Tema-1: Las Reacciones Orgánicas y sus Mecanismos de Reacción. Reacciones de Combustión.

 

TEMA 1: LAS REACCIONES ORGÁNICAS
 Y SUS MECANISMOS DE REACCIÓN.


Una Reacción Química se puede definir como el proceso mediante el cual una o mas sustancias se transforman (por acción de diferentes agentes) en otras especies químicas diferentes.



También podemos definir una Reacción Química como un proceso de interacción entre especies químicas, en el que, como consecuencia de la Ruptura y Formación de enlaces, se origina una nueva entidad química.







Como por ejemplo:

       A-B   +   C-D      --------->  A  +  B   +   C  +  D   -------->      A-D  +  B-C
          Reactivos                           ruptura de enlaces                           Productos
(compuestos enlazados)                                                    (formación de nuevos enlaces)


Las Reacciones Orgánicas presentan TRES características especiales que la diferencian de las Inorgánicas:

1)  Se desarrollan a muy baja velocidad (son lentas a Temperatura ambiente)

2)  En la mayoría de los casos solamente el Grupo funcional interviene en la reacción, por lo que el resto de la molécula orgánica permanece inalterada.

3)  La mayoría de las Reacciones ocurren en varias Etapas o secuencias, a las que se les denomina Mecanismos de Reacción.

En el estudio de las Reacciones Orgánicas, la Química Orgánica no solo se interesa por los Reactivos y los Productos, sino por todos los detalles de la Reacción; especialmente por el orden de los Procesos de ruptura y formación de enlaces, por los productos intermedios que se forman entre los reactivos y los productos finales, así como también por el estudio de la variación de la velocidad de reacción en función de las condiciones experimentales.

También explora los cambios estereoquímicos que ocurren durante la Reacción.  A partir de observaciones como éstas, se postulan los detalles del proceso o camino que los Reactivos siguen durante su transformación en Productos.




MECANISMO DE REACCIÓN

El Mecanismo de Reacción es una descripción detallada de todo lo que ocurre en una Reacción química, es decir, una explicación paso a paso de la forma cómo los Reactivos se van transformando en Productos.  Esto significa que explica paso a paso los fenómenos que ocurren a nivel molecular cuando se rompen los enlaces de los Reactivos, hasta la el reordenamiento de las especies químicas para dar origen a la formación de los nuevos enlaces que conducen a lo Productos.




ETAPAS DEL MECANISMO DE REACCIÓN

Una Reacción puede ocurrir en una sola etapa, como ocurre en la mayoría de la Reacciones Inorgánicas, como por ejemplo:

                        A-B   +   C-D      --------->   A-D   +  B-C
                             Reactivos                          Productos

ejemplo:        NaOH   +   HCl    --------->  NaCl  + H2O

Sin embargo, las Reacciones Orgánicas las reacciones ocurren más frecuentemente por una secuencia de etapas donde se forman productos intermedios antes de la formación del producto final, Por ejemplo:

      A   +  B     --------->    C   +  D      (REACCIÓN EN UNA SOLA ETAPA)

EL MECANISMO DE REACCIÓN EN DOS ETAPAS PARA ESTA REACCIÓN SERÍA:

A   +  B     --------->   C   +  "Y"   +  B   
Primera etapa: se forma el Producto C un producto intermedio "Y"

B   + "Y"  --------->   C   +  D     
Segunda etapa: desaparece el producto intermedio "Y" y se forma el producto D

Con ésta pequeña introducción de la explicación de las Reacciones Orgánicas y sus Mecanismos de Reacción, ustedes van a profundizar la  Investigación acerca de las reacciones Orgánicas, en su Texto.

Ejemplo del mecanismo de Reacción de la Cloración del Metano:

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS

La mayoría de las Reacciones Orgánicas son Reacciones polares, es decir, son reacciones  que ocurren mediante la transferencia de un par de electrones de una especie química a otra, dando origen a una nueva molécula también con enlace covalente pero con diferente polaridad.

Las reacciones polares se caracterizan porque se producen en dos o más etapas.  Resulta normal un "Estado de Transición", constituido por Productos Intermedios, que desaparecen al final del proceso, pero cuyo conocimiento es de utilidad para entender cómo se producen la reacciones (Mecanismos de Reacción).

Las Reacciones químicas de los compuestos Orgánicos se pueden clasificar en cuatro tipos:

REACCIONES DE ADICIÓN

                   REACCIONES DE SUSTITUCIÓN  

                     

                                      REACCIONES DE ELIMINACIÓN

                                                        REACCIONES DE REORDENAMIENTO   

Y otras reacciones importantes como:     

REACCIONES DE COMBUSTIÓN

                   REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN
                   
                                      REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN 

Nosotros, solamente vamos a estudiar a profundidad, las REACCIONES DE COMBUSTIÓN,  tomando en cuenta que éstas reacciones son de gran aplicación dado que los Compuestos orgánicos en su mayoría son combustibles.


                            REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Las Reacciones de Combustión son aquellas reacciones en las que un Compuesto Orgánico reacciona con el oxígeno para formar Dióxido de Carbono (CO2) y agua (H2O), liberando gran cantidad de energía en forma de luz y calor, cuya magnitud dependerá del Compuesto Orgánico utilizado.

A los compuestos que realizan la Combustión se les denomina: Combustibles.

La reacción de combustión es la que define a los compuestos Orgánicos como Combustibles ya que son capaces de liberar gran cantidad de energía.

La Combustión es una reacción de Oxidación, exotérmica, que ocurre entre un cuerpo combustible (Hidrocarburo) con otro cuerpo oxidante (Oxígeno del aire) denominado comburente.  El fenómeno acostumbra a ser perceptible por la presencia de  de una llama que constituye una fuente de luz y calor.  Para que la combustión tenga lugar, es necesario que el combustible y el comburente estén en contacto y en las proporciones adecuadas, además la Temperatura de la mezcla deberá ser mayor a la Temperatura de ignición del combustible.


La Ecuación general para una Reacción de -combustión es:

HIDROCARBURO  +  OXÍGENO  ------->> DIÓXIDO DE CARBONO   +  AGUA  +  ENERGÍA

EJEMPLO:

 METANO  +  OXÍGENO   ------->  DIÓXIDO DE CARBONO   +      AGUA    +    ENERGÍA

     CH4    +        O2       ------->             CO2                    +      H2O    +   ENERGÍA (Luz + Calor)

Como pueden observar... así se produce la combustión de cualquier material combustible como en este caso el metano, o también puede ser la madera, el papel, la gasolina, etc....

Muy bien.. hasta aquí todo está sencillo...

Pero, Si observamos la Reacción nos podemos dar cuenta que no está balanceada.... entonces debemos balancearla... ok?!?!

Recordemos en qué consiste el balanceo de una ecuación....

El Balanceo de una Ecuación consiste en hacer coincidir el número de átomos de cada elemento de los Reactivos con el número de átomos de ese mismo elemento en los productos, colocando los Coeficientes estequiométricos correspondientes al lado derecho de cada compuesto.

en este caso veamos elemento por elemento:

elemento   reactivos   productos

   C:               1        y       1           no colocamos nada porque hay la misma cantidad en ambos lados

   H                4                 2          debemos colocar un 2 en el H2O para obtener 4 átomos de H

   O                2              (2 +2) = 4   debemos colocar un 2 en el O2

CH4    +       2 O2       ------->             CO2                   +    2 H2O    +   ENERGÍA 

y así quedó balanceada.

Espero que se acuerden de ésto que lo vimos en cuarto año y aquí lo vamos aplicar a las Reacciones de Combustión.

La Combustión puede ser de 3 tipos:

1) Combustión Completa
2) Combustión Incompleta y
3) Combustión mínima


Tomemos como ejemplo la combustión del Propano  (C3H8 ):

 C3H8       +       O2     ------->         CO2             +   H2O    +   ENERGÍA   (Ecuación sin balancear)
(Propano)         (Oxígeno)          (Dióxido de Carbono)      (agua)         (en forma de luz y calor)

1) Combustión Completa: Es aquella donde el combustible reacciona con suficiente cantidad de Oxígeno y se produce Dióxido de Carbono y Agua + Energía

Ejemplo:  C3H8       +       5 O2     ------->        3 CO2     +    4 H2O    +   ENERGÍA 
                 (Propano)                                                                  

 

2) Combustión Incompleta:  Ocurre cuando la cantidad de Oxígeno presente en el proceso es menor que la requerida, y entonces se produce Monóxido de Carbono y Agua + Energía

Ejemplo:  C3H8       +       7/2 O2     ------->        3 CO     +           4 H2O    +   ENERGÍA 
                 (Propano)                                                 (Monóxido de Carbono)                                                 

3) La Combustión también puede ser una Combustión mínima cuando la cantidad de Oxígeno es la mínima requerida para la reacción y sólo se produce Carbono elemental (que se aprecia como humo negro)

Ejemplo:  C3H8       +      2 O2     ------->    3 C   +    4 H2O    +   ENERGÍA 
                 (Propano)                                        (humo negro)



Observen que la única diferencia entre los tres tipos de Combustión está en el Producto:  En la primera se obtiene CO2 , En la segunda se obtiene CO,  y  En la tercera se obtiene C 

De allí que el balanceo resulta diferente en cada caso y podemos darnos cuenta que la cantidad de Oxígeno es mayor en la combustión completa, menor en la incompleta  y mucho menor en la mínima.

La mayor aplicación de los alcanos, particularmente es como combustibles, tal es el caso de mezclas conocidas como el Metano, Gasolina; Kerosene, Gasoil, entre otros.

En la cotidianidad es común tener que calcular las cantidades de Oxígeno y de aire que se requieren en la Combustión de determinados volúmenes o masas de combustibles. Estos se pueden calcular mediante cálculos estequiométricos sencillos, como por ejemplo, veamos el siguiente problema:



Problema 1:  Calcule cuántos gramos  de : a) Oxígeno y b) de aire  se requieren para la combustión completa de 1,4 gramos de metano, sabiendo que se producen 211 Kcal (Kilocalorías) en el proceso.

SOLUCIÓN

Si me dicen la combustión completa del metano,  entonces planteo la reacción de combustión:

CH4    +       O2       ------->         CO2      +     H2O      +     211 Kcal


debemos balancear la Ecuación:


CH4    +       2 O2       ------->       CO2     +    2 H2O    +   211 Kcal

Una vez balanceada sí podemos hacer todos los cálculos estequiométricos que queramos.  En este caso, vamos a calcular masas: me piden la masa de Oxígeno y la masa de aire que se requieren para la combustión de 1,4 gramos de metano.

Podemos hallar la masas Estequiométricas, con la Ec. balanceada y las masas moleculares de las sustancias:

Masas Moleculares:

CH4 : C: 12 gr/mol * 1 = 12 gr/mol
           H: 1 gr/mol  * 4 =   4 gr/mol
____________________________
Masa Molecular =          16 gr/mol



O2 : O: 16 gr/mol * 2 = 32 gr/mol
         ____________________________
Masa Molecular =          32 gr/mol



CO2 : C: 12 gr/mol * 1 = 12 gr/mol
          O: 16 gr/mol * 2 = 32 gr/mol
____________________________
Masa Molecular =          44 gr/mol



H2O : H: 1 gr/mol  * 2 =  2 gr/mol
          O: 16 gr/mol * 1 = 16 gr/mol
____________________________
Masa Molecular =          18 gr/mol



Planteamos un Balance de masas:


        CH4           +       2 O2          ------->       CO2               +       2 H2O    
1 mol *(16 gr/mol)   +  2 mol*(32 gr/mol)  -------> 1 mol *( 44 gr/mol)  +    2 mol (18 gr/mol)

  16 gr CH4             +       64gr O2          ------->  44 gr CO2        +    36 gr H2O    


ahora planteamos las relaciones másicas:


                            ( necesitan)
si 16 gr CH4        ------------->   64gr O2 
  1,4 gr CH4         ------------->     X=?


X= 89,6 gr de O2 

Respuesta a):  Se necesitan 89,6 gramos de Oxígeno-


Ahora calculemos los gramos de aire:

Sabemos que el aire está compuesto por :    21% de O2
                                                                      78% de N2
                                                                        1% de otros gases

Si tomamos el total como 100 gr de aire, tenemos lo siguiente:

                            ( contiene)
si 100 gr aire        ------------->   21gr O2 
              X=?         ------------->  89,6 gr  O2  


X= 426,67gr de aire

Respuesta b):  Se necesitan 426,67 gramos de aire