐻4 + 𝑂𝐻 − G. 𝐻𝐶𝑂𝑂𝐻 +𝐶𝐻3 𝑂− ⇋𝐻2 𝐶𝑂𝑂𝐻 +𝐶𝐻2 𝑂...